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1、第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛 技术报告技术报告学校：广西科技大学队伍名称：电磁一队参赛队员：周志良黄家刚卢可越何静带队教师：谭璐伍松技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保 留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比 赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计 方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在 组委会出版论文集中。参赛队员签名：带队教师签名：日期：摘要摘要本文介绍了广西科技大学电磁一队在准备第十届飞思卡尔智能车大赛的工作成果。该系统以Free
2、scale微控制芯片MC9S12XS128(以下简称S12)和MK60DN512ZVLQ10(以下简称K60)为核心，并以CodeWarriorIDE和AR Embedded Workbench作为系统的开发平台，车模采用大赛组委会统一提供的B和C型仿真车模。本文主要介绍了智能车控制系统的机械结构、软硬件模块的设计过程。整个系统主要包括车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略的优化等多个方面。车模以安装在车体前的工字电感作为循迹传感器，采用干簧管检测起跑线，以旋转光电编码器来检测速度信息，其简单工作原理为单片机采集工字电感感应电压的模拟量和干簧管的导通状态，结合舵机控制算法控
3、制舵机转角，单片机再综合赛道信息并结合旋转光电编码器的速度反馈信号，利用电机控制算法控制速度变化，结合无线串口的监控调试，最终确定了各项控制参数。关键字：智能车，电磁循迹，PID算法目录目录第第 1 1 章引言章引言 1.1 目的和意义 1.2 国内外发展情况 1.3 设计的基本要求及内容 第第 2 2 章检测及控制原理章检测及控制原理2.1 路径的识别 2.1.1 导线周围的电磁场 2.1.2 磁场检测方法 2.1.3、传感器布局.2.2 车模方向控制 2.3 车模速度控制 第第 3 3 章电路设计章电路设计3.1 整体电路框图 3.2 单片机最小系统 3.3 电磁检测模块 3.3.1 传感
4、器的选择 3.3.2 选频、放大、整流 3.3.3 电机驱动 3.4 速度检测模块 3.5 舵机驱动模块 3.6 电源电压转换模块 3.7 终点线检测模块 第第 4 4 章机械设计调整章机械设计调整4.1 舵机的安装 4.2 编码器的安装 4.3 干簧管检测模块安装 4.4 智能车前轮定位参数的选择 4.4.1 主销后倾角 4.4.2 主销内倾角 4.4.3 前轮外倾角 4.4.4 前轮前束 4.5 车模其它机械结构的调整 4.5.1 重心位置的控制.4.5.2 小车底盘高度.4.5.3 后轮距.4.5.4 减震器.4.5.5 齿轮啮合.4.5.6 差速器第第 5 5 章软件开发章软件开发5.
5、1 软件功能与流程图 5.2 赛道信息的提取 5.3 舵机控制和直流电机控制程序设计 5.3.1 经典 PID 控制算法 .5.3.2 基于位置式舵机控制算法 5.3.3 基于增量式电机控制算法 5.4 弯道控制策略 第第 6 6 章开发环境、调试工具章开发环境、调试工具6.1 软件开发平台 6.2 蓝牙模块与串口调试 6.3 小车硬件参数总结总结致谢致谢参考文献参考文献附录附录第第 1 1 章章 引言引言1.1 大赛的目的和意义面对当今世界全球化、信息化的发展，交通运输系统的智能化将会是交通运输事业发展的必然选择，将会是交通运输事业的一次革命。而作为智能交通系统的子系统之一车辆控制系统，是各
6、国争相研究的课题之一。本课题正是以研究车辆控制系统背景，设计并制作了以飞思卡尔公司生产的 32 位微控制器为核心，配合其他外围电路的智能小车。这不仅是培养了自身专业知识与实践相结合的综合运用能力，也是加强了自身对跨学科学习的能力。汽车智能化的发展也将是未来汽车发展的趋势，进行智能车的研究对我国汽车工业的发展，特别是缩短与世界汽车强国的距离，起到十分重要的作用。1.2 国内外发展情况目前，许多国内知名大学，如清华大学、上海交通大学、军事交通学院、国防科技大学等等，对智能车的研究都是进行的比较深入。其中 2011 年 7 月，由国防科技大学自主研究制作的无人驾驶汽车，首次完成了从长沙到武汉 286
7、公里的高速公路全程无人驾驶实验，这创造了我国自主研制的无人驾驶汽车，在复杂路面状况下自动驾驶的新纪录。2012 年 11 月，军事交通学院自主研制的无人驾驶车从北京出发，沿着京津高速公路一路行驶，85 分钟后安全到达天津，该无人驾驶智能车全程行驶共计 114 公里，最高时速达到 105 千米，共完成 12 次自主超车，36 次换道动作，30 次刹车动作。目前为止，该无人驾驶车已经完成了在各种路况下总计一万多千米的测试实验，最高时速已达到 120 千米。国外的对智能汽车的研究起步比较早，谷歌公司研制的 7 辆无人驾驶汽车，在城市、乡村、山地、高速路等各种复杂路况下累计行程超过 30 万英里。1.
8、3 设计的基本要求及内容此次设计的智能小车是以全国大学生第十届“飞思卡尔”杯智能汽车大赛为背景，小车的位置信号由小车前方的电磁传感器采集电磁信号，经 A/D 进行模数转换后，信号被送到控制核心单片机，用于小车的行驶控制决策。通过光电测速模块来检测车速，并采用 MK60 的低功耗定时 LPTMR 功能进行脉冲计数和 S12 的脉冲输入扑捉口进行计数，计算速度；采用 PID 控制方法来控制电机的转速，输出 PWM 信号给电动机来实现电动机速度的调整，完成智能车速度的闭环控制。主要是解决硬件电路的设计与制作和程序的编写以及这两者间的协调的问题，基本要求如下：（1） 、小车所使用的电路板应为自行设计与
9、制作；（2） 、小车所运行的程序应为自行编写；（3） 、小车所采用的传感器数量受到一定的限制；（4） 、对小车车模的改动受到一定的限制。小车要求达到的性能有：（1） 、能够自主巡线即对赛道的信息能够识别；（2） 、能够自主合理的控制自身速度；（3） 、能够自主合理的控制转向；（4）电磁双车在行驶过程中不能有任何的物理接触。 （5） 、电磁双车要在经过终点线后的 3 米距离内停好车。第第 2 2 章章 检测及控制原理检测及控制原理2.1 路径的识别小车行驶的赛道中心线铺设有一根漆包导线，导线内部通有大小为、频率为的交变电流，因此在赛道中心线周围会产生一个交mA11090Hzk20替变化磁场。2.
10、1.1 导线周围的电磁场根据麦克斯韦的电磁场理论，交变的电流将会在其周围产生交变的电磁场。智能车竞赛使用交流电流频率大小为的漆包线作为路径导航，漆包线通Hzk20电后产生的电磁波为低频电磁波。根据毕奥-萨伐尔定律可得：通有稳定的电流长度为的直导线周围会产生一个磁场，与导线距离为 处点的磁感应强ILrP度为：图 2-1 直线电流的磁场（2-drIBsin4210)104(17 0TmA1）由此得：)cos(cos4210rIB对于无限长直电流导线来说，上式中，则有012rIB 40图 2-2 无限长导线周围的磁场强度在图 2-2 中，感应磁场的分布形式是以导线为轴的一系列的同心圆。同一圆周上的磁
11、场强度大小相同，并随着距离导线的半径 增大而下降。r2.1.2 磁场检测方法我们选取较为传统的电磁感应线圈（工字型电感）的方案。它具有原理简单、体积小、频率响应速度快、价格便宜、电路易于实现等特点，是适合于初学者迅速实现路径检测的理想方案。通电导线周围的磁场是一个矢量场，场的分布如图 2-3 所示。如果在通电直导线周围竖直放置两个轴线互相垂直并且位于与导线相垂直的平面的线圈，则可以感应出磁场向量的两个垂直分量，进而可以得到导线周围的磁场强度和方向。图 2-3 导线周围的感应电磁场导线中的电流按一定规律发生变化时，导线周围的磁场也将跟随电流发生变化，则线圈将感应出一定大小的电动势。根据法拉第电磁
12、感应定律，线圈磁场传感器的内部感应电压与线圈传感器的匝数、截面积、通过一圈的磁ENA通量的关系有：)(tB dttd dttdBNAEr)()( 0感应电动势的方向可以使用楞次定律来确定。由于本设计中，导线中流过的电流频率较低，且线圈体积小，令线圈中心到导线的距离为 ，在小范围内r可以认为，磁场分布是均匀的。再根据图 2-3 所示的导线周围磁场分布规律，则线圈中感应电动势可约为：(2-2)rK dtdI rk dttdE)(由公式可知：线圈中感应电动势的大小与电流的变化率成正比，与线圈中心到导线的距离成反比。常量为与线圈面积的大小、线圈摆放的方式和一些K物理常量有关的一个量，具体的感应电动势常
13、量需要通过实际测定来确定不同的线圈不同的轴线摆放方式对常量的影响。出于方便理解这一点的考虑，我K们先讨论一种简单的线圈检测方案：两个水平线圈检测方案。在小车的前上方水平方向固定两个相距为的线圈，两个线圈的轴线为水平并且和导线相互垂L直，高度为，如下图所示：h图 2-4 双水平线圈检测方案为了便于讨论，我们在赛道上建立如下的坐标系，假设在赛道平面上：轴为垂直于跑道中心线， 轴为垂直赛道往上，轴为沿着赛道前进的方向，xyz轴满足右手定则。倘若在小车前方安装两个水平的线圈，这两个线圈的距xyz离为 ，线圈的高度为，参见图 2-5 所示。左边的线圈的坐标为（,） ，Lhxhz右边的线圈的位置(,)。因
14、为磁场分布是以轴为中心的同心圆，所Lx hzz以在计算电磁场强度时，我们只用考虑坐标(, )即可。因为线圈的轴线是水xy平的，所以感应电动势反映了磁场水平方向的分量。根据公式（2-2）可以知道感应电动势的大小与成正比。22hxh 图 2-5 感应线圈的排布方案假设,，计算感应电动势，随着线圈水平cmh10)15,15(x22hxhE距离的变化取值，如下图所示：x图 2-6 线圈中感应电动势与其距导线水平位置的函数Ex倘若单独使用一个感应线圈，感应电动势是位置的偶函数，只能够说Ex明水平位置的绝对值的大小，没有办法辨别线圈处于导线的左边还是右边。x因此，我们可以使用两个相距长度为 的感应线圈，然
15、后计算两个线圈中感应L电动势的差值：222221)(Lxhh hxhEEEd下面假设，计算两个线圈电动势差值如下图所示：cmL30dE图 2-7 线圈中感应电动势差值与距离的函数dEx从图 2-7 可以看出，当左边线圈的位置的时候，此时两个线圈连cmx15线的中心点恰好位于赛道中央，感应电动势差值为 0。当线圈往左偏移，距dE离为的感应电动势差值小于零；反之，当线圈往右偏移，距离为)30,15(x的感应电动势大于零。因此在位移为之间，感应电动势差)15, 0(xxcm30, 0值与位移是一个单调函数。使用这个关系对小车的方向进行负反馈控制，dEx从而确保两个感应线圈连线的中心点始终跟随赛道的中
16、心线。通过改变线圈之间的距离 、线圈的高度，则可以调整位置检测的感应电动势、范围的大小。Lh2.1.3、传感器布局导线位置的提取是电磁检测的关键，而传感器的布局方式则决定导线位置提取的算法，合理的传感器布局方式，可以帮助提取得更多的赛道信息。采用6 个垂直导线放置的电感，按“一”字排布，每个电感之间的距离大约为4cm，这样覆盖赛道范围大约为 24cm。6 个“一”字排布的电感可以大大提高检测广度和精度，可以提高前瞻，改善小车进弯状态和路径，同时对程序编写也有一定的帮助作用。图 2-8 传感器布局2.2 车模方向控制通过对赛道电磁中心线偏差的检测和舵机转角控制来实现对方向的控制，从而保证小车在赛道上安全行驶。车模方向控制算法根据车模检测到电磁中心线偏差来生成舵机转角控制量。通过舵机转角来控制车模转向，从而消除车模距离赛道中心线的偏差。该过程是一个积分的过程，因此车模方向控制一般只用进行简单的比例控制，就可以完成车模方向控制，但是由于车模
