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1、学 号_ 毕 业 设 计 课程名称 基于飞思卡尔k60芯片控制下的智能汽车学生姓名 皇甫 趁心 院 部 电气工程学院 专业班级 11自动化 指导教师 臧 大 进 2015年5月各工作组要指定一名人员承担信息报送工作，负责搜集和整理本组及相关成员单位的各类信息，经组长审核把关后及时报综合组，每周至少报送一条工程进展信息，每季度报送工作总结。摘要智能汽车技术是一种在无人干预的情况下自动跟踪预定轨迹，最终实现自动驾驶的高新技术。智能车辆系统的基本功能是，利用各类传感器感知环境信息，做出控制决策，使得车辆按照期望路线行驶或到达期望目标点。智能汽车的设计涉及计算机科学、传感器检测、多元信息融合、信息通讯
2、、人工智能与模式识别以及自动控制等多个领域的交叉技术。从第五届的电磁组开始到第九届比赛，电磁小车已经在智能车的赛道上奔驰了5年，从第六届取消了前瞻长度的限制，电磁车速度开始有了质的飞跃，第七届改成直立状态行走后，虽然对速度有一定的影响，但也以其独特魅力和新的技术挑战让参赛者向往不已，第八届改回四轮行进方式并采用了A车模，小车的速度再次出现大幅提升，第九届电磁组小车依然从采用四轮行进，不过组委会为电磁组添加了直角道，增加了电磁组的难度。本文中，我们小组通过对小车设计制作整体思路、电路、算法、调试、车辆四轮定位等的介绍，详尽地阐述了我们的创意和思路，具体表现为软件的升级改进，硬件电路的删减改进以及
3、车辆机械参数的调配，特别是对算法的改进，我们花了不少的心血，从之前的对算法的似懂非懂，到后来对程序的大打删改，我们不知道出现过多少错误，也不知道遇到多少挫折，最终写出了一套属于我们自己适合我们自己小车的程序算法。从参赛前的校内选拔到比赛的结束，我们程方如意对遇到了很多的困难和挫折，从刚开始的浮夸到后来的急躁再到最终我们心爱的小车成功的跑起来，我们查阅了很多的相关资料，涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，通过这次比赛，我们对我们的专业知识有了更深的认识，学到了我们从书上学习不到的知识，我们学会了团结，学会了注意细节，只有团结，抓住每一个细节，才能把事情做成功！在
4、这次比赛中我们受到了许多人的帮助，其中最要感谢的是我们的指导老师臧大进老师，感谢您在整个比赛中对我们的指导和帮助，其次还有帮助我们的学长，以及各位同仁、网友，没有你们我们也走不到今天，再次也一一感谢！最后我要特别感谢我的两位队友，是他们把我带上了飞思卡尔智能汽车这条道路，并一路支持和帮助我一起解决各类问题，正是我们三个团结一致，精诚合作才有了我们最后的成功！谢谢你们。目录目 录摘要- 1 -第一章 方案设计- 4 -1.1系统总体方案的设计- 4 -1.2系统总体方案设计图- 7 -第二章 智能车机械结构调整与优化- 8 -2.1智能车车体机械建模- 8 -2.2智能车前轮定位的调整- 9 -
5、2.2.1前轮前束- 9 -2.2.2主销后倾角- 11 -2.2.3主销内倾角- 11 -2.2.4车轮外倾角- 11 -2.3智能车转向机构调整优化- 12 -2.4智能车后轮减速齿轮机构调整- 13 -2.5 编码器的安装- 14 -2.6 智能车重心位置的调整- 14 -2.7其它机械结构的调整- 14 -第三章 电路设计说明- 16 -3.1 主控板和驱动板的硬件设计- 16 -3.1.1 电源管理模块- 16 -3.1.2 电机驱动模块- 18 -3.1.3 数模信号转换- 19 -3.1.4 单片机及其他电路部分设计- 19 -3.2 智能车传感器模块设计- 22 -3.2.1电
6、感传感器的原理- 22 -3.2.2磁传感器信号处理电路- 22 -3.2.3传感器的布局原理及改进- 25 -第四章 智能车控制软件设计说明- 28 -4.1底层初始化- 28 -4.2传感器采集处理算法- 29 -4.3寻线行驶算法实现- 30 -4.3.1定位算法- 30 -4.3.2基于位置式PID的方向控制- 32 -4.3.3基于增量式PID的速度控制- 34 -4.3弯道策略分析- 34 -4.4弯道策略制定- 36 -第五章 开发工具、制作、安装、调试过程说明- 39 -5.1 开发工具- 39 -5.2 调试过程- 39 -5.2.1 上位机系统- 39 -5.2.2 控制算
7、法的参数整定- 41 -5.3 整车机械方面的调整- 42 -第六章 模型车的主要技术参数说明- 43 -结论- 44 -参考文献- 45 - 43 -第一章 方案设计第一章 方案设计本章主要简要地介绍智能车系统总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。1.1系统总体方案的设计根据第九届飞思卡尔组委会公布的竞赛规则及相关规定，智能车系统采用大赛组委会统一提供的C型车模，控制器我们则选择了组委会允许下的32位微控制器k60作为核心控制器，在IAR开发环境中进行软件开发。赛车的位置信号由车体前方固定在前瞻上的六路电磁传感器采集
8、，经内部AD进行模数转换后，加以处理后输入到控制核心，作为处理智能车运动控制的核心信息。通过欧普龙（500线）编码器（两个）测速模块来检测车速，并采用K60 的输入捕捉功能进行脉冲计数计算速度及差速控制；电机转速控制采用 PID 控制，通过 PWM 控制驱动电路调整电机的转速，完成智能车速度的闭环控制。图1.1.1 电磁车整体布局我们使用红树伟业的 BLK-MD-BC04-B蓝牙模块与上位机通讯，发送小车运行的各项参数，从而对小车进行调试。图1.1.2蓝牙模块产品特征：1、电源电压3.3V，未配对时电流约2-10mA，配对后约20mA，绝对禁止接反电源！2、接口电平3.3V，可以直接连接各种单
9、片机（51，AVR，PIC，ARM，MSP430等），5V单片机也可直接连接，无需MAX232也不能经过MAX232！3、led引脚指示蓝牙连接状态，输出脉冲表示没有蓝牙连接，输出高表示蓝牙已连接并打开了端口状态指示LED：PIO（1）用于指示蓝牙模块所处状态，LED灯闪烁方式与蓝牙模块状态对应见下表：4、模块与电脑接，接MAX3232芯片后接到电脑的串口5、空旷地有效距离15米左右，但不对此距离的连接质量做保证6、配对以后当全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议，但仅支持8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式，这也是最常用的通信格式，不支持其他格式。7、在未建立蓝牙连接时支持通过AT指令
10、设置波特率、名称、配对密码，设置的参数掉电保存。蓝牙连接以后自动切换到透传模式8、体积小巧（2.7cm*1.3cm），工厂贴片生产，保证贴片质量。 9、该链接为从机，从机能与各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、大部分带蓝牙的手机、PDA、PSP等智能终端配对，从机之间不能配对主从模式设置：硬件设置：主模式：1、将PI0(4)软/硬件主从设置口：置低(或悬空)为硬件设置主从模式 2、将PIO(5)硬件主从设置口：置3.3V高电平从模式：1、将PI0(4)软/硬件主从设置口：置低(或悬空)为硬件设置主从模式 2、将PIO(5)硬件主从设置口：置地(或悬空)软件设置：主模式：1、将PI0(4)软/硬件主
11、从设置口：置3.3V高电平 2、打开超级终端或其他串口调试工具设置波特率9600，数据位8位，停止位1位，无校验位，无流控制。 3、串口发送字符“AT+ ROLE1 rn”，成功返回“+ROLE=1rn OKrn”，其中rn为回车换行从模式：1、将PI0(4)软/硬件主从设置口：置3.3V高电平 2、打开超级终端或其他串口调试工具设置波特率9600，数据位8位，停止位1位，无校验位，无流控制。 3、串口发送字符“AT+ ROLE0 rn”，成功返回“+ROLE=0rn OKrn”，其中rn为回车换行为简便实用，我们采用了硬件设置方案。1.2系统总体方案设计图K60微控制器欧普龙编码器直流电机电
12、机驱动模块舵机转向控制蓝牙莫款六路电感传感器上位机干簧管键盘，拨档开关运放模块图1.2系统总体方框图根据以上系统方案设计，赛车共包括七大模块：四轮定位、K60主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、蓝牙调试模块。各模块的作用如下：四轮定位，从机械方面提高智能车的性能指标不容忽视。K60主控模块，作为整个智能车的“大脑”，将采集10mh电感传感器放大信号、欧普龙编码器脉冲信号等，根据所编写控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机运行从而完成对智能车的控制。电感传感器模块，是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的
13、依据和充足的反应时间。电源模块，为整个电路系统提供稳定电源。电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。速度检测模块，检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。蓝牙调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。 第二章 智能车机械结构调整与优化第二章 智能车机械结构调整与优化智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进和提高。本章将主要介绍智能车车模的机械结构和调整方案
14、。 2.1智能车车体机械建模此次比赛选用的赛车车模采用A型车模。赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，后轮驱动方案。我们对机械结构的要求是：简单而高效。我们在不断的尝试后确定了以下的设计方案：图2.1 智能车器件布局图2.2智能车前轮定位的调整现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，其主要的参数有：主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。智能车竞赛模型车的四项参数都可以调整，但是由于模型车加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着一些偶然性。2.2.1前轮前束为什么要有前束？1.首先，为了使司机握的方向盘能够自动保持在中央，不乱转，减轻司机的疲劳，就要使主轴后倾。这就如同自行车的前叉子后倾一样，可以使双手轻松。2.但是，主轴后倾之后，前轮会有高速的小摆动，使车身不稳。为了克服前轮的小摆动，就要失主销外倾，速度越慢，道路越不平，则需要主销外倾的角度越大，如四轮拖拉机。由于两个前
