第九届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告学 校：北京交通大学队伍名称：北交光电二队参赛队员：吴可谢刚杜隆生带队教师：马庆龙王睿关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第 九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关 于保留、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： 目 录引 言3第一章 方案设计.51.1 系统总体方案的选定51.2 系统总体方案的设计51.3 小结.7第二章 智能汽车机械结构调整92.1 智能汽车车体机械概述92.2 智能汽车前轮定位的调整.102.3 智能汽车部分结构安装及改造.122.3.1 轮胎磨合 122.3.2 重心高度调整 122.4 小结.12第三章 智能汽车硬件电路设计133.1 主控板设计133.1.1 电源管理模块 133.1.2 电机驱动模块 143.1.3 接口模块 173.2 智能汽车传感器模块设计173.2.1 光电传感器 173.2.2 角度传感器 183.3 舵机调试.183.4 液晶键盘.193.5 小结.19第四章 智能汽车控制软件设计2124.1 CCD 路径识别224.2 对速度的闭环控制234.3 小结.24第五章 开发工具、制作、安装、调试过程 .255.1 开发工具.255.2 调试过程.25第六章 模型车主要参数276.1 智能汽车外形参数276.2 智能汽车技术参数27结 论29参 考 文 献31附 录32程序代码32致 谢373引 言全国大学生智能汽车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。
本竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越 ”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件本文讨论以线阵 CCD 为路径探测传感器的路径识别算法和以 舵机为转向的控制算法的设计与开发，主要研究线阵CCD 的道路检测方法、初步路径识别算法以及由此而得出的控速与转向方法 第一章 方案设计1.1 系统总体方案的选定在最开始的设计中，要考虑诸多因素，如机械结构，电路板形状，传感器位置，所选用的传感器重量和各类芯片我们使用了K60 单片机配合线性 CCD进行道路识别，控制舵机进行转向，控制电机进行控速1.2 系统总体方案的设计遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞思卡尔的32 位微控制器MK60DN512ZVLQ10 单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制在选定智能汽车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由摇头舵机上安装的线性 CCD，经 K60 MCU 的 AD 口接收后，用于赛车的运动控制决策，同时内部发出 PWM 波，驱动直流电机对智能汽车 进行加速和减速控制，以及伺服舵 机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主 循迹行驶。
为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能汽车 电机输出轴 上安装光电编码器，采集 编码器转动时的脉冲信号，经 K60 捕获后定时进行数字 PID 闭环控制此外，还增加了 液晶键盘和拨码开关 作为输入输出设备，用于智能汽车的 速度和控制策略选择 系统总体结构方框图如图 1.1第一章 方案设计6智能车硬件电 路主控板电源单片机驱动传感器线性CCD测速模块姿态传感器软件机械图 1.1 系统总体结构方框图根据以上系统方案设计，赛车共包括六大模块： MK60DN512ZVLQ10 主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块各模块的作用如下：MK60DN512ZVLQ10 主控模块，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能汽车的控制线性 CCD，感知前方的赛道信息，为智能汽车的 主控模块做出决策提供必要的依据和充足的反应时间电源模块，为系统提供稳定的电源 供应电机驱动模块， 控制电机进行加减速 速度检测模块，检测智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制姿态传感器，主要用于智能汽车上坡时的判断 第一章 方案设计71.3 小结本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设、总体结构，以及简要地分析了系统各模块的作用。
在今后的章节中，将对整个系统的其他模块进行详细介绍第二章 智能汽车机械结构调整本章将主要介绍智能汽 B 型模型车的机械结构和调整 2.1 智能汽车车体机械 概述此次竞赛选用北京科宇通博科技有限公司生产的智能车竞赛专用模型车(B型模型车)，配套的电机为 540电机，伺服器为 S-D5智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案智能车的外形大致如下：图 2.1 智能汽车外形图其基本的参数如表 2.1： 表2.1 模型车基本参数尺尺寸寸轴轴距距200mm前前轮轮距距138mm后后轮轮距距140mm车车轮轮直直径径61mm主主减减传传动动比比36/105第二章 智能汽车机械结构调整与优化102.2 智能汽车前轮定位的调整模型车通过四条轮胎与地面接触，两个后轮同轴受到限位，无法调整，与模型车的前进方向保持平行，因此要改变模型车与地面的接触方式，调试出利于模型车转向、直线的四轮定位，只能通过调整前轮各定位参数来实现B 型模型车可以调整的前轮参数有主销后倾角、 主销内倾角、车轮前束，三个参数可以调整所谓主销内倾，是将主销（即转向轴线）的上端向内倾斜从汽车的前面看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即 主销内倾角。
主销内倾的作用是使车轮转向后能及时 自动回正和转向轻便图2.2所谓主销后倾，是将主销（即转向轴线）的上端略向后倾斜从汽车的侧面看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即主销后倾角主销后倾的作用是增加汽车直线行驶时的稳定性和在转向后使前轮自动回正第二章 智能汽车机械结构调整与优化11图2.3 从车辆的前方看，于两轮轴高度处测量左右两侧轮胎前端与后端的距离，前端距离与后端距离之间的差值就是前束值前端距离大于后端距离 就是负前束，反之为正前束相关的，有前束角，即从前方看 ，水平面上，左右两侧车轮向内倾斜的角度图 2.4 第二章 智能汽车机械结构调整与优化122.3 智能汽车部分结构安装及改造2.3.1 轮胎磨合本届比赛B车模采用橡胶材料轮胎一开始使用的时候会明显抓地力不足，进行多次的试跑后轮胎表现会有很好的提高2.3.2 重心高度调整重心高度明显影响智能车稳定性当重心高度偏高时，智能车在 告诉转弯过程中极有可能发生侧翻 本队重心高度的调节主要从以下 两方面着手： 一、车底盘高度调整：智能车的重心应该越低越好，降低地盘时实现重心下降的较为直接的方式但是由于赛道中 存在坡道，底盘太低会有可能不利于上坡。
二、车体构件高度调整：在智能车改装过程中，我们一直把重心作为考虑因素之一使重量的分布尽量靠近底盘此外更小体积的电路板可以恰好镶嵌在底盘其他构件的空隙之中 2.4 小结机械结构是智能小车的基础，其首先决定了小车的性能，特别是转向和加速性能，本章主要通过对转向机构的分析以及对汽车理论知识的学习和应用，找到了影响小车转向范围和效率的因素并进行了改进，使得小车的转向灵敏度得到提高 并且优化了传感器位置和电路板设计，使得小车结构看起来更加灵活紧凑第三章 智能汽车硬件电路设计3.1主控板设计3.1.1 电源管理模块电源分为开关电源和线性电源， 从稳压机理上说，开关电源是利用电感和电容作为储能元件来实现升压和降压的稳压电源，而线性电源是利用晶体管或场效应管变化的的动态电阻来调整管压降从而保持输出电压稳定的从电路形式上说，开关电源中通常有电感，而线性电源中不需要电感从功能上说，线性电源只能降压，输出电压一定低于输入电压，而且两者一般不会相差过于悬殊，而开关电源可以升压也可以降压，输入和输出电压之间可以有很大的压差从效果上看，开关电源效率较高，发热低，特别是在输入输出电压差较大的情况下，而线性电源的纹波较小，质量高于开关电源。
竞赛规则规定，比赛使用智能汽车竞赛统一配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd 供电，而单片机系统、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要 3.3V 电源，转向伺服电机工作电压范围为 4.5V 到 5.5V，摇头舵机和 直流电机可以使用 7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄电池直接供电，智能汽车 电源电路示例见图 3.1FB4VIN1ON/OFF5GND3TAB6OUT2U1LM2596S-3.3D11N5824D2 1N5824FB4VIN1ON/OFF5GND3TAB6OUT2U2LM2596S-5B+1B-2POWERPOWER_CONB+B-123S1SWITCH123S2SWITCHB+B+100uHL1B-470uFC1330uFC2100nFC510uHL3B-5.1KR3D6D41N5824330uFC3100nFC65.1KR4D55V5100KR1263KR133.3V3V3芯 片 电 源舵 机 电 源V_ENCODERAD_BATTERY 1uFC18100uHL2D71N5824330uFC4B-7V2V_STEERB-D8 SES5VD323-2B图 3.1 电源管理模块原理图3.3V电源模块用于为单片机系统、传感器模块等供电。
常用的电源有串联型线性稳压电源（ LM2940、TPS系列、7805等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575、AS1015等）两大类前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较 低，功耗大；后者功耗小，效率高 ，电流大，但电路却比较复杂，电路的纹波大对于单片机 和无线模块 ，需要提供 中功率稳定的3.3V 第三章 智能汽车硬件电路设计14电源，由于LM2596-3.3 的稳压的效率较高，所以选用 LM2596-3.3单独对其进行供电；而SD-5动作的时候会引入较大电源纹波 ，而LM2596-5，转换效率高，带载能力大，可以很好地对其供电 对于摇头舵机 3010，直接连接一个大电流二极管使用电源供电3.1.2 电机驱动模块常用的电机驱动有两种方式：一、采用集成电机驱动芯片；二、采用 N 沟道 MOSFET 和专用栅极驱动芯片设计市面上常见的集成 H 桥式电机驱动芯片中， 7960 是在比赛中非常常用的驱动芯片， 是半桥驱动，所以要实现正反转控制需要两片单片的驱动能力43A,7970 单片的驱动能力68A采用2 个半桥智能功率驱动芯片BTS7960B 组合成一个全桥驱动器，驱动直流电机转动。
BTS7960B 是应用于电机驱动的大 电流半桥集成芯片，它带有一个P 沟道的高边MOSFET、一个N 沟道的低边MOSFET 和一个驱动IC P 沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减少了电磁干扰 (EMI)集成的驱动IC 具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和超温、过压、欠压、过流、堵转及短路保护功能BTS7960B 的通态电阻典型值为16mΩ，驱动电流可达43 A，调节SR 引脚外接电阻的大小可以调节MOS 管导通和关断时间，具有防电磁干扰功能 IS 引脚是电流检测输出引脚INH 引脚为使能引脚，IN 引脚用于确定哪个MOSFET 导通当IN=1 且INH=1 时，高边MOSFET 导通，输出高电平；当IN=0 且INH=1 时，低边MOSFET 导通，输出低电平通过对下桥臂开关管进行频率为20 kHz 的PWM 信号控制BTS7960。