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1、 . . . 第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技 术 报 告学 校： 科技学院队伍名称： 安科光电二队参赛队员： 带队教师： 徐朝胜 曾丽梅目录第一章引言111.1大赛背景和概况111.2智能车应用前景12第二章赛车整体设计思路132.1系统设计要求、目标132.2系统总体方案的选定132.3系统硬件结构142.4系统软件结构15第三 智能车机械结构调整与优化173.1智能车整体建模173.2车模机械改装183.2.1前轮定位183.2.2舵机安置223.2.3底盘离地间隙233.3传感器的原理、选择与安装233.3.1传感器的选择 .233.3.2激光传感器的原理.243.3.3
2、激光传感器的设计243.3.4传感器的安装263.3.3激光传感器的调试方法27第四章系统硬件电路334.1核心电路板的组成334.2电机驱动电路模块34第五章系统软件设计355.1软件整体设计365.2舵机转向控制和速度控制的PID算法365.3起始线的识别38第六章赛车调试406.1软件调试平台CodeWarrior406.2 CodeWarrior IDE基本使用方法41第七章模型车的主要技术参数45第八章结论46参考文献47第一章 引言1.1大赛背景和概况教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在己举办全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大专业竞赛的基础上，经研究
3、决定，委托高等学校自动化专业教学指导分委会主办自2006年每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。高等学校自动专业教学指导分委会决定飞思卡尔半导体公司为协办单位，赛事冠名为“飞思卡尔”杯。竞赛要求参赛者在提供的模型车体与主微控制器芯片基础上设计制作具有自主道路识别能力并满足比赛规则的智能汽车，在赛道上以最快速度完成赛程者为优胜。作为全球最大的汽车电子半导体供应商，飞思卡尔一直致力于为汽车电子系统提供全围应用的单片机、模拟器件和传感器等器件产品和解决方案。飞思卡尔是排名第一的汽车电子半导体供应商，其中在8位、16位与32位汽车微控制器的市场占有率居于全球第一，超过40%的新车都使用了飞思卡尔的技术。智
4、能车比赛源自国，并且已成功举办了四届，其比赛的技术水平和成绩已达到了相当的高度，已引起现代、宝马等跨国企业的注意。在国成功举办多次的基础上，在我国开始尝试举办该赛事，全国大学生智能汽车竞赛暨第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛已于2006年8月2021日在清华大学圆满结束，来自全国57所高校的112支队伍参加了比赛，引起了各方的广泛关注，并且已经具备了较高的技术水平，清华大学2队、交大速度之星队与清华大学1队分列成绩前三名。与以往的专业竞赛不同，智能车大赛是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新比赛，已经成为各高校展
5、示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛于2010年7月中旬举行分区比赛，8月中旬举行全国总决赛。竞赛容包括：以飞思卡尔HCS12单片机为核心控制模块，以CCD、光电或电磁检测元件检测赛道引导线，引导改装后的模型汽车以最快的速度按照大赛组委会所设定的赛道行进，以赛车在最短时间跑完全程的队为优胜队。该竞赛是涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的科技创意性比赛，极具挑战性与竞争性。 该比赛已经列入教育部主办的全国大学生五大竞赛之一。1.2智能车应用前景智能小车采用飞思卡尔公司的MC9S
6、12XS128MAA作为主控芯片，配合有传感器、电机、舵机、电池以与相应的驱动电路，再加上信息处理和控制算法，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。智能车要实现在城市繁忙道路上完全无人驾驶，尚有很多研究工作要做。但是通过这辆车来研究一些关键技术，并且把它们应用到实际工程中去，还是可行的。譬如在汽车定位、导航中的应用；又如多种传感器信息处理，如果将二维图像与激光雷达的信息融合起来，可以得到更确切的道路或环境的信息；传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航，辅助人们把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚的汽车安全辅助驾驶；在仓库、码头、工
7、厂、机关、营房、住宅区或者危险、有毒、有害的工作环境里，自动驾驶或遥控驾驶技术有着广泛的应用前景，如无人值守的巡逻监视、设备的维护修理、物料的运输、消防灭火等等。第二章 赛车整体设计思路2.1系统设计要求、目标智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，由大赛组委会统一提供。通过设计基于Freescale 公司开发的MC9S12DJ256单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。自动控制器是以单片机MC9S12DJ256为核心，配合有传感器，舵机，电机，电池与相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。智能车竞赛要求参赛队伍设计一辆以组委会提
8、供的车模为主体的可以在赛道上自主寻线的模型车，比赛成绩为单圈最好成绩。设计自动控制器是制作智能车的核心环节。可靠性是取得成绩的有力保障。在提高车速的同时保证智能车的稳定性。同时尽量简化电路设计，提高灵活性。2.2系统总体方案的选定通过学习竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到，路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。而目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传感器和CCD/CMOS 传感器。光电传感器寻迹方案的优点是传感器信号处理速度快，能够有更多的总线资源进行复杂算法的运行，但是突破前瞻的
9、束缚是决定速度的关键所在；CCD 摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理却比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行处理和识别，加快处理速度与对赛道反光问题的处理是摄像头方案的难点。在比较了两种传感器优劣之后，考虑到我校前三届强大的技术积累，决定选用应用光电传感器，相信通过选用成熟的大前瞻光电传感器，加之先进的程序控制算法和较快的信息处理速度，光电传感器还是可以达到极好的控制效果的。该车的设计目标是快速、稳定、准确，其指导思想有以下四点：一是要有尽可能大的前瞻性，以使智能车有更大的提速空间。因为最终目的是竞速，所以速度是第一位,而要想提高赛车速度，需要尽可能远地采集到路况
10、信息，即增大前瞻量，这样才能提前进行判断，做出转向、加速或减速等动作。二是要有尽可能快的响应。因为要想提高赛车速度就必须使舵机的响应足够快，而舵机响应的滞后性是制极限约速度的最重要的因素，除了软件上使用PD控制，即引入微分控制来提高舵机的动态性能外，硬件上的舵机安装方法也严重影响舵机的响应速度。三是要有很好的环境适应性。环境适应性不止是要有合理的控制算法来适应不同的路况，在硬件的设计上也要考虑到系统的适应性，尤其是对于环境光线的适应性，这对于不管是基于光电的还是基于摄像头的智能车都很重要，因为阈值的大小严重影响到路径的识别。四是要有足够的稳定性，一个设计良好的控制系统必须要有很高的稳定性才能正
11、常工作。稳定性包括软件设计上的控制的稳定性和硬件结构上的稳定性，两者都是必不可少的。2.3系统硬件结构按照预计的设计，我们设计出了系统结构图。我们力求在最简的硬件系统上实现我们所要的效果，使得系统更高效。在组委会提供的车模基础上，通过MC9S12DJ256采样视频信号，获得图像数据。然后根据图像数据，提取目标指引线。图像采集模块主要有光电传感器、S12的放大电路组成。舵机模块主要控制智能车的转角。驱动模块用于提供赛车的驱动，主要由PMOS和NMOS与其电路组成。速度传感器模块由小型光电编码器和ECT脉冲捕捉功能构成。提供速度闭环控制。硬件系统结构如图2.1所示。S12舵机电机光电编码器驱动电路
12、激光传感器图2.1硬件系统结构2.4系统软件结构有了系统硬件结构以后，通过软件算法小车就可以跑起来了。系统的基本软件流程为：首先，对各功能模块和控制参数进行初始化。然后，通过图像采集模块获取前方赛道的图像数据，然后S12利用边缘检测方法从图像数据中提取赛道黑线，求得赛车与黑线位置的偏差，接着采用PID对舵机进行反馈控制。同时通过速度传感器模块获取当前赛车的速度。根据检测到的速度，结合速度控制策略，对赛车速度不断进行适当调整，使赛车在符合比赛规则的前提下，沿赛道快速行驶。系统的基本软件结构如图2.2所示。开始采集传感器信号各模块初始化信号处理提取速度舵机控制提取黑线控制速度第三章 智能车机械结构
13、调整与优化31智能车整体建模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。此次竞赛选用的智能车竞赛专用车模。智能车的控制采用的是四轮驱动，前轮转向方案。智能车的外形大致如下：3.2 车模机械改装3.2.1 前轮定位前轮定位主要包括主销后倾角、主销倾角、前轮外倾角和前轮前束。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮主销后倾角（Cas
14、ter）上球头或支柱顶端与下球头的连线，向前或后倾斜的角度，称为“主销后倾角”。向前倾称为负主销后倾角，向后倾斜称为正主销后倾角。后倾角越大，车速愈高时，车轮偏转后自动回正力越强，但回正力矩过大，将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆震，并使转向沉重。我们为了使模型车转向灵活，而加速时前轮不摆震，确保前轮直行的稳定性，将主销后倾角2-3。主销后倾角 主销前倾角图3.1前轮主销倾角（SAL）（如图3.2） 主销倾角图3.2主销倾角的作用是转向时，车轮因被抬起一个高度，在重力作用下转向轮以将回复到中间直线行驶的位置，从而起到自动回正的作用，同时因力臂缩短使转向操作轻便。当转向轴线向车辆中心线倾斜并且车轮处在直使位置时，转向节的高度距离底盘更近。当完成转向，转向盘回正时，车辆在重力作用下有降低到最低处的趋势。因此，转向轴销倾角有助于将车轮在转向后回到直驶位置。力矩致生偏向是指在前轮驱动车辆急加速时左右驱动轴左右长度不相等引起的驶向侧面的趋势。冲击转向是指在悬架上跳回弹时前束或外倾角不相等，这使车轮突然转向一侧。主销倾角不宜过大，否则在转向过程中轮胎与地面间将产生较大的滑动。通常主销倾角不大于8度，通过改变横臂螺杆的长度来改变主销倾角，调整围08度之间为宜。利用试验法确定即可。本组将主销倾角调节为5 左右。减小了赛道面作用于前轮的阻力矩，使舵机转向更加轻便，同时车轮自动回正
