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1、第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校： 广东技术师范学院队伍名称： 星磁号参赛队员： 陈晓波 陆永东 张华灵带队教师： 肖蕾 祁伟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六届“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： 目 录目 录III第一章 引言11.1 概述1
2、1.2 基本原理2第二章 智能车总体设计22.1电磁车体系结构设计22.2系统硬件结构设计32.3系统整体程序流程图3第三章 硬件设计53.1硬件系统总体方案53.2硬件电路设计5第四章 智能车机械结构设计114.1舵机的安装114.2测速编码器的安装114.3底盘调整124.4前轮定位134.5齿轮传动的调整144.6传感器的安装14第五章 软件设计155.1程序整体设计155.2电磁传感器的路径识别155.3起跑线检测175.4舵机控制185.5电机速度控制20第六章 开发工具、制作、安装、调试过程说明216.1 开发工具216.2 调试过程21第七章 赛车主要技术参数23第八章 总结24
3、鸣谢25参考文献26IV第一章 引言1.1 概述“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，是由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的科技竞赛。该竞赛以“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。该竞赛主要由飞思卡尔半导体公司赞助，由清华大学协办，从2006年开始，每年举办一届，目前已成功举办了四届。第三届、第四届连续两届被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目之一。第五届飞思卡尔杯智能汽车大赛
4、首次加入了基于电磁传感器的寻线智能车，在地面铺设通有交变电流的引导线，在引导线周围激起交变的磁场，从而通过检测此磁场引导车辆行驶。使用电磁场作为引导智能车的优点，主要体现在磁场信号具有很好的环境适应性，不受光线、温度、湿度等环境因素的影响。由于电磁场是矢量场，具有方向行，对于不同的传感器和传感器的不同摆放方式，探测到的电磁场也是有所不同的。1.2 基本原理本文主要介绍了我队队员在第六届Freescale智能汽车大赛过程中的工作成果。本智能车系统设计以MC9S12XS128处理器为核心，通过电感采集赛道数据，用以检测智能车的运动位置和运动方向，采用光电编码器检测速度，PID控制算法调节电机的速度
5、和舵机的方向，完成对智能车的基本控制。根据功能不同，电磁车体系结构大致包括传感器、控制、执行机构、人机接口和电源五大部分。1.传感器部分负责感知外部世界的环境信息和车模自身的状态信息，为小车完成赛道的检测与跟踪以及实现小车的运动控制提供所需的信息。2.控制部分分析传感器数据，提取赛道信息，运行控制算法，向执行机构发出动作信号，控制赛车沿赛道行驶。控制部分主体是单片机MC9S12XS128。3.执行机构负责执行动作信号，实现车的前进、变速和转向。执行机构包括电机驱动、电机和舵机。4.电源部分负责向各部分提供合适的电源，包括电池和稳压模块。1第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第二章 智能车总体
6、设计2.1电磁车体系结构设计根据需求分析，经过仔细研究，决定采用模块化设计。智能汽车的硬件系统由核心控制模块(MCU)、传感器模块、电源管理模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、无线通讯模块和信号采集模块组成系统结构框图如图2.1所示：MC9S12XS128控制部分起始线检测编码器电池7.2V稳压模块拨码开关无线串口LED电源部分驱动电路舵机电机5V传感器图2.1系统结构框图2.2系统硬件结构设计智能车硬件模块主要由MC9S12XS128核心模块、电源模块、信号采集模块，伺服电机、直流电机驱动模块，速度采集模块组成。MC9S12XS128单片机是智能车的核心，负责赛道信息的接收、滤波、处理数据和调
7、用控制算法，最终输出伺服电机和直流电机的控制信号。电源模块主要有5V电压供单片机和信号等使用，7.2V电源供电机和舵机使用。信号采集模块由普通电感做成的传感器和片内AD组成。直流电机驱动模块由四片BTS7960组成正传和反转驱动电机，由于今年的电机比较大，之前采用2片BTS7960驱动芯片驱动电机，发现驱动能力不够，所以采用了四片。我们也尝试使用MOS管进行驱动，驱动能力很强，但是调速范围很窄，不利于智能车的控制。速度采集模块由一个光电编码器组成。考虑到使用光电对管的精度不足，所以就不予采用。2.3系统整体程序流程图软件运行需要配置单片机各个模块寄存器数值，使单片机各个模块正常工作。初始化中包
8、括：单片机时钟配置、I/O口配置、PWM模块配置、A/D模块配置、RTI实时中断配置、脉冲捕捉模块配置。当初始化完毕后，开始对传感器输入信号进行采样，当完成一次采样后将采样值输入控制算法，控制算法经过运算得到应该偏转的角度和速度，通过改变PWM模块内部寄存器数值可以得到不同占空比的方波信号，实现对舵机和电机的调节。否是开始赛道信息检测数据处理舵机转角计算和速度计算各个模块初始化 延时2s是否到？读取赛道信息和编码器脉冲数控制舵机和电机停车停车中断申请图2.2系统软件流程图25第三章 硬件设计要实现电磁车的功能，必须首先构建硬件平台。在导线中通以20KHz的交变电流，需要通过传感器检测周围的磁场
9、来确定导线相对小车的位置。特别是对MC9S12XS128单片机对静电敏感，小车在磁场上奔跑很容易由于静电问题而导致小车冲出赛道。3.1硬件系统总体方案我们的硬件设计思路是通过自绕电感感应载流导线周围磁场的电压，并送入 MC9S12XS128单片机内部进行AD转换，以获取赛道信息，采用一定的算法控制舵机，使智能车沿着赛道底下的导线行驶。在保证信号检测质量的基础上，尽可能精简电路，提高系统的可靠性以及整车的机械特性。3.2硬件电路设计智能车硬件控制系统主要由MC9S12XS128为核心的最小系统模块、电源模块、信号采集模块，伺服电机、直流电机驱动模块，速度采集模块组成。为了使小车身减轻，我们把MC
10、9S12XS128为核心的最小系统模块、电源模块、信号采集模块集成在一块PCB板上，为了防止驱动模块的共模干扰，我们把驱动电路独立开来做在另外一块板上。3.2.1最小系统模块秉着够用、轻小的原则，我们的单片机最小系统采用MC9S12XS128，80引脚封装。对于单片机引脚的使用，我们用到了六路A/D转换接口、两路PWM接口、一路计数器接口、十五路普通IO接口。最小系统我们采用一块单独打板的一小块集成电路，和主板独立开，方便单片机出问题更换。图3.1单片机最小系统3.2.2电机驱动电路模块驱动芯片BTS7960具有抗电子干扰能力强，它发热不是很大，但是由于今年B车模的电机比较大，刚开始我们利用两
11、片BTS7960构成全桥式驱动器。但是驱动能力还是不够强，我们尝试使用MOS管进行驱动，驱动能力很强，但是调速范围很窄，存在死区，不利于智能车的控制。后来我们使用四片BTS7960搭建驱动电路，驱动能力比两片的BTS7960效果要好。电机驱动电路主要由以下部件组成：PWM信号输入接口、7.2V电源输入接口、驱动电流输出接口、四片BTS7960芯片等。这个驱动电路模块小，减轻了电路板的重量。BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，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, 因而减小了EMI。集成的驱动IC具有逻
12、辑电平输电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路的功能。BTS7960通态电阻典型值为16m，驱动电流可达43A。图3.2为BTS7960各管脚连接：图3.2为BTS7960各管脚连接3.2.3信号采集模块电磁智能车要求沿着通有20KHz的交流导线行驶，根据麦克斯韦电磁场理论可知，导线周围充满了交变的磁场，我们可以通过检测磁场的强度和方向，来获取赛道信息。测量磁场的方法有很多，我们选择了原理简单、频率响应快、价格便宜的工字型电感线圈。由于导线周围的空间充满了交变的电磁场，我们可以在这个电磁场里放置一个电感线圈，电磁感应就会在线圈中产生交变的电流。当导线的电流按一定规律变化
13、时，导线周围的磁场也随之发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈中将感应出一定的电动势，电动势的大小可近似为： 公式1式中，r为线圈到中心导线的距离，k为常量。由上式子可知，在导线位置和导线中的电流固定的条件下，线圈中感应电动势是空间位置函数。因此我们就可以用电感线圈来作为电磁车的“眼睛”。图3.3线圈感应电动势与导线导线水平位置由线圈直接感应出来的电动势是非常小的，因此，我们采用了谐振放大，在线圈两端并联一个电容，然后经过放大电路，再整流滤波后，最后给单片机的A/D口进行模数转。信号采集电路如下所示图3.4 信号采集电路3.2.4电源电路模块对于舵机、驱动电路，我们直接采用7.2V电池供电，但
14、是对于单片机需要5V电压才能正常工作，为此，必须把7.2V的电压转换成5V的稳定电压供给单片机使用。电源总体框架如图3.2所示。电池5V5V5V5V7V7V舵机编码器单片机传感器电机驱动电路图3.5电源总体框架对5V稳压芯片的选择，我们采用了LM2940稳压芯片。它具有过流、过压、电压反接保护。使用这个芯片，只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路，而且输出的电压波纹很小。与及7805稳压器件相比，LM2940具有更低的工作压降和更小的静态工作电流，可以使电池获得相对更长的使用时间。7805容易受热烧坏，LM2940的耐热性比7805要好。 图3.6电源稳压电路3.2.5传感器设计采用线圈作为传感器有很强的适应能力，能够满足电磁场检测的要求，并且容易实现，比较适合检测变化的电磁场。在实验的初期，测试过磁阻以及磁敏三极管，对于本电磁场信号（20KHz，100mA）响应较差，几乎无法感受到电磁场信号，输出非常微弱甚至没有输出。在采用线圈作
