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1、摘 要飞思卡尔智能车大赛是面向全国大学生举办的应用型比赛，旨在培养创新精神、协作精神，提高工程实践能力的科技活动。大赛主要是要求小车自主循迹并在最短时间内走完整个赛道。针对小车所安装传感器的不同，大赛分为光电组、电磁组和摄像头组。本文介绍了本院自动化系第一届大学生智能汽车竟赛的智能车系统。包括总体方案设计、机械结构设计、硬件电路设计、软件设计以及系统的调试与分析。机械结构设计部分主要介绍了对车模的改进，以及舵机随动系统的机械结构。硬件电路设计部分主要介绍了智能车系统的硬件电路设计，包括原理图和PCB设计智能车系统的软、硬件结构及其开发流程。该智能车车模采用学校统一提供的飞思卡尔车模，系统以ST
2、M32F103C8T6作为整个系统信息处理和控制命令的核心，使用激光传感器检测道路信息使小车实现自主循迹的功能 关键字：飞思卡尔智能车 STM32F103C8T6 激光传感器 第一章 概述1.1专业课程设计题目基于嵌入式STM32的飞思卡尔智能车设计1.2专业课程设计的目的与内容1.2.1目的让学生运用所学的计算机、传感器、电子电路、自动控制等知识，在老师的指导下，结合飞思卡尔智能车的设计独立地开展自动化专业的综合设计与实验，锻炼学生对实际问题的分析和解决能力，提高工程意识，为以后的毕业设计和今后从事相关工作打下一定的基础。1.2.2内容本次智能车大赛分为光电组和创新做，我们选择光电组小车完成
3、循迹功能。该智能车车模采用学校统一提供的飞思卡尔车模，系统以STM32F103C8T6作为整个系统信息处理和控制命令的核心，我们对系统进行了创造性的优化：其一，硬件上采用激光传感器的方案，软件上采用keil开发环境进行调试、算法、弯道预判。其二，传感器可以随动跟线，提高了检测范围。其三，独立设计了控制电路板，充分利用STM32单片机现有模块进行编程，同时拨码开关、状态指示灯等方便了算法调试。1.3方案的研讨与制定1.3.1传感器选择方案方案一：选用红外管作为赛道信息采集传感器。由于识别赛道主要是识别黑白两种不同的颜色，而红外对管恰好就能实现区分黑白的功能，当红外光照在白色KT板上时，由于赛道的
4、漫反射作用，使得一部分红外光能反射回来，让接收管接的输出引脚的电压发生变化，通过采集这个电压的变化情况来区分红外光点的位置情况，以达到区分赛道与底板的作用。红外管的优点在于价格便宜，耐用；缺点却用很多：1、红外光线在自然环境中，无论是室内还是室外均比较常见，就使得其抗干扰能力不强，容易受环境变化的影响。2、调试不方面，由于红外光是不可见光，调试的时候需要采用比较麻烦的方法来判断光电的位置。3、由于红外管光线的直线性不好，就使得红外传感器所能准确的判断的最远距离比较小，也就是通常所说的前瞻不够远。方案二：选用激光作为路径识别传感器。激光传感器的工作原理和红外传感器的工作原理基本相同，也是利用光线
5、在赛道上发生漫反射后接收反射回来的光线来识别赛道的。激光传感器用很多优点：1、激光光束的直线性十分好，发射出去的光线发生散射的程度可以忽略；2、经过调制后的激光受环境其他光线干扰的程度也十分低。3、激光传感器可以让赛车的前瞻达到80CM到100CM左右，为赛车的高速运时所需的准确及时的赛道信息提供了保障。不过激光也用缺点：容易衰减。最终选择的方案：激光传感器相对于红外传感器有很明显的优势：1、抗干扰能力强；2、前瞻远；3、调试效果直观。而在赛车需要的高速的情况下，看得足够远和准确显得尤为重要，在这样的要求下，激光传感器较于红外传感器有十分明显的优势，所以最终我们选择的是拥有绝对优势的激光传感器
6、作为路径识别传感器。1.3.2传感器安装方式方案一：传感器角度和高度不可变化的固定式。方案二：传感器可以活动的可动式。传感器可动式主要是依靠舵机带动而活动，也就是最近这两届比赛中开始出现的“摇头”（又称“摆头”）式。通过控制相应的舵机达到控制传感器角度的效果，调节传感器的角度可以让传感器发出的光线始终落在赛道上你想要的位置，这样大大地增加了对赛道信息的准确性和及时性，为赛车速度的提升有很大的帮助，在第六届的竞赛中，我们就能体会到摇头光电车的速度较以往的光电车有了很大的提高。最终确定的方案：经过各方面的考虑，最终选择单摇头作为传感器的固定方式。安装图如图1-1： 图1-1 传感器安装图1.4 项
7、目功能模块化设计（1）MC9S12XS128主控模块:作为整个智能汽车的“大脑”，将采集光电传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机完成对智能汽车的控制。（2）激光传感器模块:是智能汽车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知预测前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。（3）电源模块:为整个系统提供合适而又稳定的电源。（4）电机驱动模块:驱动直流电机完成智能汽车的加减速控制和转向控制。（5）舵机控制：一方面，控制传感器检测道路弯道，控制传感器的转向。另一方面，控制小车的整体的转向。第二章 项目硬件方案2.1 系统方框图STM32F103C8T6
8、最小系统电机驱动模块激光传感器电源模块舵机控制图2-1智能车整体框图整个智能车系统包括：激光传感器、舵机转向控制、电机驱动控制、电源供电模块和STM32F103C8T6。详细如下：（1）激光传感器：该智能车通过激光传感器对道路信息进行采集。原理：当激光照射到黑线时，黑线将大部分光吸收掉，激光不能反射回来。当激光照射到白色赛道时，由于漫反射作用接收管能够将激光接收回来。由此来对道路信息采集与处理。（2）舵机控制：本车采用摇头舵机和转向舵机相互协调的方式控制车模在不同的弯道给出合适的转角。摇头舵机作用是追寻赛道，转向舵机根据所采集到的信息给出不同的打角。（3）电机驱动控制：想要智能车以最快的速度跑
9、完全程则必须对电机有很好的控制策略。我们的控制策略是：直道时以最快速度行驶，入弯时减速，出弯加速。这样小车以最快的速度顺利的跑完全程。（4）电源模块：电源智能车工作的必要前提，它为各个电路模块提供稳定电源，保证各模块正常工作，这也是智能车设计需要考虑的一个很关键的问题。（5）MC9S12XS128最小系统：这部分是整车的核心。它主要实现对采集的道路信息进行分析与处理，给舵机和电机不同的占空比来控制小车的转向和加速减速。2.2 系统器件选型小车的车模、电机、舵机及电池均由学校统一提供，而单片机和传感器则经过讨论，我们选用了STM32F103C8T6和激光传感器。2.1.1车膜整体结构图 2-2
10、车模实物图硬件资源：（1）1个HL-380H车模的基本支架；（2）1个RS380高速电机；（3）1个MG995舵机；（4）1个配套电机齿轮；（5）1套螺丝包；（6）轴承若干。2.2.2 转向舵机的安装H型前支架配置（适合4.5MM板子）序号名称数量备注1前支架H型1大小部件共12个2杯式轴承4*11*423双通铜柱M3*1624双通铜柱M3*2045双通铜柱M4*3026螺丝M3*812+17螺丝M3*121+18螺丝M4*126+19螺丝M4*252+110螺帽M4*12普通4+111螺帽M4自锁2+112螺帽M3自锁1+113舵机MG99511465mm车轮2表 2-12.2.3 车轮及底
11、盘调整540后支架配置序号名称数量备注1540后支架1共4个部件2540电机1检查螺丝是否上在电机上33.17齿轮 11T145*120mm光轴1检查轴承和光轴是否有配套55*11*4杯式轴承265.1mm锁紧扣375mm_72齿轮2检查齿轮有没有坏齿8齿轮插销1+195mm联轴器210机米M3*34+111机米M3*62+1短销的1+1 长销的是2+1123mm机米扳手113M3*25双通铜柱214M3*30双通铜柱215M3*12螺丝2+116M3*8螺丝8+117M4*6螺丝2+1固定轮子在联轴器1865mm橡胶轮2表 2-22.2.4 RS540电机图2-3 电机实物图电压转数（转/分
12、）电流3V84001.30A4.5V124001.47A6V165001.60A7.5V208001.70A表 2-32.2.5 电池电源图 2-4电池实物图主要参数：电池厚：15MM 宽：35MM 长：67MM电池重：70G持续放电电流：20C瞬间放电电流：40C放电终止电压：单体208V2.2.6 单片机单片机是系统设计的核心，根据设计要求，本设计采用STM32F103C8T6单片机作为控制器，选择购买单片机最小系统，此系统稳定且非常可靠，所有引脚均引出，能满足设计要求，具体实物如图2-3所示:图2-3 STM32F103C8T6实物图2.2.7 激光传感器针对激光传感器的优点我们选用了1
13、2个激光头，对应6个接收管。实物图如图2-4：图2-4 激光传感器实物图2.3 系统整体原理图2.3.1 整体原理综述整个小车系统由单片机最小系统、电机驱动电路、传感器电路、电源供电电路以及单片机的下载在口构成，总的主控制电路图如下图2-5：图2-5主控制电路图2.3.2 各模块原理综述1单片机最小系统单片机最小系统的三要素是：电源、晶振、复位电路构成。如图2-6为单片机最小系统电路图：图2-6 单片机最小系统（1）微控制器，STM32F103C8T6微控制单元作为STM32系列的32位单片机，由标准片上外围设备组成，包括32位中央处理器、64KB的Flash存储器、20KB的RAM、两个12
14、位ADC，三个通用16位定时器加一个PWM定时器，以及标准和先进的通讯接口：上两I2CS和SPI接口，三个串行外设接口，一个USB和CAN，组8通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8通道10路模数转换器、一组8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29 路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口、1个增强型CAN总线接口，同时，单片机内集成了锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。（2）电源是系统正常工作的保障，关系着小车是否能正常运行。比赛使用的是统一提供的7.2V，2000MA NI-CD电池供电。而单片机和传感器需要的是3.3V和5V电源，舵机需要7.2V电源，因此我们需要稳压芯片降低电压以提供各个模块使用。我们常用的集成三端稳压芯片有两种：线性稳压芯片和开关型稳压芯片。线性稳压芯片的特点是反应速度很快、输出纹波小、发热量大、效率低，而开关型稳压型片则功耗小、效率高，单输出纹波大，电路复杂。经过大量的选型和测试后，我们选择了LM1117和7805。LM1117为低压差线性调节稳压器件，最大输出电流800MA，经过LM1117稳压后，输出3.3V和5V，对单片机和传感器等供电。7805为三端稳压器件，经过7805稳压后，
