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1、 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技 术 报 告附录C基于红外反射式传感器的赛道检测方法的研究关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第一届“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：陈军 刘润 闫继杰 带队教师签名： 李慧 日 期：2006年8月10日目 录第一章 引 言11.1智能车整体设计思路11.2技术方案概要11.3技术报告内容2第二章
2、 智能车硬件部分安装和改造32.1 智能车机械部分安装及改造32.2 辅助电路板的设计安装32.3 最小系统电路板的固定及连接5第三章 智能车硬件电路设计73.1 电源电路设计73.2 直流电机驱动电路83.3 路面信息检测电路93.4 转向系统电路10第四章 软件设计114.1 HCS12 控制软件主要理论114.2 算法说明114.2.1路面信息检测114.2.2 传感器优先级的设定124.2.3智能车的转向角度控制124.2.4智能车速度的控制144.2.5 直道的限速144.2.6 交叉线的通过144.2.7 抗干扰措施154.3 代码设计介绍18第五章 智能车的调试195.1 软硬件
3、调试195.2 智能车的整体调试205.2.1 传感器及外围电路的调试205.2.2 舵机的调试过程205.2.3 直流电机的调试205.2.4 整体调试235.3 智能车的主要技术参数23第六章 结 论25参考文献28附录A 程序清单29附录B 硬件电路图45附录C 基于红外反射式传感器的赛道检测方法的研究47III第一章 引 言1.1智能车整体设计思路根据第一届飞思卡尔全国大学生智能车邀请赛的要求，要求参赛选手在车模平台基础上，设计一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上沿着轨道自主行驶，在稳定的前提下追求速度。借助大赛组委会提供的设备，以Freescale单片机MC9S12DG1
4、28B为控制核心，利用其内部的PWM（Pulse Width Modulation）模块输出PWM波【1】，通过H桥驱动芯片来驱动智能车。另外在智能车轨迹检测方面，在设计中使用反射式红外传感器对路面信息进行对称式分级采集，通过对传感器独特的设计与安装，使智能车不但善于直线的加速，在转向时也会有精彩的发挥。在行驶方向判断方面通过所设计的控制策略实现对左右转向的准确控制。在控制舵机转向方面，利用微控制器内部集成的ATD模块对传感器的输出信号进行模数转换，综合判断轨迹变化方向，对舵机转向进行实时控制。此外，由于能量损耗使电源电压存在一定的不确定性，对此，选取一路ATD通道，对电源电压实时检测，增强系
5、统的稳定性【5】。1.2技术方案概要智能汽车硬件总体框图如图1.1所示。设计了电源部分、驱动电机部分、检测电路部分以及转向电路等部分。图1.1 智能汽车硬件总体框图1电源部分图智能车的电源部分采用的是大赛提供的7.2V直流电源，给智能车的三个主要部分进行供电，第一部分就是智能车的驱动核心直流电机；第二部分就是智能车的转向核心舵机；最后一部分就是智能车的控制核心单片机。由于能量损耗使电源电压存在一定的不确定性。对此，选取一路A/D通道，对电源电压进行实时检测，确保小车速度的稳定性。2驱动电路部分在智能车的驱动电路部分，由于单片机内部可以进行PWM波的输出，通过利用PWM技术及辅助的驱动芯片对驱动
6、直流电动机进行驱动和制动【4】。3检测电路部分在智能车的检测电路部分，采用了7个功能相同的反射式红外传感器通过对白色跑道及黑线的不同来检测路面信息，使智能车沿着要求的轨迹行驶。4转向电路部分智能车转向电路主要采用了大赛给定的舵机，通过用单片机内部的PWM控制其实现智能车的转向。下文将对智能车的安装、改造过程，硬件电路板的设计及说明，软件控制的设计及说明方面，调试过程及对智能车的改造和创新将进行细致而充分的说明。1.3技术报告内容本技术报告共分六章。其中第一章引言是对全文的概括；第二、第三章主要介绍智能车硬件的安装、改造及设计；第四章针对智能车软件的设计以及算法做了明确的说明；第五章系统地讲述了
7、智能车调试的过程及主要技术参数；第六章为结论和改进思想。附录中包括程序清单，硬件电路图及研究论文。第二章 智能车硬件部分安装和改造整个智能车主要由车模、舵机、直流电机、最小系统电路板、辅助电路板、电池等组成。智能车的安装包括电池部分的安装、最小系统电路板的安装、舵机的安装以及辅助电路板的安装。2.1 智能车机械部分安装及改造电池固定安装在智能车自带的电池槽上，舵机的安装完全按照模型车说明书完成。最小系统电路板的安装主要是由车模上辅助的三个支架配合一些固定用的细铁丝来将其固定在电池的正上方。另外，在不违反大赛规则的前提下，为了使智能车的转向性能更强，针对智能车的前端转向部分做了一些有效的改善。在
8、调试过程中，由于智能车本身的机械构造方面的限制，智能车的最大转角不是很大，由于前轮连杆对前轮内圈的阻挡，在达到一定角度时，就无法再增大角度。为了增大智能车的最大转向角度，采取了用锉将智能车的内轮盘半径锉掉1毫米，使杠杆的移动范围增加，从而增加其最大转角。结果表明，小车比改造前的最大转向半径增加了1.2分米。在实验的过程中我们还发现，车体前端部分较重，尤其在转向的时候，智能车的前轮的减震装置下的黑色薄铁片容易刮到轮盘上，这样不仅影响智能车在转向时的速度，严重时甚至无法前进。针对这个问题，将车模减震装置上黄色垫片从下面移到上面，改造后，十分有效地解决了该弊端。另外在智能车各个轴轮和电机齿轮处添加了
9、润滑剂，用以提高智能车的速度和减少机械磨损。2.2 辅助电路板的设计安装 辅助电路板上主要集成了电源稳压电路、路面检测电路、电池电压检测电路、直流电机驱动电路及一些相关接口。路面检测电路部分由7个反射式红外传感器，7个电位器及一些电阻和电容等组成。为了使传感器探测得更远，将传感器布置在电路板的最前端，在中间用一个用于正舵的传感器，其它六个传感器分别对称放置在其两端用于智能车的转向和轨迹的纠错。相应的电位器、电阻、电容均布置在对应传感器的附近。传感器安装的时候考虑到小车车身和车长的限制、赛道的宽度、电路板的宽度以及传感器检测的有效范围，传感器的安装如图2.1所示。图2.1 辅助电路板平面图如图2
10、.1所示，中间传感器距离电路板最前端的距离为0.8cm，其它传感器均放在电路板的最前端，中间的传感器与其相邻的传感器之间的垂直距离为2.3cm，而其它传感器之间的距离为2.5cm。所有传感器距地面的高度均为1.2cm，传感器距前轮的距离最短为6.8cm而其它距智能车前轮的距离为7.3cm。电源稳压电路主要由稳压片L2940和两个电容组成。为了防止由于发热过于严重而烧坏或影响系统的正常工作，我们在稳压片上增加了一个散热片。电池电压检测电路比较简单，由电阻和电位器组成。布置在稳压片附近。直流电机驱动电路主要由驱动芯片MC33886组成。 MC33886在工作过程时会发热，为使该芯片能长时间工作，十
11、分有必要给MC33886附加一个散热片。53第二章 智能车硬件部分安装和改造但由于MC33886是贴片式封装，不能直接加散热片。我们采取了将MC33886底部朝上，用粗钢丝弯成两个连在一起的圆圈，并焊接到散热片上， MC33886被固定在两个小钢圈压和散热片之间， MC33886芯片底部的铜片直接与钢圈相接触，芯片的背面与散热片接触。这样，即能起到固定芯片的作用，还使芯片底部的铜片不仅与散热片相接触，还使铜片直接露在外面，大大地增加了散热范围，有效地解决了散热问题。在使用过程中， MC33886只有轻微发热，效果十分理想。整个辅助电路板( 整体电路板的规格为19.0cm*6.5cm)安装在小车
12、的最前端，用两个螺丝将其固定在智能车的前端。MC33886放置在电路板的右边，而稳压电路部分和电池电压采样电路部分放置在左边。在辅助电路板上靠近固定处，设置了一些插槽和接口，可以直接用线连接到单片机板上。各个电路部分对称布置，比较美观。为防止辅助电路板下垂，整个电路板的重心靠近固定点。另外还在智能车的前端安置了三个用细钢丝弯成的保护装置，既将细钢丝做成U字型，再将U字型的钢丝弯成一个向前倾的小角度固定在电路板的最前端，保护了安装在电路板最前端的传感器，形成类似真车的保险杠一样的防护部分，当小车碰到障碍物时，首先碰到的是智能车的“保险杠”， 起到在智能车脱离跑道之后保护智能车及防止传感器被撞坏的
13、作用。2.3 最小系统电路板的固定及连接本次小车的设计中，系统电路板采用大赛组委会提供的电路板，在车体上安装了三个固定支架，将系统电路板固定在电池的正上方，距电池约8.0cm 。对辅助电路板上需要连接到系统电路板的导线末端焊上了相应的插针，可以直接插在系统电路板的插槽上。第三章 智能车硬件电路设计3.1 电源电路设计按照大赛要求，采用大赛组委会提供的电池。电池不仅提供智能车的前进动力，而且智能车所用到的所有芯片均由电池供电。因此，电源系统对小车的整体性能起着十分重要的作用。单片机和传感器的工作电压为+5V，而电池电压最高时将近8V。因此，为保证单片机工作的稳定型和可靠性，电源电路设计十分关键，
14、尤其是稳压芯片的选择。在此次设计中，最先选用了常用的7805，但发现，当电池电压下降到7.0V时，单片机工作就不稳定，其主要原因就是7805的管压降较大，达1.2V。因此，选择了管压降较小的LM2904，其电路图如图3.1所示，经过测试，发现其管压降在0.3V左右，大大延长了电池的工作时间。同时，为了使芯片稳定工作，减少传感器输出信号的毛刺，消除干扰，在稳压片的输入端和输出端均并联了一个电容。在调试过程中，随着电池的使用和智能车行驶的过程中，电池不断的耗电，电压逐渐下降，小车的整体速度和性能都会下降。因此，设计了一个电池电压采样电路，电路如图3.2。以7.5V电压为基准，当电池电压大于或小于基
15、准值时，通过频繁采样电池电压采样点的电压，得到一个偏差值，将该偏差值实时地补偿到输入到电机PWM的占空比上，缓解电机两端的电压有效值的下降，从而减少小车因电池电压下降导致速度下降的影响，使智能车的速度更加稳定。实践证明，该方法在小车的调试阶段十分有效。 图3.1 电源电路图图3.2 电池电压采样电路3.2 直流电机驱动电路直流电机的转速控制采用PWM控制。由于单片机输出的脉宽无法驱动大赛提供的直流电机，因此需要通过驱动电路才能驱动电机，设计中采用大赛组委会提供的MC33886芯片10。该H桥驱动电路如图3.3所示。图3.3 H桥驱动电路图其中D1、D2是MC33886的使能端，IN1、IN2为输入端，OUT1、OUT2为其输出端。将MC33886的输入端接到单片机的PWM输出口，在其输出端可以得到与单片机PWM输出口相应的并可以驱动直流电机
