飞思卡尔智能车技术报告.docx
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第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告
目录
第一章引言
1.1方案介绍
第二章赛车系统结构框图
第三章智能车机械结构调整与设计
3.1底盘的改造
3.2底盘减震的改装
3.3舵机的安装
3.4车轮定位角度的确定
3.5.1主销后倾角
3.5.2主销内倾角
3.5.3前轮外倾角
3.5.4前轮前束
第四章智能车电路设计说明
4.1MC9S12XS128单片机最小系统
4.2传感器电路
4.3电源管理电路
4.4电机驱动电路设计
4.5速度检测模块
第五章光电传感器的选择和设计排布
第六章智能车软件控制设计
6.1控制流程图
6.2控制原理
6.3PID控制及其参数整定
第七章开发工具和调试过程
第八章模型车主要参数说明
第九章总结
9.1设计特色
9.2存在的不足
9.3可改进的方法
第十章参考文献
第一章引言
1.1方案介绍
系统硬件设计可以说是整个智能车设计的基础和重中之重。
正确的硬件设计方向与思路，是系统稳定可靠的基础，功能强大的硬件系统，更为软件系统的发挥提供了强大的平台。
、
1、整车低重心设计。
通过以往几届比赛的经验我们看到，往往重心低，体积小巧，布局紧凑的赛车更能取得好的成绩。
、于是，我们通过合理布局电路板和各种传感器，尽可能地降低整车重心。
在不影响传感器前瞻，或者不过度牺牲传感器性能的情况下，尽量降低光电传感器的高度，以提高赛车的侧翻极限。
2、整车电路集成化，一体化设计。
集成化的设计思路的好处是原件密度高，系统可以小型化一体化，通过综合考虑各方面因素，在确定了系统最终硬件方案不做大的更改的情况下，在确保了系统可靠性的前提下，最终选择了一体化，集成化的硬件设计思路。
使车体硬件电路布局紧凑，稳定可靠。
3、大前瞻，高分辨率方案。
在光电传感器的安装不影响赛车行驶的前提下，尽可能的提高传感器前瞻，更大的前瞻，能为赛车提供更多的信息，更能让赛车提前作出决策。
以此目标为核心，我们的软件包括了一下几个子模块：
1系统初始化与硬件接口
2起始线判别
3路径识别
4控制算法
第二章赛车系统结构框图
根据激光传感器方案设计，赛车共包括五大模块：
激光传感器模块、控制处理芯片9S12XS128，舵机驱动模块，电机驱动模块、速度传感器。
2.1底盘的改造
降低底盘可以降低重心，在高速转弯时防止侧翻。
在上坡时底盘不刮到赛道的前提下尽可能的降低重心。
同时在车前加装防撞板对车模起到保护作用。
2.2底盘减震的改装
车模原装的减震器，在高速行驶时会大大增加车模的晃动，尤其对于定前瞻的激光检测车来说会有很多不利的影响。
为此，我们将减震以及其固定件等去掉而改用刚性固连，大大简化了车模的前后结构，为其他装置的安装剩下了很多空间，大大降低了车身重量。
2.3舵机的安装
采用的舵机中置的安装方法。
这样可以使两侧摆臂等长，更容易在程序上实现转弯的左右对称。
2.5车轮定位角度的确定
车模的前轮定位参数主要包括：
主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。
这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系。
2.5.1主销后倾角
主销后倾角是指主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角主销后倾的作用是在车轮偏转后会产生一回正力矩，矫正车轮的偏转。
通常后倾角值应设定在10--30。
3.5.2主销内倾角
主销内倾角是指主销在汽车的横向平面内向倾斜一个角度，即主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角。
主销内倾角也有使车轮自动回正的作用。
通常汽车主销内倾角不大于80。
2.5.3前轮外倾角
通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角称为“前轮外倾角”。
轮胎呈现“八”字形张开时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为“正外倾”。
一般前轮外倾角为10左右。
2.5.4前轮前束
当车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。
在安装车轮时，为消除车轮外倾带来的这种不良后果，可以使汽车两前轮的中心面不平行，并使两轮前边缘距离小于后边缘距离像内八字样前端小后端大的称为“前束”，而像外八字一样后端小前端大的称为“后束”或“负前束”。
第四章智能车电路设计说明
本方案的电路设计采用一体化的设计思想。
在整体规划了各个模块的位置例如电源和电机驱动电路的位置，还有程序控制中的一系列的I/O的分布，最终将本方案的所有电路集成到了一块电路板上，使得小车的重心更加的合适，更加的优化，也提高了赛车的观赏性。
4.1MC9S12XS128单片机最小系统
以MC9S12XS128为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：
时钟电路、电源电路、复位电路、BDM接口。
其中各个部分的功能如下：
（1）、时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振。
（2）、电源电路主要是给单片机提供5V电源。
（3）、复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。
（4）、BDM接口让用户可以通过BDM头向单片机下载和调试程序。
BDM接口是接BDM调试工具，向MC9S12XS128单片机下载程序用的。
它直接利用单片机所提供的专用引脚BKGD即可实现。
4.2传感器电路
为了提高路径检测的可靠性，在传感器的选择过程中最后选择了5mw的激光传感器，它发射距离远，可以大大提高车模的前瞻性，为程序的控制提供了足够的预判时间。
4.3电源管理电路
该设计中，主控用的是5V电源，速度传感器用的是5V电源，舵机的运行需要6V电源，驱动电机模块上用的全桥驱动芯片用的是12V电源。
考虑到竞赛规定的电源为镍镉蓄电池组，额定电压为7.2V，实际充满电后电压则为8.2-8.5V。
4.4电机驱动电路设计
竞速比赛比的是速度，需要模型车能够以尽量快的速度跑完全程，有了好的算法之后，需要有驱动电路对电机进行控制。
本系统使用的电机驱动板为BTS7960全桥驱动电路，由此电路，通过设置XS128输出的PWM波的占空比可以达到控制电机正反转的效果。
当XS128输出的占空比为50%时，电机不转，当占空比50%大时，电机正转，小于50%则反转。
4.5速度检测模块
为了使车在跑的过程中能快速加速，及时减速除了要有好的算法来控制，还依赖于速度闭环返回的速度脉冲值的可靠度和精确度，因此为了提高检测精度，最后选用了精度较高的光电编码器，光电编码器使用5V-24V电源，输出12.5%-85%VCC的方波信号。
第五章光电传感器的选择和设计排布
由于选用激光作为传感器来识别路径，它可以架得高些，但是也要考虑整个车模的重心问题，把光点打的很远，返回来的信号同样可以接收与识别路径。
经过试验论证，还是把传感器架在舵机上更有优势。
它能根据黑线位置来调整自己的角度以保证时刻看到黑线，这样就可以保证车模在不论是在直线还是在弯道的情况下都可以时刻的让传感器的中间几个激光灯打在黑线上，从理论上讲就保证了赛车在弯道时的不丢线。
第六章智能车软件控制设计
6.1控制流程图
程序主要用到XS128芯片中的ＰＷＭ模块,ＥＣＴ模块，I/O模块等模块化设计。
ＰＷＭ模块主要是用来控制前轮舵机和摆头舵机的左右转向，以及驱动电机的运行；ＥＣＴ模块主要是用在速度脉冲采集和传感器信息采集上，捕捉中断并计算处理；I/O模块主要是用于控制激光的发射和接收，以及接收和输出各种控制信号。
6.3PID控制及其参数整定
PID控制策略其结构简单，稳定性好，可靠性高，并且易于实现相对于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有着很大的优势。
所以最后我们选择了PID的控制方式。
本方案中舵机转角控制采用位置式的PD控制，速度闭环控制采用了增量式PID控制。
在本方案中，使用试凑法来确定控制器的比例、积分和微分参数。
试凑法是通过闭环试验，观察系统响应曲线，根据各控制参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数，以达到满意的响应，最后确定PID控制参数。
在控制理论中已获得如下定性知识：
比例调节（P）作用：
是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
积分调节（I）作用：
是使系统消除稳态误差，提高无差度。
因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。
积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。
反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。
积分作用常与另两种调
节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
微分调节（D）作用：
微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。
因此，可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。
微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。
此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。
微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节
规律相结合，组成PD或PID控制器。
4、模糊PID控制算法
在跑道上由于上排激光管始终追随黑线，所以可以将控制上排激光管的摆头舵机的摆角经过一定的标定转换成黑线的位置信息，以及黑线相对车的偏移速率，将这两个量作为前轮转向舵机模糊PID控制的输入量。
第七章开发工具和调试过程
CodeWarrior的功能非常强大，可用于绝大部分单片机、嵌入式系统的开发。
用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中，工程文件一旦生成就是一个最小系统，用户无需再进行繁琐的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代码。
第八章模型车主要参数说明
车长：
280mm车宽：
180mm车高：
150mm车重：
1245g电路功耗：
约25W电容总容量：
1600uF光电传感器：
9个测速传感器：
1个总计传感器：
10个无额外的伺服电机赛道检测精度：
最高可达5mm赛道检测周期：
5ms
第九章总结
9.1设计特色
设计制作过程当中，通过小组成员的努力思考与探索，同时结合往届速度快的车在比赛中的优点，我们在以下几个方面引入了自己的设计特色：
1、鉴于路径识别模块的性能对整个系统运行的重要作用，本系统采用了激光管的路径识别方案，大大提高了系统识别路径的精度。
2、在本系统中，巧妙地使用线数比较多的光电编码器构成速度检测模块，在保证足够的测量精度的同时，大大减轻了系统的重量。
3、在机械上精心设计，加高了舵机的位置，提高了舵机地响应时间，实现了模块化的电路设计，在重心的调节上更加方便。
9.2存在的不足
尽管我们作了很大的努力，但是由于时间紧迫以及缺乏经验等原因，本系统仍然存在着一些问题，主要有以下几点：
1、比赛规则对改装后的赛车的尺寸作了严格要求，在满足要求安装路径识别模块时，其视场宽度和前瞻距离都比预期减小，受到了限制。
2、赛车舵机臂以及速度检测装置的机械安装部分为人工完成，没有使用精密的检测仪器辅助安装，安装精度受限。
3、系统控制算法采用经典的PID算法。
可以考虑更加高级的控制算法以改进系统性能。
对于一些先进的控制方法没有做到深入的研究。
4、车头的传感器有点靠前，使车辆的重心前移，防护措施做得不到位，前保险杠面板太脆弱，易撞击折断。
9.3可改进的方法
在条件允许的情况下，本车模还可以做以下几个方面的改进：
1、研究更加可靠的激光管电路，使路径识别模块的前瞻距离尽可能地增大。
2、在算法上，还是只用了基础的PID参数调节的方法，应该掌握更高级的控制算法，
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