上海第二工业大学智能汽车竞赛技术报告.docx
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上海第二工业大学智能汽车竞赛技术报告
第一章引言1
1.1概述1
1.2设计任务与要求1
第二章智能车整体设计方案3
2.1硬件设计方案3
2.2软件设计方案3
第三章车模机械改装的设计与调节7
3.1前轮倾角的调整7
3.1.1主销前倾7
3.1.2主销后倾7
3.1.3前轮外倾角7
3.1.4前束7
3.2后轮差速器的调节7
3.3传动齿轮的调整8
3.4舵机的安装方式8
第四章车模控制系统的硬件设计11
4.1系统供电配置11
4.2MCU片内硬件资源的应用14
4.3车模电机的驱动14
4.4赛道信息的采集16
4.5速度与距离的检测17
第五章车模控制系统的软件设计19
5.1红外传感器的软件驱动19
5.2赛道记忆算法的实现20
5.2.1数据采集20
5.2.2数据处理21
5.2.3数据运用21
第六章开发环境介绍与车模调试23
6.1开发调试环境介绍23
6.1.1CodeWarrior中建立新项目23
6.1.2下载程序26
6.2车模调试效果以及车模参数26
第七章总结29
参考文献I
附录AI
源程序：
I
第一章引言
1.1概述
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车大赛是受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办的全国大学生智能车竞赛。
该项比赛已列入教育部主办的全国大学生五大赛事之一。
其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科，它一方面能极大地丰富参赛者的课余生活，另一方面又能锻炼参赛者发现问题、解决问题的理论分析能力与实际动手能力，以及培养参赛者创新意识和团队协作精神。
1.2设计任务与要求
根据竞赛组委会制订的比赛规则，要求参赛者运用大赛统一指定的车模，以Freescale公司的16位微控制器MC9S12DG128B作为核心控制芯片，自主设计硬件构架和控制方案（包括赛道信息采集处理、控制算法、电机驱动、舵机控制等），实现一套能自主识别赛道、实时控制车模行驶状态的智能车软硬件控制系统。
第二章智能车总体设计方案
2.1硬件设计方案
车模由车体、电机、车轮、电池、电路板、舵机、传感器等部分组成，各部分协调性的好坏直接影响车模的性能。
因此，本参赛组从车模整体效果的角度出发，综合考虑车模各部分功能与特点，对这些功能部件作出了如下安排：
第一，将控制电路板安装在舵机与车模的几何中间位置；
第二，由于智能车驶上坡道时其赛道检测传感器不能刮蹭坡道，因而适当抬高了红外传感器的安装高度；同时考虑到对赛道检测应有适当的前瞻性，因此增加了赛道检测传感器在车模头部前伸的距离；
第三，综合考虑车模的整体布局，舵机的安装采用了前置卧式安装方法；
第四，主销后倾角调整为3°左右,它使车模转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上，此举能提高前轮稳定性；
第五，适当将车模重心后移，并尽量压低，以增加车模后轮对地面的附着力，提高车模行驶时的稳定性和操控性；
第六，车模传感器采用15对红外传感器，并使其均匀分布在竞赛规则允许的最大宽度内，以增大检测范围。
各对红外收发管采用交替工作方式，既能减小相邻红外传感器之间的干扰又能降低红外传感器组的功耗。
在传感器的接收部分增加了电平调节部件，以便根据跑道材质调整传感器组的灵敏度。
红外传感器组的信号采集结合了MCU片内的AD模块，从而大大提高了赛道信息检测的空间精度。
2.2软件设计方案
在系统设计和实现的过程中，常常要通过各种对比试验来决定采用哪种方法和参数，因此，为了便于软件的修改和调试，软件设计时尽可能做到模块化。
为了最大限度地利用竞赛规则中车模连续行驶两次的规定，本设计采用记忆算法，即车模在第一圈行驶时以匀速方式记忆赛道特征参数，供第二圈行驶利用已知赛道信息进行合适的变速控制，以便获得最佳效果。
其第一圈和第二圈的流程分别如图2.1和图2.2所示。
图2.1第一圈的流程图
图2.2第二圈的流程图
为了实现记忆算法，必须解决怎样准确识别赛道、怎样实现记忆、怎样实现速度优化控制、怎样准确识别起始线和十字交叉线等问题。
对于赛道信息的检测，本参赛组设计了一种利用A/D转换将15对红外传感器输出信号进行组合分析的方法，此法不但提高了黑线位置判断的精度，还提高了车模在不同行驶环境下的自适应性，在实际应用中取得了很好的效果。
同时还充分利用了起始线和赛道十字交叉线在红外传感器上输出信息的差异性，较好地区分了起始线和十字交叉线。
第三章车模机械改装的设计与调节
3.1前轮倾角的调整
3.1.1主销内倾
主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。
前轮内倾的优点是增加了前轮的稳定性，但同时也增加了舵机转向的负担。
角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小则前轮自动回正的作用就越弱。
为了保证前轮转向的灵活度，主销内倾不宜过大，故将其调节为3度左右。
3.1.2主销后倾
主销后倾是指主销装在前轴、上端略向后倾斜的角度。
主销后倾主要影响的也是前轮稳定性和舵机转向负担。
因此要在车子的稳定性和转向灵活性之间做一个权衡。
主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好，但转向愈沉重。
故选择了3度左右，是一个居中的值。
3.1.3前轮外倾角
前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。
但该型号的车模配件不允许对这个参数做出任何的调整，因此未能作出调整。
3.1.4前束
前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差。
前轮前束的作用是保证车模的行驶性能，减少轮胎与地面的磨擦。
前轮在滚动时，其惯性力会将轮胎向内偏斜，如果前束调节得恰当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。
通过试验，将其调至5mm左右。
3.2后轮差速器调节
差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。
当车辆在正常的过弯行进中（假设：
无转向不足亦无转向过度），此时4个轮子的转速（轮速）皆不相同，依序为：
外侧前轮＞外侧后轮＞内侧前轮＞内侧后轮。
现因所用车模配备的是后轮差速器，而差速器的特性是：
阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高；此次使用的后轮差速器在过弯时，外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速较低。
因此，差速器的调整要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。
好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。
为了保证过弯的平滑性，根据反复实验，特地将差速器调至较松状态。
3.3传动齿轮的调整
齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。
齿轮传动部分松紧度调节得不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到行驶速度。
调整的原则是：
两传动齿轮轴保持平行，齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，白白浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象。
判断齿轮传动是否调整好的一个依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。
声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。
现经多次反复实验，将传动齿轮调整至噪音较小，没有碰撞类的杂音状态。
3.4舵机的安装方式
舵机位置的安装考虑了三种方案：
第一，舵机安装在两前轮之间。
结构如图3.1：
图3.1舵机安装位置之一
第二，舵机倒置安装，结构如图3.2：
图3.2舵机安装位置之二
第三，架高舵机，增加连接杆的长度。
增加连杆的长度，可以增加舵机的灵敏度，但这会相应地减小单位控制增量增加的力矩，但是根据对FutabaS3010的了解，此舵机单位输出力矩很大，完全可以满足比赛时对转弯的要求。
架高舵机，也可以增加连杆的长度，而且还不会减小单位控制增量增加的力矩，但是这样做会舵机的固定复杂化，考虑到舵机倒置安装，除了重心略微后移外，在舵机转向灵活度方面无明显改善，所以最后采用了第一种方案。
第四章车模控制系统的硬件设计
车模需要安装三块外接电路板，分别为传感器板，电机驱动板，车模控制主板（包括MCU，调试电路，电源电路，测速传感器等）。
其详细安装位置见下表4.1：
表4.1电路板布局表
板名
安装位置
车模控制主板
车身中前部
传感器板
车体前端
电机驱动板
两后轮之间，电机下方
车模控制主板的外形尺寸如图4.1所示。
图4.1车模控制主板的尺寸
4.1系统供电配置
智能车系统根据各部件正常工作的需要，需要对车模用的7.2V/2000mAhNi-cd蓄电池进行电压调节。
为了尽可能避免各个部分之间的干扰，系统的电源分配与管理就显得尤为重要[10]，具体要考虑以下几点：
●避免利用稳压电源为电机供电
如果利用稳压电源而不是未稳压电源为电机供电，稳压器提供的噪声隔离功能将大受影响。
电机噪声将不再流经稳压器的输入滤波电容，而是直接进入稳压电路的输出端。
此外，整个电路的芯片将不得不与电机竞争从稳压器输出的电流。
因此电机模块的供电线路应直接从电池两端接出。
●利用未稳压电源为电机供电，以获得最大的物理功率
首先，利用具有最高电压和较低内阻的电源为电机供电，可以使其获得最大的物理功率（速度和转矩）。
由于线性稳压器的输入电压通常比输出电压高，利用较高的未稳定输入电压为电机供电通常在性能上超过利用较低的稳定输出电压为电机供电。
此外，稳压器不能提供快速变化的电流。
由于当电机启动时电池能够提供一个较大的，低内阻的电流，所以利用电池为电机供电通常在性能上超过了利用稳压电源为电机供电。
●避免将电机接到稳压器上增加稳压器的负载
不利用稳压电源为电机供电的第二个原因是，稳压器会限制它能提供的最大电流。
综合上述各点考虑后，决定将MCU系统板、路径识别的红外传感器电路、车速传感器电路使用5V稳压电源，而转向舵机电机与后轮驱动电机的工作电压直接使用电池电压。
在5V稳压电源的生成中，采用了TPS7350稳压芯片，电源分配如图4.2。
图4.2系统供电模块结构图
下面简单介绍一下TPS7350稳压芯片[11]。
TPS73XX是美国T1公司生产的微功耗、低压电源管理芯片，它具有节电关断模式与输出电压监控功能，极低的静态电流且随负载变化；集成延时微处理器复位功能保证系统的正常工作；具有完善的保护电路，包括过热、过流及电压反接保护。
利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
此外还提供了工作状态的外部控制引脚。
TPS73XX系列开关稳压集成电路的主要特性如下：
·有2．5V、3V、3．3V、4.85V与5V这几种固定输出型与一种可调输出型器件；
·集成的精密电源电压监控器，可对稳压器的输出电压进行监控；
·低电平有效的复位信号，脉冲宽度为200ms；
·极低压差——l0=100mA时，最大值为35mV；
·低静态电流——与负载无关——典型值为340uA；
·极低的休眠状态电流最大值为0.5uA；
·在整个负载、电源与温度范围内，固定输出型器件的容积为2％；
·输出电流范围为：
0~500mA；
·要求严格的应用中，TSSOP封装可降低元件的高度。
4.2MCU片内硬件资源的应用
MC9S12DG128B芯片为使用者提供了丰富的硬件资源，但如何合理的分配和使用这些资源将直接关系到车模的运行效果。
为此，本参赛组在仔细分析研究了MC9S12DG128B片内资源的基础上，得出了车模各功能模块驱动控制所用片内资源的分配方案，如表4.2所示。
表4.2MCU片内硬件资源分配表
车模硬件模块的驱动控制
所用MCU片内资源
赛道信息采集模块
发射：
PT0~PT4
接收：
PAD0~PAD14
速度与距离检测模块
PJ7外部中断
电机驱动模块
PB0、PB1
4.3车模电机的驱动
由于竞赛组委会统一指定的车模电机为RS380SH，因此电机的驱动电路必须符合该电机的参数要求，本参赛组根据该电机的PDF文档中的相关参数，经多方比较最终选用MC33886用于电机驱动。
MC33886是一款专用于电机驱动的高效单片集成芯片，其高达5.0A的驱动能力足以驱动竞赛车模的指定电机，该芯片输入控制信号频率最高可达10kHz，也完全满足车模电机的运行需求[9]。
下面是该芯片的主要性能指标：
●工作电压：
5-40V
●导通电阻：
120毫欧姆
●输入信号：
TTL/CMOS
●PWM频率：
<=10KHz
●短路保护、欠压保护、过温保护
●具有错误状态报告功能（引脚/FS判断）
图4.3给出了MC33886的封装形式和引脚分布，图3.5给出了MC33886的典型应用电路。
图4.3MC33886封装引脚分布
图4.4MC33886典型应用电路
MC3386在实际应用中还得考虑它的发热问题，特别是电机正反转较为频繁的时候，发热问题尤为突出。
所以在其上面加一块散热片，以增大其散热面积。
为了提高驱动效率，还采用两片MC33886并联驱动，这样做主要有两个优点：
第一，提高电机的驱动电流，增大电机的实际功率。
让电机在不增加动力源的情况下，性能大幅度提高；第二，减小单片MC33886的功耗，MC33886发热现象比较严重，在这里用两片MC33886来为同一个电机供能，可以有效地减小单片MC33886的功耗，发热现象也可以得到部分缓解。
为方便日后更换，特地将MC33886单独做在一个小电路板上，并将其安装在电机下方。
4.4赛道信息的采集
红外传感器好比是车模的眼睛，对车模的行驶效果有着直接的影响。
本参赛组经过慎重考虑，采用EVERLIGHTIR333红外发射管与PD333红外接收管组成红外收发对管来检测赛道信息。
红外传感器中一对收发的电路图如图4.5所示。
图4.5红外传感器的电路图
为了最大限度地扩展赛道检测范围，特地将15对红外收发管均匀安装在竞赛规则所允许的最大宽度范围内，其具体的实物照片如图4.6所示。
图4.6红外传感器实物照片
4.5速度与距离的检测
为了使车模能够平稳快速地在赛道上行驶，除了很好地控制舵机以外，车速的控制也至关重要。
另外，在记忆算法中，行驶距离是记忆数据的记录标尺。
因此速度检测是一个很重要的模块。
本设计采用了红外反射式码盘来检测速度与距离。
码盘采用24等分，车模行驶需要的不是码盘过高的精度而是可靠性，因此，码盘采用外部中断的方式工作。
图4.7是码盘反射圈状板的等分图，图4.8是码盘的应用电路图，图4.9是码盘检测速度与距离的工作流程图。
图4.7码盘等分图
图4.8码盘应用电路图
图4.9码盘检测流程图
第五章车模控制系统的软件设计
竞赛规则对车模本身的规定是很严格的：
第一，车模本身的机械结构禁止改动；第二，电路板的控制芯片只能使用MC9S12DG128B，且不能添加辅助处理器和存储电路；第三，在对电机操作时不能使用升压芯片；第四，电容最高的充电电压不能超过25伏。
从这些规定来说，各参赛队的直道最高车速不会有太大差别。
因此，车模要在赛道上有较好的表现，关键就在于控制方法和控制算法。
红外传感器受本身特性影响，常规传感器方案没有足够的前瞻性，车模的速度不可能达到较高目标。
考虑到这点，本设计采用车模记忆赛道信息方式，来弥补红外传感器前瞻性不够的缺陷。
5.1红外传感器的软件驱动
红外传感器的驱动程序通过一组AD的采样值，算出黑线偏出红外传感器几何中心的偏移量。
在该算法中，在车模起跑之前要预采样，根据AD预采样值分析得到每对红外收发管的零态值与饱和值，具体方法为：
光电管i（赛道检测传感器左边第1对收发管计为i=0）正对赛道白色区域且远离黑线时，该接收管的采样值基本无变化，其值计做零态值;当光电管i正对黑线时，其采样值也基本不变，处于不敏感状态，其采样值计做饱和值。
找到达到饱和值的光电管i就大致确定了黑线的位置，同时它两边的光电管（i-1）和（i+1）处于活跃状态，其AD采样值基本呈线性变化。
图5.1为AD采样值与黑线位置关系曲线图。
图5.1AD采样值与黑线位置关系
根据这两个光电管的采样值来确定达到饱和值的光电管i相对黑线偏左或右的距离。
通过上述方法就能较精准地确定黑线的位置。
（5-1）
（5-2）
式中L为间距，Ximax为饱和值，Ximin为零态值。
5.2赛道记忆算法的实现
5.2.1数据采集
车模行驶时，红外管采用交替收发的方式工作，以实时中断的方式每1.024ms采集一次红外数据，再将实时中断采得的15位二进制数字转化为黑线离车模中心的距离值，如果是起始点则返回16或更大的数字。
此部分处理在实时中断的服务函数中进行。
由于红外传感器采集数据时可能有一定的错误几率，因此，采集到的数据要经过滤错处理后才能使用。
滤错方法如下：
第一，非正常范围内的数据舍去，只保留合理数据；第二，红外传感器获得数据的周期为1.024ms，因此，这种高密度的采集方式获得的赛道数据应该是连续的（除去十字处和起点）。
依据这样的规则能过滤掉十字线对车模的干扰。
这部分处理在获得黑线偏离红外传感器几何中心的偏移量之后进行。
5.2.2数据处理
由于MCU片内的RAM空间有限，不能将所有的原始数据直接存储，而且直接存储大批量数据会导致程序运行效率降低，所以本设计决定存储由原始数据经过处理所得的赛道特征参数。
具体做法是先构造一个数组存放收集到的原始赛道数据，当数据满足既定处理条件时，将当前批次的数据处理得到此段赛道的特征参数：
长度和曲率，并将其存入赛道特征参数数组。
原数组重新记录下一段赛道。
赛道原始参数的记录频率由码盘来决定，以保证参数在距离标尺上是等距的。
在码盘的中断服务函数中向原始参数数组写入此时的赛道状态。
由上述可知，计算赛道特征参数是在原始数据满足既定处理条件时进行的，因此需要将赛道分段，区分赛道段的条件有二：
其一是原始数据出现由零渐变到某一非零值并渐变回零时满足；其二是数据一直是零直到出现若干非零时满足。
需要说明的是，采集记忆数据时其原始数据中连续的零代表着赛道的直道，实际过程中会有轻微波动，这是赛道特征参数产生误差的一个因素，更糟的是这种波动会叠加到所有部分，因此必须进行滤波处理。
此外，如果原始赛道数据中记满了预留的数组但仍未满足既定的处理条件，则先将原始赛道数据暂存入赛道特征参数数组，直到满足既定条件，结合两部分数据计算出真正的赛道参数后再将赛道特征参数数组复原。
5.2.3数据运用
车模在拥有第一圈数据的基础上运行时，如果是长直道，车模加速行驶，在入弯处刹车拐弯；在弯道则以事先计算或者测试出的各种弯道能通过的最高速度通过。
第六章开发环境介绍与车模调试
6.1开发调试环境介绍
6.1.1CodeWarrior中建立新项目
运行CodeWarrior集成开发平台，如图6.1所示在File菜单下点击New，弹出建立新项目的模板对话框，见图6.2。
图6.1CodeWarrior主界面图6.2新建工程向导
一般的简便做法是在图6.2对话框左面的选择列表中选择.HC（S）08NewProjectWizard.，然后在右面的项目名.ProjectName.输入条中，输入所要建立的新项目名字，再在.Location.一栏中用
确定项目存放的文件夹路经，完成后按.确定.进入下一步。
会跳出如图6.3对话框，按默认选项确定，无需更改。
图6.3新建工程向导对话框一
在如图6.4的地对话框中选择设计中选用的芯片，在这里选择MC9S12DG128B，注意不同系列、不同型号的芯片，或不同版本的CW，其所对应或支持的开发场景可能不同。
图6.4新建工程向导对话框二
在如图6.5所示选择编程语言的对话框中，将所需要使用到的语言种类钩选上。
图6.5新建工程向导对话框三
之后的所有对话框除最后要钩选TBDML连接方式以外（如图6.6），全部采用默认选项。
图6.6新建工程向导对话框九
至此一个工程建立完毕，界面如下图：
图6.7工程建立完毕时的界面
Sources栏目下包含所有的原程序文件，可以是C，也可以是asm，或C++。
可以在此栏下点击鼠标右键在弹出菜单中选择.AddFiles.添加其他源程序文件。
Libraries栏目所包含的是本项目开发用到的代码库，可以是目标代码型式或C源程序型式。
StartupCode下是刚才建项目时自动生成的启动文件，可以打开观察具体的程序代码，也可以在必要时自己添加或修改这些启动代码。
LinkFiles下的三个文件分别是：
用于编程器下载的代码文件格式配置（bbl文件）、机器代码连接定位用的内存说明和配置文件（prm文件）、生成的目标代码在内存中的映射文件（map文件）。
6.1.2下载程序
程序编辑完成后，就需要下载到芯片中调试了，使用BDM下载器将电脑与开发板相连，击.Project.-->.Debug.即可。
6.2车模调试效果以及车模参数
车模的机械参数经调整后，车模在长直道上能达到最高速，入弯时速度控制得当，过弯表现良好，基本达到预期效果。
模型车技术参数统计：
表6.1车模参数表
项目
参数
路径检测方法（赛题组）
光电组
车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）
324.5×232.5×69.5（毫米）
车模轴距/轮距（毫米）
199.5/149.5（毫米）
车模平均电流（匀速行驶）（毫安）
约320（毫安）
电路电容总量（微法）
518（微法）
传感器种类及个数
15对￠5红外发射接收管、
1个红外收发对管
新增加伺服电机个数
0
赛道信息检测空间精度（毫米）
1.5（毫米）
赛道信息检测频率（次/秒）
977（次/秒）
主要集成电路种类/数量
稳压1片、电机驱动1片
车模重量（带有电池）（千克）
1.01（千克）
第七章总结
作为大学生有幸参加第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛，本参赛组全体成员既激动又担忧。
通过半年来的艰苦努力，在车模机械结构与动力性能上实现了从盲目摸索与尝试到有计划的实验和研究的跨越，在车模运行性能测控方面与飞思卡尔MC9S12DG128B芯片的应用方面实现了从无条理和无章法的试用到合理的规划与设计的转变。
在这个过程中，每个人都品尝到了奋斗的艰辛、失败的痛苦，同时又收获了外人无法拥有和品尝的那份欣喜和愉悦。
此外，参赛组作为一个整体，在设计制作与试验的过程中，每一个成员都学会了同学之间的分工协作、共同探讨的合作精神与坚持探索、永不放弃的坚定信念。
从这个意义上说，经过这次比赛，参赛组成员深深地感觉到比赛带给自己的不仅仅只是机遇，更有一种多学科、多方面能力的锤炼。
由此，参赛组全体成员衷心感谢竞赛组委会老师和参赛组指导老师所做的不懈努力与无私奉献。
然而，在品尝这次竞赛取得某种成功的喜悦时，也看到了自身存在的很多不足：
硬件设计不够合理、车模参数调整得并不完美、传感器的调试还得简化、车模驱动力仍嫌不足、记忆算法仍需改进以便发挥更好效果、设计时还不能熟练运用数学建模等分析研究方法，这些是今后需要进一步学习和改进的地方。
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