航大一队智能汽车邀请赛技术报告Word格式.docx

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4.2传感器的设计及安装7

4.2.1黑线检测传感器7

4.2.2测速传感器8

4.3电机驱动电路板的设计及安装8

4.4系统电路板的固定及连接9

4.5整体结构总装9

第五章微处理器控制软件主要理论、算法说明及代码介绍10

5.1模糊控制原理10

5.2控制算法说明10

5.3程序代码介绍11

5.4数字滤波器设计13

5.4.1传感器基准值初始化滤波器设计13

5.4.2行驶过程中采样信号滤波器设计13

第六章安装调试过程15

第七章EEPROM辅助调试16

7.1EEPROM概述16

7.2EEPROM擦除和编程步骤16

7.3EEPROM编程命令字及其含义17

7.4EEPROM使用中可能遇到的问题进行说明17

7.4.1如何修改ROM/RAM/EEPROM的地址17

7.4.2如何将EEPROM中的数据读出18

第八章模型车主要技术参数说明19

第九章总结20

第一章引言

全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛已经成功举办过两届了，智能汽车的速度越来越快，技术也越来越高。

在同一模型车、电机、舵机和电池并相对限制处理芯片的情况下进行公平竞争是这一赛事的最大特色。

本届智能汽车竞赛还将光电管和CCD分组进行比赛，进一步提高了竞争的公平性。

另外，智能车设计的专业知识面涉及广泛，自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、单片机控制和机械设计等都要进行融合，因此这也从一个方面体现了一所高校的综合科技实力。

我校是首次参加智能汽车竞赛，一切都是从零开始。

我们参加了光电组的比赛，智能车在设计制作的过程中分成了三个部分：

软件设计、硬件电路设计和机械结构调整。

这半年多来，从熟悉开发软件、选择传感器、编程调试、到智能车机械结构的调整，开始举步为艰，在老师的指导和鼓励下一步一个脚印地走了过来，到现在的自信满满。

在智能车的制作过程中参考学习了大量相关文献，其中主要包括卓晴、黄开胜、邵贝贝等编著的《学做智能车》，这本书介绍了汽车机械结构、电机驱动、道路识别、自动控制以及单片机应用开发等多方面的专业知识。

以及邵贝贝编著的《单片机嵌入式应用的在线开发方法》，这本书主要介绍如何针对飞思卡尔的HCS12微控制器进行软件开发。

还有大量关于控制算法的书籍和期刊文章，在算法和设计上为我们提供了很大的帮助。

整个技术报告由八章组成，其中第一章和第八章分别为引言和结论，第二章到第七章是正文部分。

正文部分是整个技术报告的核心部分，其中，第二章主要是说明智能车设计制作的主要思路以及实现的技术方案；

第三章是对我们自行设计的电路板进行说明；

第四章主要介绍机械部分安装及改造、传感器的设计安装、系统电路板的固定及连接等；

第五章对微处理器控制软件的主要理论、算法及代码设计进行了介绍；

第六章是对开发工具、制作、安装、调试过程的说明；

第七章是模型车主要技术参数的说明。

第二章智能车设计制作思路以及实现方案概要

以MC9S12DG128B单片机为控制核心，反射式红外光电传感器为道路识别手段的智能车，可将整个智能车系统分为七大部分：

识别道路的光电传感器、速度检测、MCU、直流电机驱动部分、舵机驱动部分、电源模块和调试接口等。

系统各部分之间的联系如图2.1所示。

图2.1系统框图

通过单片机控制的红外传感器的开关，赛道黑线信息由单片机AD口读取，然后解算出相对位置的偏移量，并控制舵机的方向。

速度检测信号经单片机处理后控制调节直流电机，使智能车速度控制在一个合理范围内。

根据飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛的比赛规则，智能车应在规定的轨道上以最快的速度行驶，并且不允许冲出跑道，所以下面主要对路面信息采集、舵机的控制以及直流电机三个部分的设计进行介绍：

1、路面信息采集：

采用RPR220反射式红外传感器进行路面信息的采集，路面信息的准确性直接影响到控制决策的准确性。

根据红外传感器的输出值，可以得到智能车相对黑线的位置，从而控制智能车向相应的方向转向，使其不会冲出跑道。

2、舵机的控制：

由于舵机的反应需要一定的时间，所以当智能车经过转弯处时，应当将其速度适当降低，使得舵机有足够的偏转量，并能减少侧滑，保证小车能够顺利经过弯道。

为了提高舵机的反应速度，可以通过改变舵机的安装位置，并且适当加长舵机力臂，效果较为明显。

3、直流电机的控制：

直流电机是智能车的动力来源，直接决定智能车的速度，所以对智能车速度的控制也就是对直流电机的控制。

在对直流电机的控制中，采用了模糊PID算法，可针对不同情况适当地改变PID参数，使系统始终处在较好的工作状态，达到加速、减速灵敏以及稳定性好的目的。

第三章硬件电路设计

整个电路系统需要完成对黑线和速度的检测，信号由单片机处理后通过执行器控制模型车的速度与方向，为了便于系统的设计、安装及可靠性，将模型车所有电路集成于四大电路板中，分别为黑线检测电路板、系统电路板、电机驱动电路板和测速电路板。

3.1黑线检测电路

对于黑线检测，采用集收发于一体的红外传感器RPR220。

为增大模型车的前瞻性，必须增加传感器的有效探测距离，加大发光二极管的发射功率，所以需要采用大电流脉冲方式来驱动发光二极管。

单片机驱动能力有限，因此需要大电流的驱动芯片，可以使用两片ULN2003芯片，并采用共阳连接法，串入的电位器用于调节发射电流强度，传感器电路如图3.1所示。

图3.1红外传感器RPR220驱动电路

3.2系统电路

作为整个智能车系统中最复杂的电路部分包含了单片机最小系统电路、接口电路、调试电路、所有电源电路。

原理图如图3.2所示。

图3.2系统电路原理图

3.2.1单片机最小系统

本系统是以MC9S12DG128芯片为核心，采用16MHz晶振的并联振荡电路，引以lm2575稳压电源为其提供5V电压，加以复位电路和跳线置位电路使其运行于单片模式。

3.2.2接口电路

接口电路引出了单片机上的2路IOC口，4路PWM口，8路A、B、H、M和16路AD口。

AB用于控制红外传感器RPR220的开关，并用AD口读取传感器的输出信号。

H口平时作为输入口，用于读取拨码开关的编码。

M口和串口一起用于无线模块。

PWM口用来控制电机与舵机。

IOC口用以捕捉测速传感器输出信号的电平跳变。

3.2.3调试电路

电路中的BDM接口用于程序的下载和调试，另外还引出了RXD、TXD用于串口通信。

3.2.4电源电路

整个电源系统都集成于此电路板上，分别为单片机系统、传感器系统、电机驱动电路和舵机供电。

为减少单片机受电池电压降低带来的影响，选择低压降的LM2940稳压芯片为其供电。

而传感器系统的需要较大功率的电源，所以

采用转换效率很高的LM2575稳压电源芯片。

电机和舵机则都直接用电池电源供电。

3.3电机驱动电路

为增大电机的驱动能力，电路采用两片MC33886并联方式，具体电路如图3.3所示。

对于芯片的控制信号输入引脚采取了直接并联的方式，而输入的驱动电源和输出控制电机引脚采用了分开引线的方式，便于测试单片芯片的好坏。

输出端口在驱动电机前由导线将其并联。

图3.3两片MC33886并联电路

3.4测速电路

测速电路采用的是红外对射传感器，检测与后轮车轴同步的自制编码盘。

实验结果表明输出信号无需整形就可被单片机IOC口捕捉到，因此测速电路可采用最简单的通用红外传感器检测电路，具体电路如图3.4所示。

图3.4测速传感器检测电路

第四章机械改造及电路板设计安装

4.1机械部分安装及改造

4.1.1舵机的改造

由于采用普通方式安装舵机时力臂太短，反应速度过慢，严重影响了赛车的速度，而且左右连杆长度不一，可能会造成左右转向不一。

因此对于舵机的改装采用了立式安装方式，调整连杆长度，使其安装于小车中间位置，做到左右对称。

舵机底部增加了铝合金架构垫片，以加长舵机的力臂，提高了舵机的灵敏度。

实际改装如图4.1所示。

图4.1舵机改装图

4.1.2前轮定位

为使智能车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，并且减少轮胎和转向系零件的磨损等，需要对智能车的前轮进行适当的定位。

其中包括：

对主销后倾角进行了调整，使其介于2～3度之间；

对主销内倾角调整到1度左右；

前轮前束的值为1～2㎜，保证了智能车转向和直行的性能。

4.2传感器的设计及安装

4.2.1黑线检测传感器

图4.2黑线检测传感器实图

在智能车上，检测黑线的传感器是由14个红外传感器组成的，这些传感器成一字排开，并且成等距分布，如图4.2所示。

传感器套有热缩管，以减少外界环境光的影响，提高监测精度和稳定性。

由于传感器监测距离有限，为使智能车具有最大的前瞻性，以规则允许的最大尺寸将电路板安装在智能车的最前部，由一个合金钢片支架与车身相连。

4.2.2测速传感器

测速传感器是由红外对管和自制光码盘组成的，当智能车行驶时，测速传感器能够输出一定频率的脉冲，根据这些脉冲就可以得到此时的行驶速度。

测速传感器安装在车身的后部，码盘与后轮连接在一起，随着后轮的转动而转动，具体如图4.3所示。

图4.3测速传感器安装图

4.3电机驱动电路板的设计及安装

电机驱动电路需要流经较大的电流，而且赛车加减速时电流变化也很剧烈，驱动芯片MC33886发热较严重，为此采用大面积覆铜和风冷的方法为芯片散热降温。

电路板为自制的伪双层PCB板，除两片MC33886朝上以外，其他所有元件都置于另一面，芯片底部涂有硅胶，便于导热。

电路板安装于电机上部，不仅便于安装且使整车重心后移，还有助于风冷散热和减少驱动导线距离。

电路板安装如图4.4所示。

图4.4电机驱动电路安装图

4.4系统电路板的固定及连接

图4.5系统电路板及连线图

系统电路板是整辆赛车中最复杂的硬件部分，包含了单片机系统和电源系统，自行设计的智能车系统电路板，如图4.5所示。

由于系统电路板子重心应尽可能低，以降低赛车的重心高度，因此需要使系统电路板尺寸与赛车车模结构相符。

固定时采用三点定位法，将电路板稳定安装于舵机与电池之间。

系统电路板与其它各电路板之间采用电源线和数据排线相链接，以便相互通信相互协调。

4.5整体结构总装

连接智能车的各个部分，总装后的结构图如图4.6所示。

图4.6智能车总体结构图

第五章微处理器控制软件主要理论、算法说明及代码介绍

5.1模糊控制原理

模糊控制器的组成框图如图5.1所示，其控制规律由计算机的程序实现，实现一步模糊控制算法的过程：

单片机经过中断采样获取被控制量的精确值，然后将此值与给定值比较得到误差信号E。

图5.1模糊控制器的组成框图

一般选误差信号E作为模糊控制器的一个输入量。

将误差信号E的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示。

至此，得到了误差E的模糊语言集合的一个子集

（

实际是一个模糊相量）。

再有

和模糊控制规则

（模糊关系）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量

为：

式中

为一个模糊量。

为了给被控对象施加精确的控制，还需要进行解模糊处理。

在得到了控制量后，经数模转变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制。

之后，中断