东北林业大学基于ARM处理器的电磁导航智能车设计 精品.docx

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东北林业大学基于ARM处理器的电磁导航智能车设计精品

第八届“飞思卡尔”全国大学生杯

智能汽车竞赛

技术报告

基于ARM处理器的电磁导航智能车设计

学校：

东北林业大学

队伍名称：

和谐号

参赛队员：

杨玉龙

史佳俊

潘国华

带队教师：

白雪冰

王琢

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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：

带队教师签名：

日期：

第一章引言.........................................................................................................1

1.1概述................................................................................................................1

1.2各章主要内简介..............................................................................................1

第二章系统设计...................................................................................................3

2.1系统方案介绍................................................................................................3

2.2智能车系统总体结构....................................................................................3

2.2.1中央处理单元.....................................................................................4

2.2.2电源模块.............................................................................................4

2.2.3电磁检测模块.....................................................................................4

2.2.4速度检测模块.....................................................................................4

2.2.5电机驱动模块.....................................................................................4

第三章机械结构设计...........................................................................................4

3.1智能车参数要求............................................................................................4

3.2前轮................................................................................................................5

3.2.1主销后倾.............................................................................................5

3.2.2主销内倾...............................................................................................6

3.2.3前轮前束...............................................................................................6

3.3差速调整........................................................................................................7

3.4车身布局........................................................................................................8

3.4.1前瞻的安放............................................................................................8

3.4.2重心调整................................................................................................8

3.4.3底盘高度调整........................................................................................9

3.5舵机的安放及力臂的选择.................................................................9

3.6其他调整..........................................................................................................9

第四章智能车硬件系统........................................................................................10

4.1单片机最小系统.............................................................................................10

4.2电源管理模块.................................................................................................10

4.3电机驱动模块.................................................................................................12

4.4传感器模块.....................................................................................................13

4.5速度检测模块..................................................................................................16

4.6起跑线检测.....................................................................................................18

4.7蓝牙模块..........................................................................................................19

4.8小车底板设计..................................................................................................20

第五章软件系统设计..............................................................................................21

5.1软件开发平台...................................................................................................22

5.2软件系统总体设计...........................................................................................22

5.3智能车控制系统总体方案..............................................................................24

5.4各功能初始化.............................................................................……................24

5.4.1初始化串口............................................................................................24

5.4.2AD初始化................................................................................................24

5.4.3拨码开关初始化....................................................................................24

5.4.4控制舵机的PWM...................................................................................27

5.4.5DMA编码器的初始化.............................................................................27

5.5路径识别模块的软件设计...............................................................................30

5.6智能车速度控制算法....................................................................................32

第六章智能车技术参数...........................................................................................32

第七章总结...........................................................................................................33

参考文献...................................................................................................................34

附录A:

智能车电路原理图......................................................................................35

附录B:

智能车源代码..............................................................................................36

第一章引言

1.1概述

飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛是为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办全国大学生智能汽车竞赛。

该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，为优秀人才的脱颖而出创造条件。

该赛事是以智能自循迹小车为研究对象的创意性科技竞赛，是由飞思卡尔半导体公司赞助的面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动，其根本宗旨在于促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。

飞思卡尔杯全国大学生杯智能汽车竞赛是国家教学质量与教学改革工程资助项目，以飞思卡尔半导体公司生产的32位单片机为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应程序，制作一个能够自主识别道路的汽车模型。

因而该竞赛是涵盖了智能控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的比赛，对学生的知识融合和实践能力的提高，具有良好的推动作用。

本组采用第七届飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛的汽车模型作为研究平台，以32位单片机MK60DN512ZVLQ10作为主控制单元，运用IAR软件作为开发工具进行智能控制策略研究。

道路信息检测模块普遍采用工字型电感，该传感器在工作稳定性、分辨率、价格等方面均比较优秀，基于研究需要，经过综合考虑，本设计采用电感传感器采集道路信息，经过后续处理，完成对赛道信号检测并以此来控制车子的转向和行驶速度。

关于软件，我们采用鲁棒性较强的PID控制算法来作为车子的主导控制。

为满足智能车在高速与急转等恶劣情况下的动力性能和稳定性能，我们参考了前几届的队伍参赛经验，经过深思熟虑对整车经行了合理的重心与电路等的布局。

1.2各章主要内容简介

本文作为我们小组近一年的做车经历和经验的总结，主要从硬件电路设计、机械结构设计和软件设计制作过程等方面介绍了制作本智能模型车的各项关键技术，以供组委会老师审阅及以后的参赛队员参考，其概要内容如下：

第一章引言：

主要介绍了该项比赛的背景、发展历程、以及本队的开发及控制策。

第二章系统设计：

总体介绍了整个智能车系统各模块；

第三章机械结构设计及调整：

详细介绍了本智能车机械结构设计与调校；

第四章智能车硬件系统：

分模块详细介绍了小车硬件电路设计与制作；

第五章软件系统设计：

详细介绍了智能小车软件设计及算法实现；

第六章智能车技术参数：

智能车主要技术参数说明；

第七章总结：

主要说明一下我们在设计过程中遇到的问题和解决办法，以及还存在的问题；

附录A:

智能车电路原理图

附录B:

智能车源代码

第二章系统设计

2.1系统方案介绍

本智能车系统采用“飞思卡尔”32位单片机MK60DN512ZVLQ10作为核心控制单元，由安装在智能车前部的电磁传感器获得赛道空间磁场信息并传到核心控制单元单片机中，由智能车“大脑”接收并处理从传感器传回的信息，PWM模块产生相应的PWM波，通过输出不同占空比控制智能车的转向舵机与直流电机，以实现控制智能车按照规定在赛道上行驶。

为了使智能车能够更加快速稳定的行驶，K60单片机必须把对赛道路径的判断、转向舵机的角度控制以及对直流电机的控制紧密的联系在一起。

不论是某一路采集信号的误判还是单片机对转向舵机控制的失当，都会引起智能车在行驶过程中产生抖动甚至偏离赛道。

所以，对智能车总系统设计的合理性和科学性就显得尤为重要。

2.2智能车系统总体结构

智能车系统总体结构如图2.2.1所示：

图2.2.1

2.2.1中央处理单元

本智能车系统采用freescale单片机MK60DN512ZVLQ10作为核心控制芯片，对采集的信号进行分析和处理，再根据信号对直流电机和转向舵机进行有效控制。

MK60DN512ZVLQ10单片机CPU属于增强型32位CPU，片内总线时钟最高200MHz，IEEE 1588 以太网，全速和高速 USB 2.0 On-The-Go带设备充电探测，硬件加密和防窜改探测能力。

丰富的模拟、通信、定时和控制外设从100 LQFP封装 256 KB闪存开始可扩展到256 MAPBGA 1MB闪存。

 大闪存的 K60系列器件还可提供可选的单精度浮点单元、NAND闪存控制器和DRAM控制器。

快速，高精度16位ADC、12位DAC、可编程增益放大器、高速比较器和内部参考电压。

2.2.2电源模块

为各个电路模块提供稳定电源，保证各模块正常工作。

2.2.3电磁检测模块

完成对赛道中心导线产生的磁场进行检测，判断道路信息，通过连接线把信息传送给中央控制单元分析、处理，使智能车沿着跑道轨迹稳定运行。

2.2.4速度检测模块

对模型车的速度进行检测，实现闭环控制，以便调整弯道和直道的速度，从而提高平均速度，使小车更快跑完全程。

2.2.5电机驱动模块

对模型车上的电机进行驱动，控制赛车的速度。

第三章机械结构设计及调整

3.1智能车参数要求

1、车模使用A型车模。

车模运行方向为：

转向轮在前，动力轮在后；

2、参加电磁赛题组不允许使用光学传感器获得道路的光学信息，但是可以使用光电码盘测量车速；

3、车模中禁止改动的部件发生损坏，需要使用相同型号的部件替换；

4、车模改装完毕后，车模尺寸宽度不超过250mm，长度没有限制；

5、禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；如有必要可以对于车模中的零部件进行适当删减。

3.2前轮

3.2.1主销后倾

主销的轴线相对于车轮的中心线向后倾斜的角度。

前轮重心在主销的轴线上由于主销向后倾斜使前轮的重心不在车轮与地面的接触点上，于是产生了离心力，主销后倾形成的离心力，可以保证汽车直线行驶的稳定性还可以帮助车轮自动回正。

主销后倾角延长线离地面实际接触越远，车速越高，离心里就越大。

主销后倾角的作用：

在中高速行驶中保持汽车直线行驶的稳定性，适当的加大主销后倾角可以帮助转向轮自动回正，可有效扼制转向器的摆振，可使转向便轻，单独适量调一侧主销后倾角可修理行驶跑偏

主销后倾角靠离心力保证汽车直线行驶和车轮自动回正。

实际中经过实验我们选择原车设置。

通过如图3.2.1红色圈中的黄色垫片调节。

图3.2.1

3.2.2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。

角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱，因此这个主销内倾角都有一

个范围，约5°~8°之间。

经过不断的实验，本车采用大约5度的内倾角。

通过如图3.2.2红色圈内螺丝调节。

图3.2.2

3.2.3前轮前束

所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。

前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。

前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，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。

在实际调整中我们开始采用大约-3度的角度，但是发现转弯轻松但是转弯后不容易回正。

经过不断的改进最终选择现在大约7的角度。

通过如图3.2.3红色圈内螺丝调节。

图3.2.3

3.3差速调整

飞思卡尔智能车使用的是滚珠差速器（如图3.3），虽然差速效果不及行星轮差速器，但如果调整得好的话，足以满足车模的需要。

飞思卡尔车模的差速器的松紧程度可以通过后轮的紧固螺母来调节。

最终差速的效果需要达到在加速时差速不会打滑，但是在转向时两轮能有不同的运动速度。

图3.3

3.4车身布局

3.4.1前瞻的安放

为了能快速提前检测到赛道信息我们需要尽量长的前瞻，但前瞻太长又使得车的重量增加不利于转弯，同时也给前瞻的固定增加难度。

最终经过我们不断的实验与改进，选择了碳纤维杆搭建前瞻传感器支架，因为没有长度要求，我们的前瞻长度大概为50厘米。

此前瞻有点：

1：

机架简单，质量轻，强度大：

2：

可根据需要改变传感器位置和高度，固定简单牢固，减少了小车在行驶过程中的晃动，是检测的数值更加稳定。

3：

前瞻紧连车身，使转弯很灵活，能够很轻松转弯并快速稳定进入直道。

4：

拆卸更换方便，如果碳素杆不小心折断能够很快更换。

3.4.2重心调整

车身重心位置的前后调整，对智能车行驶性能有很大的影响。

按照车辆运动学理论，车身重心前移会增加转向，但会降低转向的灵敏度，同时降低后轮的抓地力；重心后移会减少转向，但会增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加。

因而调整合适的车体重心，让智能车更加适应跑道是很关键的。

根据实际调试经验，鉴于当前舵机响应迟缓，因此，需要将车的中心前移，增加转向性能。

小车的布局以精简、可靠、稳定为前提。

电路板尽量贴近车底盘，并与电池、舵机尽量集中在地盘中心。

最终小车重心实现重心集中并稍有靠前。

使得前轮有很好的抓地力的同时转弯也相对轻盈。

车身总体如图3.4。

图3.4小车整体图

3.4.3底盘高度调整

飞思卡尔A车模前轮与后轮的悬架的高度均可调。

前轮是通过改变垫圈的个数来调节。

后轮是通过安装不同高度的支架来调节。

为了是小车转弯稳定，车的底盘需要尽量的低，但是考虑到需要过障碍，我们将车的底盘高度调整到了大约1厘米。

3.5舵机的安放及力臂的选择

舵机安装直接影响到转向问题。

如果舵机调整不到位，将很大程度上限制转向角度和转向灵敏度。

车模原始舵机被安放在了车模中心，为了空间的合理利用，我们把舵机转移到了两前轮之间，为小车主板留出了一定的空间。

为了能完全固定舵机，我们自制了L型铝片并使用铜柱。

如图3.5。

舵机力臂对舵机转向有很大影响，舵机力臂