重大星火队智能汽车竞赛技术报告.docx
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重大星火队智能汽车竞赛技术报告
第一章引言1
1．1概述1
1．2技术报告内容安排1
第二章设计思路以及方案论证2
2.1主要设计思路2
2.2硬件设计方案论证2
2.2.1单片机模块2
2.2.2电源模块方案3
2.2.3方向传感器模块方案3
2.2.4速度传感器模块方案5
2.2.5电机驱动模块方案6
2.3控制算法方案概述7
2.3.1总体方案7
2.3.2方向控制算法选择7
2.3.3速度控制算法选择8
第三章智能车机械结构介绍与调整10
3.1前轮调整和舵机安装...............................................................................10
3.1.1前轮调整10
3.1.2舵机安装11
3.2车体重心调整12
3.3传感器安装12
3.4主控电路板安装结构13
第四章系统硬件电路设计……………………………………………………15
4.1单片机模块15
4.2电源管理模块16
4.3传感器模块16
4.4电机驱动模块17
4.5车速及里程计数模块18
4.6主控板模块18
第五章系统软件设计20
5.1模块设计20
5.1.1系统时钟模块...................................................................................20
5.1.2普通I/O模块……………………………..………………………21
5.1.3中断模块……………………………………………………………………………21
5.1.4AD模块………………………………………………………………………………22
5.1.5PWM模块………………………………………………………………………………23
5.1.6ECT模块………………………………………………………………………………24
5.2位置传感器信号采集及黑线位置提取……………………………………………….25
5.3起跑线识别与停车……………………………………………………………………….25
5.4方向控制…………………………………………………………………………….…26
5.4.1方向控制整体结构………………………………………………………………….26
5.4.2赛道信息有效性判断………………………………………………………………27
5.4.3弯道直道判断………………………………………………………………………27
5.4.4转向控制……………………………………………………………………………28
5.4.5PID控制在方向控制中的实现…………………………………………………28
5.5速度控制………………………………………………………………………………29
5.5.1速度控制整体结构…………………………………………………………………29
5.5.2PID控制在速度控制中的实现……………………………………………………29
第六章系统开发与调试31
6.1调试31
6.2模型车技术参数统计33
第七章总结34
参考文献35
附录A：
源程序36
附录B：
原理图160
第一章引言
1.1概述
在本次智能模型车竞赛中，本队利用组委会提供的标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池制作出了一个能够自主识别路线的智能车。
它能够在为比赛所专门设计的跑道上自动识别道路，并且能够稳定行驶和保持较高的速度。
在准备比赛的较长的一段时间里，队中每一位队员深入的学习和应用了嵌入式软件开发工具软件codewarrior和在线开发手段，自行设计了智能汽车自动识别路径的方案，制作了电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动，编写了微控制器MC68S912DG128的控制软件。
在设计的过程中，我们综合运用了前期学过的知识，如传感器原理、自动控制、汽车电子、机械设计等等。
在对这些知识的综合运用过程中，我们更牢固的掌握了以前所学习的知识，并且对它们有了新的认识。
在思考控制算法的过程中，我们一直在追求让智能模型车跑得快而稳的目标，在这个过程中我们的创造能力得到了很大的提高。
总之，通过参加第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛，我们的实践能力和创新能力都得到了很大的提高，这次比赛的经历对我们以后的学习和工作都有很大的帮助。
1.2技术报告内容安排
本文分五个部分对智能车的设计制作进行说明。
第二章是对设计的一个简单的说明，主要内容是对设计的一个技术概述。
第三部分是对机械改造的说明。
第四部分主要介绍系统传感器的设计安装，系统电路板的固定和安装以及硬件电路的设计原理、创新点和实现过程等。
第五部分是对系统软件设计部分的说明，主要内容是智能模型车设计中主要用到的控制理论、算法说明及代码设计介绍等。
第六部分是对开发工具、制作、安装、调试过程等所做的一些说明，以及模型车一些主要技术参数的说明。
第二章设计思路以及方案论证
2.1主要设计思路
本模型车的制作的主要思路是利用红外光电二极管阵列来判别前方的跑道轨迹，并将信息采集到MC9S12DG128B单片机中。
在MC9S12DG128B单片机中利用一定的算法来控制模型车的运行状态。
模型车的控制系统包括电源管理模块、电机驱动模块、舵机控制模块、路径识别模块、转速测量模块等。
在整个系统中，由电源管理模块实现对其他各模块的电源管理，包括单片机、红外光电二极管阵列、测速电路、直流电机和舵机等。
其中，对单片机和测速电路提供5V电压，对红外二极管阵列和舵机提供6V电压。
直流电机自行设计，电池向驱动模块提供7.2V的电压。
图2.1系统结构框图
其中电源管理模块为系统的各个子模块提供正常工作的电压；路径识别模块引导小车按黑色引导线行驶；按键模块可以改变小车行驶的状态和参数；LED模块用来实时显示小车的运行参数；舵机调节控制小车的转向；电机驱动来控制小车行驶速度；速度检测模块用了实时检测小车的速度，以便及时调整；调试部分用来测量和检测小车行驶的一些重要参数。
2.2硬件设计方案论证
2.2.1单片机模块
组委会提供了两块最小系统板，分别是基于112pin封装的9S12DG128B和基于80pin封装的9S12DG128BEVKC板。
单片机模块以MC9S12DG128B单片机为中心，添加按键、发光二极管、LED数码显示模块电路，电机驱动，制成一块板子，以实现主控板简洁。
方案选择：
控制核心采用基于112pinS12的自制主控板。
2.2.2电源模块方案
电源用于给系统各部分供电。
由于电池的输出电压会有扰动，而且电机的功率改变会导致电源电压输出产生突变，因此需要给各电源进行稳压。
单片机和逻辑电路需要5V电压，在转向舵机模块使用6V电压舵机转向更灵敏，驱动电机的电压决定电机转速，因此要重点考虑各供电模块之间的影响。
稳压器件可以使用三端稳压器，但电机的电压和转速之间成正向的关系。
为了提高电机转速，可以使用DC/DC升压电路，但这不符合比赛规则。
集成三端稳压器与模拟器件构成的稳压器相比具有稳定、简单、便宜等优点。
方案选择：
电源稳压部分使用集成三端稳压器。
2.2.3方向传感器模块方案
方向传感器类型的选择方案：
本次设计将要用到光敏微传感器对道路信息进行读取，光电传感器种类繁多，性能各有优劣，适用范围也各不相同。
在传感器类型的选择中，主要有以下几种方案供参考：
1）电导型光敏微传感器——光敏电阻。
它在光线的作用下其阻值往往
变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。
其工作原理图如图2.2。
图2.2光敏电阻工作原理图
光敏电阻的光谱响应范围相当宽，工作电流大,可达数毫安;所测光强范围宽,既可测强光,也可测弱光，灵敏度较高,光导电增益大于1，偏置电压低,无极性之分,使用方便。
但是，他在强光照射下光电转换线性较差，并且光电驰豫过程较长，反应时间较长。
2）接受可见光的光电传感器——光敏二极管。
光敏二极管实际一般如图2.3。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。
光敏二极管与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优。
并且，光敏二极管可接受可见光，这样就不需要在另加光源，但是，它受环境光影响很大，抗干扰能力小，并且，在环境光变化迅速的条件下，很难达到好的识别能力。
图2.3光敏二极管实际模型
3）发射，接受一体的光电传感器——对射式红外光电传感器。
对射式红外光电传感器由一个红外发光二极管和一个接受晶体管组成，又称为红外对管。
红外对射式光电传感器结构工作原理图如图2.4。
图2.4红外对射式光电传感器结构工作原理图
对射式红外光电传感器由于自己发射红外光，自己接收，所以，不易受环境光影响，抗干扰能力强，并且，一般上升时间和下降时间均小于10ns，灵敏度高，稳定性好，但通常检测距离范围有限，不会太宽。
在本次设计中，若希望得到良好的控制效果，则首先必须准确检测到道路信息，比且，比赛现场环境不可测，环境光变化很大，所以传感器抗干扰能力一定要好。
而且，若想得到良好的控制效果，则必须做到实时检测，则需要传感器灵敏度高，稳定性好，综合考虑，由于我们采用的传感器检测策略离地面的高度较高，红外对管很难达到，所以本次设计采取第二种方案。
2.2.4速度传感器模块方案
速度传感器感知赛车的行驶速度，有如下几种方案：
①霍尔传感器配合稀土磁钢
在主后轮驱动齿轮处，通过打孔，将几块很小的稀土磁钢镶在里面，然后
将霍尔元件安装在附近，通过检测磁场变化，可以得到电脉冲信号，获取后轮
转动速度。
优势：
获取信息准确，体积小，而且不增加后轮负载。
劣势：
分辨率低，齿轮处靠近主驱动电机，容易受磁场干扰；对齿轮打孔，容易损坏齿轮。
②光电传感器
在主驱动齿轮表面附上黑白间隔的彩带，将反射型光电传感器安装在齿轮
附近，当黑白彩带交替通过时，产生一系列电脉冲，由此获取转动角度。
也可
以对齿轮打孔，采用直射型光电传感器，通过间断接受到的红外光，产生电脉
冲信号，获取转动角度。
优势：
体积小，不增加后轮负载，反射型方案对原有器件不需要再加工。
劣势：
精度受到光电管体积的限制。
③光电编码器
另外购买光电编码器安装在主驱动齿轮上，通过齿轮传过来的转动信息，
获取后轮转角。
优势：
获取信息准确，精度高，搭建容易。
劣势：
增加后轮负载；光电编码器体积较大，导致车重增加。
方案选择：
选用光电编码器。
比较以上3种方案，考虑到系统的可靠性，首先排除霍尔元件方案，因为主后轮传动齿轮为塑料质地，打孔比较危险。
之后，我们采用直射型光电传感器方案，在试验中，我们发现，这种方法检测不够准确，由于在比赛中，我们需要精确测量行驶路程，因此，最后，尽管光电编码器会增加车重，我们还是采用光电编码器这种方式。
2.2.5电机驱动模块方案
电机驱动电路的作用是使电机在能够及时受到控制器控制的情况下获得足够的功率。
采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制控制（PWM）方式已经成为绝对主流。
它的原理是：
直流电机的转动状态取决于加在电枢上的电压，电压的极性影响电机的转向，电压的大小影响电机的转速，通过微控制器输出不同占空比的方波来近似不同幅度的电压，以达到控制速度的目的。
现在效率高且被广泛使用的方法是使用H桥电路。
电机的驱动电路可以有两种方案：
使用集成的电压驱动芯片，如Motorola公司的MC33886芯片、L298N等，虽然这方案可以大大简化设计，但是其驱动功率小，要达到较好效果就得使用多块芯片驱动。
使用独立元件搭成H桥电路，这样可以根据需要提供大的功率，并且设计出的电路比较简单，在控制方面也不是很复杂。
方案选择：
使用独立元件搭成H桥电路
2.3控制算法方案概述
2.3.1总体方案
经过对被控对像的分析。
我们可以把智能车控制系统分为两个大的子控制系统。
分别为：
方向控制系统与速度控制系统。
方向控制系统能使智能车沿着导引黑线行驶而不至偏移。
速度控制能使智能车在直道上加速行驶而在入弯时刹车减速以尽量提高行驶速度和避免因入弯速度过快而造成的冲出赛道。
2.3.2方向控制算法设计
在小车的运行中，主要有方向和速度的控制，即舵机和电机的控制，这两个控制是系统软件的核心操作，对小车的性能有着决定性的作用。
方向控制采用典型的闭环控制方法，框图如图2.5所示。
对舵机的控制，要达到的目的就是：
在任何情况下，总能给舵机一个合适的偏移量，保证小车能始终连贯地沿黑线以最少距离行驶。
在舵机的控制方案中，有以下两种方案可供选择：
图2.5方向控制框图
方案一：
比例控制
这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向偏移量，让其回到赛道。
比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单，不需复杂的数字计算。
在实际应用中，由于传感器的个数与布局方式的限制，其控制量的输出是一个离散值，不能对舵机进行精确的控制，容易引起舵机左右摇摆，造成小车行驶过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。
方案二：
PID控制
PID控制在比例控制的基础上加入了积分和微分控制，可以抑制振荡，加快收敛速度，调节适当的参数可以有效地解决方案一的不足。
不过，P，I，D三个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。
在本次设计中，根据比赛规则，赛道模型与相关参数已给定，即小车运行的环境基本上已经确定，可通过不断调试来获得最优的参数。
在设计初期我们选用比例控制对舵机进行控制，在赛车低速运行时，基本能达到稳定行驶，在设计后期，车速提高时，比例控制已不再能达到良好的控制效果，竟而我们改用PID算法进行舵机控制，控制效果明显改善。
因此我们选用的是PID算法来对舵机进行控制。
而且，经过实验论证，我们发现，一套PID参数并不能适应所有的赛道，因此在必要情况下，我们还要使用分段参数。
2.3.3速度控制算法设计方案
对驱动电机的控制（即速度控制），要达到的目的就是在行驶过程中，小车要有最有效的加速和减速机制。
高效的加速算法使小车能在直道上高速行驶，而快速减速则保证了小车运行的稳定，流畅。
为了精确控制速度，时时对速度进行监控，我们还引入了闭环控制的思想，在硬件设计，增加了速度传感器实时采集速度信息。
在电机的控制方案中，有以下两种方案可供选择：
方案一：
匀速控制
在本次实验中，由于电机的速度要受赛道，电压的大小，车体摩擦系数变化的影响，则须进行匀速控制。
电机是一个常用的被控对像，基于电机转速控制的控制方法已相当成熟。
在本次实验中，由于电机的速度要受赛道，电压的大小，车体摩擦系数变化的影响，则须进行匀速控制。
对于智能车所使用的直流电机使用PID控制就能达到非常好的匀速控制效果。
由于速度受环境，车体自身条件所限制，因此不需要采用过于复杂的控制方法。
所以，在本设计中，采用PID算法来实现电机的匀速控制。
在实际设计时，采用PID调节时参数较难整定，因此，在实际设计中，采用更加简单和易于整定的P算法也是一种可能的方案。
方案二：
模糊控制
模糊控制设计的核心是基于专家知识或控制工程师长期积累的技术知识和实际操作经验，从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面总结出的模糊推理规则。
其一般形式为由模糊语言和模糊逻辑组成的模糊条件语句。
在本次速度设计设计中，从直观上来说，当车模在直线上行驶时，行驶速度应保持最快速度，以减少行驶时间，提高竞赛成绩。
车模从直线行驶进入到弯道行驶的过程通常被称为“入弯”。
显而易见，入弯时的速度不能过快。
如果入弯速度过快就会造成赛车冲出赛道。
最终导致车模脱离导引线而失控。
当弯到过程结束后又要选择快速行驶，
并且由于弯度的大小，弯道行驶的极限速度也各不相同，因此，在速度控制时，我们首先应对道路状况进行模糊推理，从而实现速度的模糊推理。
智能车设计的最终目标是车模具有很快的行驶速度和很高的行驶稳定性。
因此，必须使赛车兼具高速性，稳定性，且能够顺利过弯。
因此我们将选用匀速控制和模糊控制相结合的控制方法。
速度控制各模块之间的关系如图2.6。
图2.6速度控制各模块之间的关系
第三章机械部分的安装及改造
3.1前轮调整和舵机安装
3.1.1前轮调整
调试中发现，在赛车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度的增大而增大。
为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。
前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，使转向轻便和减少轮胎的磨损。
前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束登4个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。
车模基本尺寸参数如表3.1所示。
基本参数
尺寸
轴距
200cm
前轮距
126cm
后轮距
135cm
车轮直径
54cm
车长
288mm
车宽
165m
传动比
18/76
表3.1车模基本尺寸参数
为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行调整。
前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。
前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。
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。
主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。
它使车辆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。
由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。
主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。
不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。
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。
前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。
所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1°左右。
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。
3.1.2舵机安装
舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。
分析舵机控制转向轮转向的原理可以发现，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。
这相当于增大力臂长度，提高线速度。
这样安装的优点是：
①改变了舵机的力臂，使转向更灵敏。
②舵机安装在了正中央，使左右转向基本一致。
③重心更靠后，减轻了舵机负载。
具体安装如图3.1所示。
3.2车体重心调整
车体重心位置对赛车加减速性能、转向性能和稳定性都有较大影响。
重心调整主要包括重心高度和前后位置的调整。
理论上，赛车重心越低稳定性越好。
因此除了传感器装得稍高以外，其他各个部件的安装高度都较低。
除此之外，车辆重心前后方向的调整，对赛车行驶性能也有很大的影响。
根据车辆运动学理论，车身重心前移，会增加转向，但降低转向的灵敏度（因为大部分重量压在前轮，转向负载增大），同时降低后轮的抓地力；重心后移，会减少转向，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加。
因此，确定合适的车体重心，让车模更加适应比赛赛道是很关键的。
因此，我们首先确定用较轻且固定性好的铝合金来固定传感器，主控板设计简洁，并且安装在车体后部，车体重心向后并且降低。
3.3传感器安装
传感器安装是方向控制的依据，本次设计采用了14个安装成2排的方案，第一排为9个传感器，第二排为5个传感器，等距离安装，每个传感器间隔2.75cm.实际安装如图3.2所示。
3.4主控电路板安装结构
整个电路板上面包括了检测电路以外的所有其它电路。
通过三个柱子固定在小车的上面，这些柱子都是小车本身可以提供的。
实际安装如图3.3所示。
各模块硬件部分我们通过制作PCB电路板安装在智能车的各个部位。
在车头我们制作了寻迹用的14个光电传感器的两块PCB电路板，只要输入电源后，即可输出14个传感器的原始信号。
通过排线，连接到安装在车身中央的主控电路板上。
主控电路板包括了电源管理电路、单片机接口电路、光电传感器信号输入接口、速度传感器信号接口、电源输入接口、舵机控制接口、电机控制接口、无线通信，LED显示接口等输入输出端口，这些接口的设置便于系统的安装和调试。
第四章系统硬件电路设计
4.1电源管理模块
智能车系统根据各部件正常工作的需要，对配发的标准车模用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池进行电压调节。
其中，单片机系统和接收器电路、信号处理电路，需要5V电压，舵机和路径识别的光电传感器的供电选择6V的电压，直流电机使用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电。
如图4.1所示：
图4.1 系统电压调节图
电源用于给系统各部分供电。
由于电池的输出电压会有扰动，而且电机的功率改变会导致电源电压输出产生突变，因此需要给各电源进行稳压。
单片机和逻辑电路需要5V电压，转向舵机模块和路径识别传感器需要6V电压，驱动电机的电压决定电机转速，因此要重点考虑各供电模块之间的影响。
最常见的电源管理芯片是78L05，价格低廉，电路成熟，但是考虑到78L05的高电压差，所以电源管理系统中采用了低压降的电压调节器LM2940来产生5V电压。
本电路中，我们所使用的稳压器为LM2940，其不仅外接电路简单，而且带负载能力也比较强。
在需要6V电压的传感器供电电路中，我们采用LM2940的3脚串联一个二极管来提高电压，是电压达到6V。
LM2940的输出电流为1A，在输出为1A的情况下，其典型的压降只有0.5V。
尽管如此，实验中仍然会出现电机负载过大引起的电压瞬间下降，导致单片机重新启动的现象。
一般出现小车过弯道时在电机两端加载过大的驱动电压。
为此在电源电路上通过增加π型滤波器来解决这一问题，如图4.2所示。
图4.2 电源管理电路
4.2传感器模块
在光电寻迹方案中，由于黑白底板反射回来的红外光不同，因此传感器得到的电压就不同，由此得到的传感器检测电路如图4.3所示：
图4.2传感器探测电路
原理为：
当检测到黑线时，接收管电压将发生变化，经过放大器LM324的放大，信号传送到单片机内部的AD采样，通过软件分析处理，来判断黑色引导线的准确位置。
4.3电机驱动模块
电机驱动电路的作用是使电机在能够及时受到控制器控制的情况下获得足够的功率。
采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制控制（PWM）方式已经成为绝对主流。
它的原理是：
直流电机的转动状态取决于加在电枢上的电压，电压的极性影响电机的转向，电压的大小影响电机的转速，通过微控制器输出不同占空比的方波来近似不同幅度的电压，以达到控制速度的目的。
现在效率高且被广泛使用的方法是使用H桥电路。
如图4.4所示：
图4.4电机驱动电路
直流H桥功放电路是用于控制直流电机双向运动的基本
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