上海第二工业大学智能汽车竞赛技术报告.docx

1、上海第二工业大学智能汽车竞赛技术报告第一章 引言 11.1 概述 11.2 设计任务与要求 1第二章 智能车整体设计方案 32.1 硬件设计方案 32.2 软件设计方案 3第三章 车模机械改装的设计与调节 73.1 前轮倾角的调整 73.1.1 主销前倾 73.1.2 主销后倾 73.1.3 前轮外倾角 73.1.4 前束 73.2 后轮差速器的调节 73.3 传动齿轮的调整 83.4 舵机的安装方式 8第四章 车模控制系统的硬件设计 114.1 系统供电配置 114.2 MCU片内硬件资源的应用 144.3 车模电机的驱动 144.4 赛道信息的采集 164.5 速度与距离的检测 17第五章

2、 车模控制系统的软件设计 195.1 红外传感器的软件驱动 195.2 赛道记忆算法的实现 205.2.1 数据采集 205.2.2 数据处理 215.2.3 数据运用 21第六章 开发环境介绍与车模调试 236.1 开发调试环境介绍 236.1.1 CodeWarrior中建立新项目 236.1.2 下载程序 266.2 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A I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

3、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

4、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

5、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

6、，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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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Futaba S3010的了解，此舵机单位输出力矩很大，完全可以满足比

12、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

13、部件正常工作的需要，需要对车模用的7.2V/2000mAh Ni-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

14、)。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

15、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25V、3V、33V、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

16、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：0500mA； 要求严格的应用中，TSSOP封装可降低元件的高度。4.2 MCU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

17、4.2 MCU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：PT0PT4接收：PAD0PAD14速度与距离检测模块PJ7外部中断电机驱动模块PB0、PB14.3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：

18、 工作电压：5-40V 导通电阻：120毫欧姆 输入信号：TTL/CMOS PWM频率：.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）324.5232.569.5（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

19、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

20、，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。