临沂大学辉跃一队.pdf

告 第十届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技 术 报 学 校：临沂大学 伍名称：辉跃一 队 参赛队员：李辉跃 尹文生 魏书豪 带队教师：刘建华 李文永 签名II 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第十届“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：日 期：带队教师签名：III 摘 要 本文介绍了本队智能车的硬件平台采用 MC9S12XS128 作为中央处理器，软 件平台 Code Warrior 为开发环境，车模采用大赛组委会统一提供的 B 型仿真 车模。文中主要介绍了智能小车控制系统的机械结构、硬件结构、软件结构及设 计开发过程。整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、双车通信、控制算法和策略的优化等多个方面。车模以蓝宙公司生产的 S12 核心板作为控制核心，以安装在车体前电磁支架的 10mH 工字电感作为循迹传 感器，采用干簧管遇强磁通断特性检测起跑线，以 500 线编码器采集驱动电机 转速作为速度反馈信号。车模运行工作原理是 S12 核心板采集工字电感感应 电压的模拟量和干簧管的导通状态，结合舵机控制算法控制舵机打角，核心板 再根据当前电感采集的赛道信息并结合编码器的速度反馈信号，利用 PID 控制 算法控制 S12 输出脉冲变化以达到控制智能车速度和舵机实时变化。行驶中再 通过双车实时通信保证高速运行的两辆小车避免发生碰撞已达到大赛比赛要 求。关键字：MC9S12XS128、信号采集、舵机控制、速度控制、双车通信 IV 目录 摘 要.III 第一章 引言.2 1.1 智能车竞赛概述.2 1.2 电磁循迹小车基本原理.3 1.2.1 磁场感应原理.3 1.2.2 电磁车探路检测原理.3 1.3 电磁车系统设计简介.4 13.1.电磁循迹单车系统简介.4 1.3.2 电磁循迹双车系统简介.5 第二章 电磁双车模的机械结构优化.6 2.1 电磁 B 车模的底盘钢化.6 2.2 舵机的安装.7 2.3 前轮的固定与优化.8 2.4 差速器的调整.12 2.5 编码器的安装.13 2.6 检测起跑线模块安装.15 2.7 信号板的安装.16 2.8 电磁支架的安装.16 2.9 重心的调节.17 2.10 本章小结.18 第三章 硬件电路的设计.18 3.1 硬件电路分析.18 3.2 电源部分设计.19 3.3 信号板电路的设计.21 3.4 驱动电路的设计.23 3.5 起跑线检测模块设计.24 3.6 无线模块设计.26 3.7 双车通信模块设计.27 3.8 主控板 PCB.29 3.9 本章小结.29 第四章 软件设计.30 4.1 MC9S12XS128 开发环境简介.30 4.2 系统主板软件设计.30 V 4.3 电机控制算法.31 4.4 赛道信息计算.33 4.5 舵机控制算法.34 4.6 双车通信软件设计.35 4.7 软件调试小结.36 第五章 结论.36 附录表.I 附录 A 双车技术参数报表.I 附录 B 核心原理图.II 附录 C 核心程序.II 2 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 第一章 引言 1.1 智能车竞赛概述 为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改 革，受教育部高等教育司委托(教高司函2005201 号文，附件 1)，由教育部 高等自动 化专业教学指导分委员会（以下简称自动化分教指委）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，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，为优秀人 才的脱颖而出创造条件。该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术 平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求 学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现 的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广 阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计 算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客 观，坚持公开、公平、公正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，得到了教育部相关领导、飞思卡 尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国 30 个省市自治区近 300 所高 校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008 年起被教育部批准列入国 家教学 质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一（教高函200730 号文）。全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括 港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛 区的优 胜队将参加全国总决赛。本次比赛分为光电、摄像头和电磁三个赛题组，在车模中使用透镜成像 进 行道路检测方法属于摄像头赛题组，使用电磁信号巡线属于电磁赛题组，除此 之外则属于光电赛题组。本论文主要介绍电磁赛题组双车运行的智能车 制作。3 第一章 引言 1.2 电磁循迹小车基本原理 1.2.1 磁场感应原理 根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。智能汽 车竞赛使用路径导航的交流电流频率为 20kHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。甚低频频范围处于工频和低频电磁破中间，为 3kHz 30kHz，波长 为 100km10km。如下图 1.2.1 所示场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置。从 而控制电磁车的转向等。1.2.2 电磁车探路检测原理 比赛选择 20kHz 的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地 避 开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得 20kHz 的 信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。可以使用 LC 串并联 电路来实现选频电路（带通电路），如图 1.2.2 所示：4 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 电感的内阻，C 是是并联谐振电容。上述电路谐振频率为。已知 感应电动势 F=20KHz，电磁车使用的电感为 L=10mH，可以计算出谐振电容量 为:6.33nf。由于在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为 6.8nF，所以在实际电路中我们选用 6.8nF 的电容作为谐振电容。根据选出的电容和电感进行电路设计使小车选出 20KHZ 导航信号通过信 号运放输入核心板根据电磁车在轨迹的具体位置控制舵机打出相应的角。来进 行循迹行驶。1.3 电磁车系统设计简介 13.1.电磁循迹单车系统简介 单车是以检测漆包线周围的电磁场信号为基础，通过单片机处理采集的电 磁信号实现对车体速度转向的实时控制并运用传感器和无线模块实现前车与 后车的车车信息交互避免碰撞，实现双车车体能够准确快速沿着预设电磁轨道 路径寻迹。系统电路部分需要包括单片机控制单元、电机驱动电路、电磁传 感器电路等部分，除此之外系统还需要一些外部设备，例如编码器测速、伺 服器控制转向、直流电机驱动车体，无线 NRF2401+通信模块。综上所述，本 智能车系统包含了以下几个模块：1.智能车的底盘钢化及组装 2.7.2V/5V 电源模块 3.单片机最小系统模块 5 第一章 引言 4.信号运放模块 5.电机的安装及驱动模块 6.舵机机械结构及驱动模块 7.编码的安装及测速模块 8.起跑线检测及电路焊接模块 9.人机交互模块 电磁循迹小车单车系统设计如下图 1.3.1 所示：图 1.3.1 1.3.2 电磁循迹双车系统简介 由于大赛规定电磁车在赛道上运行时前后两辆车不能相撞，如若相撞则视 为失败。所以双车通信是本届电磁车的重头戏也是创新部分。我们队针对这种 情况有以下策略：6 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 后车与前车通过无线模块 NRF2401 车车信息交互。2.后车通过超声波模块实时测得与前车的实时车距。3.利用红外测距。电磁循迹双车通信系统设计如下图 1.3.2 所示：图 1.3 第二章 电磁双车模的机械结构优化 2.1 电磁 B 车模的底盘钢化 B 车模地盘由两部分组成，驱动电机部分以及前底盘部分。两部分仅有一 7 第二章 电磁双车模的机械结构优化 个减震装置链接，但是为了减小重量和增大空间，我们舍弃了悬挂支架。我们 小组先前测试过如若驱动电机部分和前底盘部分不进行相应的钢化结构小车 在弯道时驱动电机部分会有较大的晃动，且不利于小车加速。所以我们决定在比赛规定范围内把两辆小车的驱动电机部分与前底盘部 分用 PCB 板子进行相应的钢化处理，并去掉原配减震装置。改装后的底盘如 下图 2.1 所示：2.2 舵机的安装 图 2.1 舵机可以分为对称安装和非对称安装。舵机起着转向的作用，其安装非常 重 要。如果安装不好就会出现转向不足或者转向左右不对称的问题。同时舵 机的安 装方式也会影响车子的重心，综合考虑，我们两辆车都采用立式安装 舵机。舵机安装方式 如图 2.2 所示；8 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2.3 前轮的固定与优化 图 2.2 左为前车.右为后车 现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向 后能自动回正能力，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前 轴之 间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，其主要的参数有：主销后倾、主销装于前轴上端向后倾，力图使转完后的前轮自动回正，原理是地面侧 向 力形成的力矩的方向与车轮偏转方向相反，从而起到回正作用，一般在 23 如图 2.3.1 所示，可以用垫片来调整设置为 0、23、46主销后倾 角调整说明 调整主后倾可能出现的结果，如果过大会引起转向沉重，舵机偏 软，所以不宜采用过大的主销后倾，以免丧失转向的灵活性。9 第二章 电磁双车模的机械结构优化 图 2.3.1 主销后倾示意图 主销内倾、主销安装到前轴上后，其上端略向内倾斜，称为主销内倾，使车轮转向后 能 自动回正，且转向操纵轻便。内倾角在 58之间。由于主销后倾较小，主销 内倾与前轮外倾关系密切。调试过程中，一般为了寻找合适的车轮外倾 角而改变 主销内倾角。图 2.3.2 主销内倾示意图 10 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 3.前轮前束 车辆两个前轮的旋转平面不平行，前端略向内收（成内八字型），这种现 象 叫做前轮前束。两轮前端距离为 B，后短距离为 A，其差值即为前束值。作用 是减少或消除汽车前进中因车轮外倾和纵向阻力致使车轮前端向外滚开 所造成 的滑移。前束可以减少对有外倾的轮胎磨损，对于车轮内倾的赛车要 有相应的后 束才能保证轮胎向前滚动而不会滑动，轮胎磨损均匀，前轮前束 一般 012mm。对于车轮内倾的赛车，要有相应的后束才能保证轮胎向前滚动 而不会滑动，轮胎 磨损均匀。图 2.3.3 所示前轮前束示意图 4.前轮外倾 车轮旋转平面上方略向外倾斜，称为车轮外倾。车轮旋转平面与汽车纵向 前垂面之间的夹角称为车轮外倾角。作用是为了提高车轮行驶安全性和转向 操纵有利，但是过大的外倾角将使轮胎横向偏磨增加，能耗增多，一般车轮外 倾角为 1。前轮外倾可使智能车车轮磨损均匀，有一定的回正力矩，适当的 内倾对改善转向特性有明显。11 第二章 电磁双车模的机械结构优化 图 2.3.4.前轮外倾示意图 总之经过反复调整实验使小车前轮调整在一个最佳的位置，提高小车性 能，我们小组经过多次试跑测试最终确定前轮结构如图 2.3.5 所示：图 2.3.5 12 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2.4 差速器的调整 差速的作用：其作用实现单电机驱动的智能车同时允许两边车轮以不同速度行驶，使车 模在过弯时所走过的优化路线是一条圆弧。如若不用差速装置单电机驱动不可 能行驶出近似圆弧的优化路线，要是出现必需在左拐时靠近弯道内侧的车轮相 对外侧的车轮速慢。右拐则反之。所以我们要仔细调整好后轴差速装置使直道 行驶近乎没有差速，而弯道又有较大的差速，使小车加速快，切弯好。提高小 车的整体性能，使其所走的路线更易于优化。B 车模差速原理及调整：该车采用双滚珠差速。收到出厂车模时，通过调整右后轴上的差速螺母压 紧小差速盘，通过调整差速螺母的松紧实现差速效果。调整后的效果：让舵机打死小车能在平滑的地面跑出相对规则的圆圈或打开电机让其空 转，用手握住一后轮，另一轮能正常转动，握住两轮差速齿轮无法转动。我们 小车改装后的差速装置如图 2.4 所示 13 第二章 电磁双车模的机械结构优化 图 2.4 2.5 编码器的安装 大赛规定今年电磁循迹双车使用 500 线编码器进行测驱动电机转速。我 们小组在蓝宙上买的编码器支架并用胶枪进行粘接固定如图 2.5.1 所示，使编 码器与差速齿轮紧密咬合的同时使编码器齿轮与电机齿轮和差速齿轮在同一 水平面上，减小齿轮磨损，增大测速的精确性和电机的带动性。固定三个齿轮应注意当 1.三个齿轮咬合过紧增大了摩擦，减小了对电机做 功的利用率。2.三个齿轮过松易造成电机空转测速不准，影响小车的速度调节 的快速性准确性和稳定性，因此减小摩擦同时增强齿轮间的咬合是我们主要考 虑的因素。14 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 固定齿轮参考方法用剪刀剪一长条 A4 纸带抬起后轮使其空转，让齿轮压 过 A4 纸，纸带不被压断且齿轮不被卡住停止转动即可。电磁双车编码器安装示意图皆如图 2.5.1 所示 图 2.5.1 单车编码器安装示意图 图 2.5.2 双车其单车三齿轮安装示意图 15 第二章 电磁双车模的机械结构优化 2.6 检测起跑线模块安装 大赛规定永磁铁的排布如图 2.6.1 所示：图 2.6.1 我们采用干簧管来作为检测元器件，当干簧管靠近到永磁铁时，会产生一 个通断信号。因为干簧管防抖动的性能较差，且碰撞易损坏，如果选择常闭式 干簧管，在赛车运动过程中发生碰撞或抖动时，干簧管会由闭合变成断开，产 生误检测起跑线信号。为了避免误触发，且让单片机的信号是低电平触发，我 们选用的是常开干簧管。其安放在小车的前轮两侧双车皆如图 2.6.2 所示。16 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2.7 信号板的安装 图 2.6.2 根据电磁学，我们知道在导线中通入变化的电流（如按正弦规律变化的电 流），则导线周围会产生变化的磁场，且磁场与电流的变化规律具有一致性。如果在此磁场中置一由线圈组成的电感，则该电感上会产生感应电动势，且该 感应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。由于在导线周围 不同位置，磁感应强度的大小和方向不同，所以不同位置上的电感产生的感应 电动势也应该是不同。据此，则可以确定电感的大致位置。我们小组通过讨论 采用 5.3.2 结构放置电感即总数为伍三水平俩竖直结构。信号板我们组安放在小车前的的电磁支架上如图 2.7 所示。2.8 电磁支架的安装 图 2.7 双车皆为此结构 电磁支架的安装如图 2.8 所示。17 第二章 电磁双车模的机械结构优化 2.9 重心的调节 图 2.8 双车皆为此结构 由于我们小组把信号版放在了电磁支架的最前端如图 2.9.1 所示，而且为 了有较远的前瞻，又必须把电磁支架放在车前较远的位置，这样会差生小车的 重心靠前，在小车高速转弯时会因后轮摩擦力和正压力不够导致小车甩尾。为 了使重心后移，我们尝试了很多传感器支架的搭建方式，使得保证结构稳定的 前提下尽量减轻重量。同时，我们把主控板和电池均往后移，经过多次尝试最 终确定整体机械结构如图 2.9.2 所示。18 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 2.9.1 2.10 本章小结 机械结构是智能小车的基础，其首先决定了小车的性能，特别是转向和加 速性能本章主要通过对转向机构的分析以及对汽车理论知识的学习和应用，找 到了影响小车转向范围和效率的因素并进行了改进，使得小车的转向灵敏度得 到提高，同时舵机效率也得到较大提高。第三章 硬件电路的设计 3.1 硬件电路分析 1.车模上的所有信号运放模块，电机驱动模块，舵机驱动模块等等只有 在其稳定的工作电压下才能正常工作所以电源模块是做好硬件电路的基本。电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑 电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止 干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运 行的基础。全部硬件电路的电源由配发的标准车模用 7.2V 2000mAh Ni-cd 镍镉充 电提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要 的电压。车模上基本存在 4 种供电电压情况：1智能车使用镍镉充电电池，充满时电压在 7.88.2V。滤波后可直接用 于电机和稳压芯片供电。2 一些传感器件使用直流 5V 供电，5V 电源选用开关型稳压芯片 LM1117 19 第三章 硬件电路的设计 以及线性稳压芯片 LM2940。为了隔离电机的干扰，单片机主控板的电源输入 端加入磁珠和 0 欧电阻做为电气隔离。3我们使用 5V 为单片机供电，采用线性稳压芯片 LM2940 5V 为单片机 供电。4.电机驱动电路的电源可以直接使用蓄电池两端的电压。但智能车在启动 的过程中往往会产生很大的冲击电流，一方面会对其他电路造成电磁干扰；另 一方面由于电池内阻造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需要的 最低电压值，产生单片机复位现像。为了克服启动冲击电流的影响，可以在电 源中增加容值较大的电解电容，也可以采用缓启动的方式控制电机。在启动时，驱动电路输出电压有一个渐变过程，使得电机启动速度略为降低从而减小启动 冲击电流的幅度。保护单片机和减少电机的损耗。2.车模上所有信号运放模块，电机驱动模块，舵机驱动模块。在设计电 路时要以稳定性和实用性为基础。3.2 电源部分设计 通过上小节分析对应于我们小组每一辆单电磁循迹小车都有以下几种电 源模块如图 3.2.1：20 3 2 1 2 1 2 2 1 1 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 3.2.1 1.在 5V 稳压电路设计中我们采用 LM2940 或 LM1117-5V 稳压芯片其电路 原理图如图 3.2.2 所示其 PCB 如图 3.2.3 所示：7.2V C4 104 U2 LM2940 0 IN 1 GND 2 OUT 2940需?GND C5 104 C3 100uf 5V 10K R2 GND U3 图 3.2.2 图 3.2.3 2.在 3.3V 稳压电路设计中我们采用 LM1117 3.3V 稳压芯片其电路原理图 如图 3.2.4，其 PCB 如图 3.2.5 所示:21 第三章 硬件电路的设计 4 Vout LM1117-3.3 INPUT 3 OUTPUT 2 GND 1 7.2V C9 C16 C15 3.3V R5 LED5 GND 图 3.2.4 3.3 信号板电路的设计 图 3.2.5 由于电感感应出来的感应电动势比较小而且是差分信号，所以需要放大电 路进行调理。放大电路我们有以下四种方案。第一种，三极管放大。优点是电路简单，成本低 廉。缺点也十分明显，有很严重的零点漂移和温度漂移。当电感几乎没有感应 到信号时输出电路就 有不小的电压。当温度发生变化时，调试的参数就会发生 变化。第二种，单电源供电运放，在放大电路上加上运放电源一半的偏置，对 电感的两端输出信号差分放大。优点失调电压小，线性度好，目前的工艺下高 22 10mH 2 1 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 性能的运放价格也不高。缺点是电路比较复杂，共模抑制比小。第三种，双电源供电运放，直接对电感信号差分放大。优点是电路简单，失调电压小，线性度好。缺点是共模抑制比小。第四种，双电源仪表放大器，直接放大差分信号。优点是共模抑制比高，线性度高，失调电压小。缺点是负压纹波难控制。经过商讨和结合实验效果我们最终选择第三种方案八引脚 LMV358 芯片 作为运放器件。因为其工作特点为：内部晶振补偿。低输入偏流 低输入失调电压和失调电流。工模输入电压范围宽，包括接地。差模输入电压范围宽，等于电源电压范 围。直流电压增益高约 100DB，单位频率带宽约 1MH。电源电压范围宽，单电源（3-30V）。双电源（1.5-15V）。低功耗电流，适于电池供电。其运放电路图如图 3.3.1 所示：GND_1 R1 100K GND_1 C1 R5 220 OUT1_1 R3 1 2 U1 OUT1 IN1(-)C2 6.8nF VCC 8 OUT2 7 5V C3 OUT1_2 R4 GND_1 R6 3 IN1(+)IN2(-)6 4 5 L1 C4 6.8nF GND LMV358 IN2(+)C5 6.8nF R8 L2 10mH 100K GND_1 GND_1 23 第三章 硬件电路的设计 其运放 PCB 如图 3.3.2 所示：图 3.3.1 3.4 驱动电路的设计 图 3.3.2 左正面右反面 对于电机的驱动电路我们有两种方案：用 BTN7971 作为驱动芯片设计驱动电路。用 MOS 管作为驱动芯片设计驱动电路。由于 MOS 管通态损耗低，驱动能力强，且价格相对便宜。我们组最终确 定使用 MOS 管为主设计驱动电路，其电路图如图 3.4.1 所示：24 3 1 3 1 D S D S 1 2 3 1 3 1 D S D S 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 7.2V 7.2V R2 2 C11 G 2 R1 G MOS1 GND 1 Vcc VB 8 MOS2 R3 5 LO COM 4 2 3 4 GND IN SD COM U3 HO 7 Vs 6 LO 5 U2 2 G 2 G MOS3 C10 6 Vs 7 HO 8 VB U4 SD 3 IN 2 Vcc 1 R4 MOS4 R6 R5 7.2V GND 图 3.4.1 其 PCB 如图 3.4.2 所示：图 3.4.2 3.5 起跑线检测模块设计 在赛车运动过程中发生碰撞或抖动时，干簧管会由闭合变成断开，产生误 检测起跑线信号。为了避免误触发，且让单片机的信号是低电平触发，我们选 用的是常开干簧管。其结构如图 3.5.1 所示：25 第三章 硬件电路的设计 其电路图如图 3.5.2 所示：图 3.5.1 干簧管 PA12 GND 图 3.5.2 其为洞洞板焊接如图 3.5.3 所示：图 3.5.3 26 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 3.6 无线模块设计 对于 NRF2401 无线通信模块大赛规定可以使用现成的模块，所以我们小 组在淘宝上买的模块成品如图 3.6.1 所示，其正常工作电压为 3.3电压转换电 路如图 3.6.2 所示：图 3.6.1 4 Vout LM1117-3.3 INPUT 3 OUTPUT 2 GND 1 7.2V C9 C16 C15 3.3V R5 LED5 GND 图 3.6.2 27 第三章 硬件电路的设计 3.7 双车通信模块设计 1.后车与前车通过无线模块 NRF2401 如图进行车车信息交互。图 4.6.1NRF2401 其工作必需具备同时性，否则可能收发不成功。影响信息交互。后车通过超声波模块实时测得与前车的实时车距。超声波工作原理 HC-SRO4 模块为例：由其模块 echo 引脚发出一段大于 12us 左右的高电平碰到障碍物反射，当 Trig 收到反射信号瞬间中断计数器开 始计数直到高电平结束。再利用公式计算距离。但局限于核心板在同一时间空 间只能干一件事所以在计数时不能在干别的事情。介于其工作原理所以超声波比较耗时间声速 340m/s，例如当你规定一个 28 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 20-50 厘米为核心板处理防撞的正确距离时，核心板必需首先测得车距才能判 断是否在你规定的范围之内，当测得200 厘米时就比较耗时，可能大于你设 定的中断时间，所以可行性不强。3.利用红外测距。红外相对于超声波模块比较省时间，且信号敏感度高。更易于操作。经过讨论我们小组使用 E18D50NK 红外发射管如图 3.7.2 所示进行单向 车车信息探测。其工作电压为 5V 直接使用 3.2 节电源部分设计 5V 进行供电 保证其正常工作。图 3.7.2 29 第三章 硬件电路的设计 3.8 主控板 PCB 3,8.1 主控板 PCB 正面 3,8.2 主控板 PCB 背面 3.9 本章小结 我认为整体硬件电路是智能小车的身体，其首先决定了小车的整体性能基 30 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 础，特别是各类传感器的正常工作犹如人体的各个器官只有各部分正常司其职 才能给小车大脑以精准的各路信息使大脑依靠其信息做出精准可靠的判断，增 强小车的可靠性灵活性。第四章 软件设计 4.1 MC9S12XS128 开发环境简介 在大赛规定的可选单片机范围内我们组决定采用 MC9S12XS128 单片机作 为主控，其开发环境为 Code warrior IDE 简称 CW，是一种国际通用的的集成 开发环境，由 Freescale 的联合子公司 Metrowerks 开发，功能比较强大。CW 除了具备将用户程序编译生成 MCU 机器码的基本功能外，还有一个直观，先 进的的项目管理器和构造系统，一个高度优化的编译器，一个图形化，源代码 级调试器和完整的芯片仿真器等，其主要以下特性优点：1.支持 Freescale 所有系列各型号 MCU。2.支持不同操作系统，例如 Windows，Macintosh,Linux.3.支持汇编语言以及 C,C+,Java,高级语言。4.支持各种调试，仿真功能 5.包括多个模块：编辑器，编译器，调试器，工程管理器等 在飞思卡尔官网可直接下载并有安装说明在此不做过多详细介绍.4.2 系统主板软件设计 电路的各个模块设计完成后，各个部分需要连接到系统主板形成完整的系 统才能保证电路工作，主板电路上包含有控制器核心板插槽、传感器接入端口、无线 NRF2401 模块接口、PWM 输出接口、起跑线检测接口、串口接口、转换接口、红外管接口、舵机接口、编码器接口电路原理图如图 4.2 所示。31 第四章 软件设计 4.3 电机控制算法 图 4.2 电机控制部分是智能车核心的部分之一。一个好的速度制就是做到自动控 制系统的的三个基本原则，快速性，准确性，及稳定性。即反映到小车为加速 快且稳，调速快且稳。以下是我们小组的电机控制算法简介 4.2.1 PID 控制算法 PID 的背景和一些原理上理解 PID 控制技术，是最简单的闭环控制技术 之一，一般都是利用单反馈或者多反馈来实现对控制对象的调节，实现被控对 象的可控性和可预知性的控制。使得设备运行的更加的可靠，合理且平稳。PID 的全称为比例积分微分控制，P 即为比例，I 即为积分，D 即为微分。比例控 制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。偏 差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变 化，控制作用的强弱取决于 KP。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。为了 消除稳态误差，引入积分控制。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的 增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加 大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。为了预测 32 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 预测误差变化的趋势，引入微分的控制器，这样就能够提前使抑 制误差的控 制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。PID 控 制框图 如图 4.3.1 所示。图 4.3.1 1.位置式 PID 对上控制系统 PID 控制规律的离散化处理可以直接得到离散控制的 PID 即位 置式 PID 表达式如图 4.3.2 所示 图 4.3.2 2.增量式 PID 增量式 PID 由位置式 PID 推出，其方法如图 4.2.3 所示；图 4.3.3 增量式 PID 具有以下优点：33 第四章 软件设计 （1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断 的方法关掉。（2）自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故 障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能保持原值。（3）算式中不需要累加。控制增量 u(k)的确定仅与最近 k 次的采样值 有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。所以我们小组电机采用增量式 PID 控制其控制流程如图 4.3.4 所示。其控 制程序见附录表三.图 4.3.4 4.4 赛道信息计算 赛道位置的计算是整个智能车运行的基础，精确的计算，可以获得准确的 导线和智能车的相对位置信息，从而应用转向控制策略和速度控制策略，使智 能车平稳快速运行，根据电感线圈在磁场中感应电动势的计算公式：E=Ah/(h*h+x*x),其中 E 为谐振电压，A 为常数，h 为电感距离赛道高度，x 为 水平方向电感离导线距离。可以知道，在传感器越靠近电磁线的地方，传感器 34 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 获得的电压信号越大，反之越小，其函数关系如下图 4.4 所示。图 4.4 感应电动势曲线 4.5 舵机控制算法 舵机的控制是根据传感器检测到的电磁信号来实现的，关于电感的个数和 排布，不同的控制方法有不同的选择，电感个数减少会带来处理上的方便，但 也会使采集到的信息不够丰富，电感个数增加会使得信息处理稍显复杂，但是 得到的赛道信息较丰富。我们权衡后选择一排 5 个电感来进行处理。舵机的控 制基本分为方向判断和打角控制。（1）舵机转向判断：我们利用中间两个电感的差值和外面两个电感的差 值可以较方便的进行转向判断，值得一提的是为了防止误判，可先判断出小弧 度的转向，大弧度的转向继续保持标志位即可。（2）舵机控制我们是根据对电感的差值和差值变化量进行模糊，得出模 糊量后，对模糊量进行 PD 控制，通过修改模糊规则查询表和 PD 项的参数能 够使得小车在赛道上实现较好的打角范围。其流程图如图 4.5 所示：程序见附 表三.35 第四章 软件设计 图 4.5 4.6 双车通信软件设计 GND 1 2 3 4 5 6 7 8 P12 3.3V 图 4.6.1 无线 NRF2401 接口 图 4.6.2 红外接口 36 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 4.7 软件调试小结 我们通过上位机进行参数调试，并通过示波器，串口等采集相应赛道信息 提取相应特征进行信息到处理。控制小车平稳高速运行。第五章 结论 今后，通过以下几个方面改进车子；一、优化赛道提取算法 提高前瞻距 离。赛车前瞻在机械安装硬件设计上提高，从算法上提高的可能性较高赛道的 基本单元有直线和圆弧线两种可以在赛车控制周期中多次采样对赛道进行圆 弧线拟合以获得较大的估计前瞻该算法与速度规划相结合，可以获得动态前 瞻，实现速度控制与方向控制的配合。一、改进电磁传感器布局设计，获取更多赛道信息。二、提高加工精度，提高传感器对称性和车体机械特性。受加工条件限制，本来应该高度对称的传感器出现不对称状况，影响赛道信息的获取，调好的参 数随时间改变。为此采用可微调的传感器安装方式，试车前做稍微调整。这样 做 给赛车性能带来不确定性。所以寻找正规精确的加工方式对提高车稳定性有很 大帮助。参加这个比赛以来，在场地、经费等方面得到学校和学院的大力支持，感 谢比赛组委会能组织这样一项很有意义的比赛。正是有了这个展示的平台和大 家的支持，才让我们有机会提高自己。此次比赛的经验将永伴一生，成为我们 最珍贵的回忆。探索与创新永不止步！37 I 附录表 附录 A 双车技术参数报表 车模整体尺寸 长，宽，高(mm)750 250 250 传感器种类 传感器规格(型号)传感器个数 电磁传感器 红外光电管 10mh D50NK 3 2 除车模原有的驱动电机、舵机之外 伺服电机个数 无 赛道信息检测频率。100HZ 表一，后车技术参数报表 车模整体尺寸 长，宽，高(mm)850 250 250 传感器种类 传感器规格(型号)传感器个数 电磁传感器 10mh 3 除车模原有的驱动电机、舵机之外 伺服电机个数 无 赛道信息检测频率 100HZ II 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 前车技术参数报表 附录 B 核心原理图 附录 C 核心程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int 3 int time;int duty=10,duty2=0,duty_duo=152;/电机占空比 舵机占空比 int th_speed=100,acspeed;/电机脉冲/同步 2 float collect_lift10,collect_right10,collect_lshu10,collect_rshu10,collect_mid10;/AD 采集数据 float sum_lift=0,sum_right=0,sum_lshu=0,sum_rshu=0,mid=0,sum_mid;float average_lift=0,average_right=0,average_lshu=0,average_rshu=0,average_mid;float max_lift=0,min_lift=1500,max_right=0,min_right=1500,max_mid=0,min_mid=15 00;float diff,diff_ac,diff_shu,diff_mid,diff_last,diff_next,diff_diu,difflast,diffnext,diff_z;/舵机误差 /float max_duo=0,min_duo=200;int timing,dltime=3000,symbol=0,stopsymbol,stopdelay=200;/*/*初始化锁相环*/*/void PLL_64M(void)/BUS CLOCK=64MHZ,PLL CLOCK=128MHZ CLKSEL&=0 x7f;/set OSCCLK as sysclk 4 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 PLLCTL&=0 x8F;/Disable PLL circuit CRGINT&=0 xDF;SYNR=0 xC7;REFDV=0 x81;/PLLCLK=2OSCCLK(SYNR+1)/(REFDV+1)64MHz,fbus=32M PLLCTL=PLLCTL|0 x70;/Enable PLL circuit POSTDIV=0 x00;asm NOP;asm NOP;while(!(CRGFLG&0 x08);/PLLCLK is Locked already CLKSEL|=0 x80;/set PLLCLK as sysclk /*/*PIT 定时*/*/void PIT_inits(void)/定时间断初始化函数 1ms 定 时间断设置 PITCFLMT_PITE=0;/关 PIT PITCE_PCE0=1;/定时器通道 0 使能 PITMTLD0=64-1;/8 位定时器初值设定,64 分频，在 64MHzBusClock 下，为 1MHz。即 1us PITLD0=1000-1;/16 位定时器初值设定 5 1000*1us=1ms PITINTE_PINTE0=1;/定时器间断通道 0 间断 使能 PITCFLMT_PITE=1;/使能 PIT /*/*PWM 初始化 */*/void PWM_inits(void)PWME=0 x00;/使能 PWME【07