飞思卡尔智能车比赛技术报告综述

第三届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车邀请赛

技 术 报 告

学 校：北京理工大学 队伍名称：傲雄车队

参赛队员：刘鑫 杨磊 韩立博

带队教师：张幽彤 冬雷

关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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：刘鑫 杨磊 韩立博

带队教师签名：张幽彤 日 期：2008.8.20

摘 要

本文介绍了北理傲雄车队队员们在准备第三届Freescale智能车大赛过程中

的工作成果。智能车的硬件平台采用带MC9S12DP512处理器的S12环境，软件 平台为CodeWarrior IDE 4.6开发环境，车模采用大赛组委会统一提供的1：10 的 仿真车模。文中介绍了智能小车控制系统的软硬件结构和开发流程。

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、控制算法和

策略优化等多个方面。为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性，试验了多套方案，并进行升级，结合Labview 仿真平台进行了大量底层和上层测试，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。

关键字：智能车，激光管，PID控制

第一章 引言 1 1.1 赛事介绍 1

1.2 方案介绍 1

1.3 技术报告内容安排 2 第二章 技术方案概要说明 3 第三章 机械设计 4 3.1 PCB板的安装 4 3.2 前轮参数调整 5 3.3 舵机的升高方案 6 3.4 齿轮传动机构调整 7 3.5 速度传感器的安装固定 7 3.6. 后轮差速机构调整 8 第四章 硬件电路设计 9 4.1 S12单片机最小系统 9 4.2 路线识别电路设计 12 4.3 电源管理电路设计 14 4.4 电机驱动电路设计 15 4.5 串行通讯接口电路 15 4.6 速度检测模块 16 4.7 现场调试模块 17 第五章 软件设计 19 5.1 主程序设计 19 5.2 总体控制流程图 19 5.3 工作原理 20 5.4.1 PID控制 20 5.4.2 PID参数的整定 21 5.5 小车控制策略 22 5.6 软件开发环境 22 第六章 模型车各项参数 26 6.1 车模基本尺寸 26

6.2 电路功耗及电容总容量 26 6.3 传感器及伺服电机数量 26 6.4 赛道信息检测精度、频率 26 第七章 结论 27

7.1 本系统的所具有的特点 27 7.2 本系统存在的问题 27 7.3 本系统可行的改进措施 28 参考文献 29

附录A 模型车控制主程序代码 I

第一章 引言 1.1 赛事介绍

受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导分委员负责主办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五大竞赛之一。2008年8月26日，在沈阳东北大学举行第三届全国大学生智能车竞赛。本届的比赛，首先是在全国四大赛区进行预选赛，之后将有104只赛车到沈阳进行总决赛。在比赛中，参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞

赛车模，推荐采用飞思卡尔16控制器MC9S12DG128作为核心控制单元，自主构思控传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定，车模改装完毕后，尺寸不能超过：250mm 宽和400mm长，高度无限制，跑道宽度不小于600mm，跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm，并且跑道有坡道。 1.2 方案介绍

在方案设计的过程中，我们参阅了很多兄弟院校的往届大赛技术报告，如清华大学、北京科技大学。在国内，他们对智能车研究起步的比较早，例如清华大学首创记忆算法、北京科技大学创先使用激光管。但是，基于本次大赛的比赛要求，即车跑两圈中只要有一圈结束后停车便算入成绩，所以我们采取跑一圈停车的策略。由车手根据车跑第一圈的状况，通过按键，适当改变参数。这样便舍弃了风险性很大的记忆算法。对于LED组来说，提高小车的速度和稳定性，其实际问题是如何更早且更好的提取到赛道信息。所以我们采取的策略是激光传感器加人工调参，共同实现我们的目标。这样不仅可以提高赛车的前瞻性，使赛车的稳定性提高。而且可以在第二圈中，对赛车状态进行人工校正，提高成绩。

1.3 技术报告内容安排 本技术报告的正文分为四个部分。第一部分是对整个系统实现方法的一个概要说明，主要内容是对整个技术方案的概述；第二部分是对系统机械结构的说明，主要介绍系PCB板的固定和安装、前轮参数调整和舵机的升高等；第三部分是对硬件电路设计的说明，主要介绍系统传感器的设计及其他硬件电路的设计原理、创新点和实现过程等；第四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。

第二章 技术方案概要说明

本模型车的制作的主要思路是利用激光管来判别前方的跑道轨迹，并将信息采集到S12单片机中。在S12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、MCU模块、路径识别模块、电机驱动模块、舵机控制模块、转速测量模块、按键控制模块、无线串口传送模块等。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。其中，对单片机、激光管、测速电路、按键电路提供5V电压，对舵机提供6V电压，对无线串口提供12V电压。 本模型车是由后轮驱动的，路径识别模块则采用激光管传感器寻迹方案。即路径识别电路由12对光电发送与接收管组成。由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电接收管接收到反射的光线的强度与白色的赛道不同，进而在光电接收管两端产生不同的电压值，由此判断行车的方向。路径识别模块会将当前采集到的一组电压值传递给MCU模块。转速测量模块则安装在车尾部，它会测量出模型车行驶过程中的瞬时速度。按键控制模块会设定模型车在行驶过程中一些较重要的参数，如：直道速度、弯道速度等。测量出的瞬时速度将输入到单片机中，以帮助分析确定模型车下一步的速度、转角等。无线串口传送模块会同LABVIEW显示传感器检测值和模型车的速度等参数，以方便对整车进行调试。MCU模块会根据按键的设定值，路径识别模块采集到的电压值以及转速测量模块反馈回的瞬时速度值等综合分析，采用一定的算法对舵机和直流电机进行控制。以上即是技术方案的概要说明。 第三章 机械设计

本模型车机械设计的部分主要包括，PCB板的固定与安装、前轮参数调整和舵机的升高 3.1 PCB板的安装

对本模型车的信号采集电路，我们设计了一块PCB板。PCB板安装在模型车的前方。综合

考虑激光管的探测距离、模型车的行驶速度以及更好的配合软件的控制算法，我们将光电传感器信号采集电路的PCB板安装在距舵机的距离为8cm,距路面的距离为12cm的位置。PCB板上均匀分布了12对光电发射管和接收管。

此外，我们还设计了另两块PCB板。一块上面包含了电源管理模块电路，另一块包含直流电机驱动电路。在组装过程中，我们利用原有的模型车后部原有的两个支架和两个承接螺钉将其固定在车模的后部。其固定的位置离地的高度为6.5cm。在其下方，放置着模型车的电池。在车中央，则固定着S12模块。

图3.1 PCB板安装实图

3.2 前轮参数调整

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，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。 1）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。 2）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。

3）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。

4）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。

5）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。

经过与赛道的磨合，本队智能车前轮角度调整为前轮外倾角为-3°，其他皆为0°。 3.3 舵机的升高方案

为了提高舵机的响应速度，可以考虑延长舵机的摆臂。在正常情况下，车轮从最左侧转到最右侧，舵机需要转动50。而将摆臂伸长之后，车轮从最左侧转到最右侧，舵机只需要转动30。从理论上讲，这样可以在舵机性能一定的情况下，提高车轮转向的响应速度。本队摆臂长为4.5cm。 舵机升高之后，直线行驶状态下的车轮定位参数尤其是前束值会发生变化，这时需要稍微调整两根转向拉杆的长度，将前束值调整至合理的范围内。摆臂加长后，舵机空程会明显，但是差别不大，通过程序微调舵机最大转角能够休整，所以可以忽略。

图3.2 舵机安装实图 3.4 齿轮传动机构调整

赛车后轮采用RS-380SH-4045 电机驱动，由竞赛主办方提供。电机轴与后轮轴之间的传动比为 9：38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。齿轮传动机构对赛车的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。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。调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。 3.5 速度传感器的安装固定

将一个半径略比电机齿轮半径较大的机械鼠标齿轮贴在电机齿轮上，随电机一起转动。同时，将JK122固定于后轮电机的支架上，能够使机械齿轮穿过JK122。这样，车轮每转动一齿，传感器都会检测到黑线一次，向MCU输出脉冲一次。它被安装在了车的尾部。安装过程中，我们用了两颗螺钉将其固定在了模型车尾部的底架上。

随着齿轮转动时，光电管接收到的交替变化的高低电脉冲。设置S12 的ECT 模块，同时捕捉光电管输出的电脉冲的上升沿和下降沿。通过累计一定时间内的脉冲数，或者记录相邻脉冲的间隔时间，可以得到和速度等价的参数值。我们已知：轮胎一圈周长为16.7cm。设齿轮上共有e 个孔，即轮胎转动一圈将引起e 个脉冲数累积。假设对脉冲数累积的时间为t， 在这段时间内共获取了n 个脉冲数累积。则赛车速度为： 公式1： V=16.7（N/e）* T 3.6. 后轮差速机构调整

差速机构的作用是在赛车转弯的时候，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。

此次所使用赛车配备的是后轮差速机构。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?以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响赛车的过弯性能。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。 第四章 硬件电路设计 本方案的电路设计采用模块化的设计思想。这种情况下可以有效地防止因为某一种电路的损坏而使得整个PCB板子无法利用的结果，同时还可以有计划的排列各个模块板子的位置，使得小车的重心更加的合适，更加的优化。 4.1 S12单片机最小系统

以MC9S12DP512为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：时钟电路、电源电路、复位电路、BDM接口[1]。其中各个部分的功能如下： 1、时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振。 2、电源电路主要是给单片机提供5V电源。

3、复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。