北京科大智能车技术报告
第四届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
学校：北京科技大学
队伍名称：科大中冶队
参赛队员：严林甘男练丁榑
带队教师：张文明
引言 关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第四届“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：
带队教师签名：
日期：
引言
这份技术报告中，我们通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法，而对单片机具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳动。这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。
在准备比赛的过程中，我们的队员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用，在此要感谢清华大学，感谢他们将这项很有意义的科技竞赛引入中国；也感谢北京科技大学相关单位对此次比赛的关注，我们的成果离不开学校的大力支持及指导老师悉心的教导；还要感谢的是和我们一起协作的队员们，协助，互促，共勉使我们能够走到今天。
目录
引言.............................................................................................................. - 1 -目录.............................................................................................................. - 2 -第一章、方案设计 ........................................................................................ - 1 -
1.1系统总体方案的选定 ................................................................................. - 1 -
1.2系统总体方案的设计 ................................................................................. - 1 -第二章、智能车机械结构调整与优化............................................................ - 3 -
2.1智能车车体机械建模 ................................................................................. - 3 -
2.2智能车前轮定位的调整 ............................................................................. - 4 -
2.2.1主销后倾角 ...................................................................................... - 4 -
2.2.2主销内倾角 ...................................................................................... - 4 -
2.2.3车轮外倾角 ...................................................................................... - 4 -
2.2.4 前轮前束 ......................................................................................... - 4 -
2.3智能车转向机构调整优化 ......................................................................... - 5 -
2.4智能车后轮减速齿轮机构调整 ................................................................. - 7 -
2.5轮胎的选用 ................................................................................................. - 8 -
2.6其它机械结构的调整 ................................................................................. - 9 -
第三章、电路设计说明 ................................................................................. - 11 -
3.1 主控板的设计 .......................................................................................... - 11 -
3.1.1 电源管理模块 ............................................................................... - 11 -
3.1.2 电机驱动模块 ............................................................................... - 11 -
3.1.3 主控板设计 ................................................................................... - 14 -
3.1.4 传感器接口模块 ........................................................................... - 15 -
3.2 智能车传感器模块设计 .......................................................................... - 15 -
3.2.1光电传感器的原理 ........................................................................ - 15 -
3.2.2 激光传感器的设计 ....................................................................... - 15 -第四章、智能车控制软件设计说明 ............................................................. - 17 -
4.1光感器的路径精确识别技术 ................................................................... - 17 -
4.1.1 光电传感器路径识别状态分析 ................................................... - 17 -
4.1.2 光电传感器路径识别算法 ........................................................... - 19 -
4.2弯道策略分析 ........................................................................................... - 20 -
4.3弯道策略制定 ........................................................................................... - 21 -第五章、开发工具、制作、安装、调试过程说明........................................ - 23 -
5.1 开发工具 .................................................................................................. - 23 -
5.2 调试过程 .................................................................................................. - 23 -
5.3 上位机监控 .............................................................................................. - 24 -第六章、模型车的主要技术参数说明.......................................................... - 26 -
6.1 智能车外形参数 ...................................................................................... - 26 -
6.2 电路部分参数 .......................................................................................... - 26 -
6.3 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量 .......................... - 26 -结论............................................................................................................ - 27 -参考文献 .................................................................................................... - 28 -
第一章、方案设计
本章主要简要地介绍智能车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。
1.1系统总体方案的选定
通过学习竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到，路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。而目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传感器和CCD/CMOS传感器。光电传感器寻迹方案的优点是传感器信号处理速度快，能够有更多的总线资源进行复杂算法的运行，但是突破前瞻的束缚是决定速度的关键所在；CCD摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理却比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行处理和识别，加快处理速度及对赛道反光问题的处理是摄像头方案的难点。在比较了两种传感器优劣之后，考虑到北科大前三届强大的技术积累，决定选用应用光电传感器，相信通过选用成熟的大前瞻光电传感器，加之先进的程序控制算法和较快的信息处理速度，光电传感器还是可以达到极好的控制效果的。
1.2系统总体方案的设计
竞赛规则规定，智能车系统采用飞思卡尔的16位微控制器MC9S12XS128单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。在选定智能车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方的光电传感器采集，经XS12 MCU的I/O口处理后，用于赛车的运动控制决策，同时内部Pulse-Width 模块发出PWM波，驱动直流电机对智能车进行加速和减速控制，以及多个伺服电机对赛车各个部位的转向进行控制，使赛车在赛道上能够自主行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能车后轴上安装光电编码器，采集车轮转速的脉冲信号，经MCU捕获后进行模糊PID自动控制，完成智能车速度的闭环控制。此外，还增加了键盘作为输入输出设备，用于智能车的角度和方位控制。系统总体方框图如图1.2。
图1.2系统总体方框图
根据以上系统方案设计，赛车共包括七大模块：MC9S12XS128主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、辅助调试模块。各模块的作用如下：MC9S12XS128主控模块，作为整个智能车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能车的控制。
传感器模块，是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。
电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。
电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。
速度检测模块，检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。
辅助调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。
本章重点分析了智能车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计，以及简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统机械结构、控制模块和控制算法等三个方面的实现进行详细介绍。
第二章、智能车机械结构调整与优化
智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进和提高。本章将主要介绍智能车车模的机械结构和调整方案。
2.1智能车车体机械建模
此次竞赛选用的智能车竞赛专用车模(G768仿真车模)。智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。智能车的外形大致如下：
图2.2 智能车外形图
其基本的尺寸参数如表2.1：
表2.1 模型车基本尺寸参数
基本尺寸尺寸
轴距198mm
前轮距137mm
后轮距138mm/146mm
车轮直径52mm
主减传动比18/76
2.2智能车前轮定位的调整
2.2.1主销后倾角
主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角[2]。它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。所以，主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在1°到3°。
模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于竞赛所用的转向舵机力矩不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为0°，以便增加其转向的灵活性。
2.2.2主销内倾角
主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前轮自动回正[2]。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于8°，主销内倾的调整应该保持在一个合适的范围，“一般来说0~8度范围内皆可”。在实际的调整中，只要将角度调整为5度左右就会对于过弯性能有明显的改善。如果赛道比较滑，可以将这个角度再调节的大一些。在实际制作中，这个角度调节为8度左右。
对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为0°~3°左右，不宜太大。
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，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。
2.2.3车轮外倾角
前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角[2]，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性[1]。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。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正外倾角度，一般这个角度约在1°左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。
模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0°即可，并且要与前轮前束匹配。
2.2.4 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[2]。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。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。在实际的汽车中，一般前束为0~12mm 。
前束的调整总是依据主销内倾的调整。只有主销内倾确定后才能确定合适的前轮前束与之配合。前轮前束的调整是方便的。主销内倾的调整由于要拧开螺丝钉，固定件又为塑料，所以频繁的调整容易引发滑丝现象。而前束不会，所以调整前束是最安全、方便的。
前束在摩擦大的时候有明显的效果。但是一定不要太大，适当的放开一两圈就够了。
在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束0~2mm可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。
调节合适的前轮前束在转向时有利过弯，还能提高减速性。将前轮前束调节成明显的内八字，运动阻力加大，提高减速性能。由于阻力比不调节前束时增大，所以直线加速会变慢。智能车采用稳定速度策略或者采用在直道高速弯道慢速的策略时，应该调节不同的前束。后一种策略可以适当加大前束。
虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。
2.3智能车转向机构调整优化
理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。在这种理想的模型下，车体的转向半径可以计算得到。
图2.3 智能车转向示意图
如图2.3，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。车轮满足转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点。
转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合适的转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性。正是由于这些原因，转向系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺利地完成比赛。在实际操作中，我们通过理论计算的方案进行优化，然后做出实际结构以验证理论数据，并在实际调试过程中不断改进。
图2.4.1 智能车转向示意图（r50cm）
图2.4.2 智能车转向梯形示意图（r50cm）
图2.4 为智能车在转向半径为50cm的转向前轮及其转向梯形的理论变化情况。可见在转向过程中，中间连杆的长度是变化的（由121.05mm减小到120.11mm），三杆转向机构无法达到这种变化，因此，我们采用五杆转向机构。中间连杆为舵机连片（转向拉杆）。
在模型车制做过程中，赛车的转向是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。转向舵机的转动速度和功率是一定，要想加快转向机构响应的速度，唯一的办法就是优化舵机的安装
位置和其力矩延长杆的长度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。经过最后的实际的参数设计计算，最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。
如图 3.3，我们最终设计的这套舵机连片（转向拉杆），我们综合考虑了速度与扭矩间的关系，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标。
图3.3 舵机连片（转向拉杆）图
舵机的安装方式目前我们实验室较为主流的是直立式安装和倒置式安装。都采用图3.3的舵机连片。然而舵机与连片的啮合是类似齿轮的啮合，由于连片的长度的以及齿宽的影响，很难调节到合适的舵机机械中值。为了弥补这种连片的缺陷，我采用了可调中值的舵机连片。
图3.4 舵机连片（中值可调）图
2.4智能车后轮减速齿轮机构调整
模型车后轮采用RS-380SH 电机驱动，电机轴与后轮轴之间的传动比为18：76（电机轴齿轮齿数为18，后轴传动齿数为76）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最终成绩。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，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的依据是，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，电机负载变大。调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。
2.5轮胎的选用
模型车在高速的条件下（2.3m/s~3.5m/s），由于快速变化的加减速过程，使得模型车的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力。在实验中调试表明，赛车在高速下每跑完一圈，轮胎与轮辋之间通常会产生几个厘米的相对位移，严重影响了赛车的加速过程。为了解决这个问题，我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。
轮胎的参数如下：
滚动阻力系数：车速达到某一临界速度，滚动阻力迅速增大，轮胎发生驻波现象。气压降低时f值迅速增加。
附着系数：主要决定于道路的材料，路面的状况和轮胎的结构、胎面花纹、材料以及汽车运动的速度等因素。良好、平整的沥青路面上，有胎面花纹的轮胎，其附着性能比无胎面花纹的轮胎光整的轮胎要好，车速也有影响。有的路面差别小。胎面花纹深度减小，附着系数显著下降。增大轮胎与地面的接触面会提高附着能力。
侧偏刚度：高宽比小的轮胎可以提高侧偏刚度。气压增大，侧偏刚度增加，气压过高，刚度不再变化。
因此，在选用轮胎时，可以根据简单的测试（轮胎测试实验），选择性能较好的轮胎使用。
附：轮胎测试实验原理和相关数据；
原理：用滑动摩擦系数近似于附着系数，用滚动摩擦系数近似于滚动阻尼系数，推算出车的加速性能和附着能力。
实验条件：
试验车模重心分布参数
（mm） 轮胎状态（单位：N）
后轮压力 5.4 前轮压力 5.32
b 97.304 载荷G 7.6342
L 200 地面对前轮法向反作用力Fzf 3.714 a（a=L-b） 102.7 地面对后轮法向反作用力Fzr 3.91
实验数据：
轮胎测试工况及数据（单位：N）
四轮均未抱死 0.45，0.40，0.25，推：0.20，0.22，
四轮均抱死 14.40，13.60，13.20，13.00
前轮抱死 后轮不抱死 第一次擦轮：6.45,6.35,6.48,6.30,5.89,5.64,5.60,5.47,5.40
第二次擦轮：6.40，8.10（几分钟后），8.10，7.60，7.15，7.10，6.40，6.90，6.95，6.80
后轮抱死
前轮不抱死
13.5，12.30，12.51，12.30，10.72，11.42，11.23，11.33，12.00，12.50，11.60，12.90 2.6其它机械结构的调整
另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说底盘、车身高度、
悬架等。
合理的底盘刚度和底盘高度调节会提高智能车的加速性能。智能车的重心应该越低越
好，降低地盘时实现重心下降的较为直接的方式。应注意到底盘高度的调节是将智能车的
其他性能提高以后间接的帮助加速性能提高。但由于新赛道中加入了窄道，从宽道到窄道
的连接处，有一5mm厚的凸起部分，为了能够安全的通过，并不使地盘受到不必要的磨损
和震荡，因此地盘距离地面高度不能低于5mm。降低底盘的方式可以通过增加前轮的垫片
和换用后轮高位安装卡片来实现。本次比赛组委会提供的智能车模型中，将四轮悬挂机构
简化为一根连接车体前部与后部的悬架弹簧。在实际运用中可以通过增加垫片的办法将底
盘刚度调整的更紧，从而使得智能车前后连接更加稳定，提高传动效率。
此外，我们还对模型车的前后悬架弹簧的预紧力进行调节，选用不同弹性系数的弹簧
等方法进行了改进。前轮悬架弹簧选用弹性系数低的弹簧，减震效果越好，但对转向的影
响越大，转向会变得不灵敏，而且弹簧容易失效。而选用弹性系数高的弹簧会造成减震效
果太弱，车身处于不稳定状态，产生激振，对传感器的接受造成影响。因此，弹簧的选用
需慎重。我们采用模型原装弹簧，效果良好。
在车的调试过程中，由于电源等原因，车的实际速度与程序所给的值往往有区别，于
是，我们采用了光电编码器。光电编码器的安装如图。通过光电编码器，程序可以调整电
机的PWM波来控制车速。
在试验中由于五轮的安装占据了上面光电编码安装方式的空间，故采用了两面同时固
定的光电编码器安装方式，其加工图如下：
电机安装：电机安装可以采用电机下降的安装方式，能有效降低重心。示意图如下：
第三章、电路设计说明
3.1 主控板的设计
3.1.1 电源管理模块
图3.1 电源管理模块原理图
电源模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应选好合适的电源。
竞赛规则规定，比赛使用智能车竞赛统一配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd供电，而单片机系统、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要5V电源，为提高伺服电机响应速度，采用7.2V 供电，直流电机可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池直接供电。
+5V_D电源模块用于为数字系统即：单片机系统、磁藕隔离芯片、键盘、无线模块儿等供电。常用的电源有串联型线性稳压电源和开关型稳压电源两大类。前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却比较复杂，电路的纹波大。对于单片机，需要提供稳定的5V电源，由于TPS7350的稳压的线性度非常好，所以选用TPS7350单独对其进行供电；而其它模块则需要通过较大的电流，而LM2940-5，转换效率高，带载能力大，对其它模块供电还是能保证充足的电源。利用TPS7350和LM2940-5对控制系统和执行部分开供电，可以有效地防止各器件之间发生干扰，以及电流不足的问题，使得系统能够稳定地工作
3.1.2 电机驱动模块
常用的电机驱动有两种方式：一、采用集成电机驱动芯片。二、采用N沟道MOSFET 和专用栅极驱动芯片设计。市面上常见的集成H桥式电机驱动芯片中，飞思卡尔公司的
33886型芯片性能较为出色，该芯片具有完善的过流、欠压、过温保护等功能，内部MOSFET 导通电阻为120毫欧，具有最大5A 的连续工作电流。使用集成芯片的电路设计简单，可靠性高，但是性能受限。由于比赛电机内阻仅为430毫欧，而集成芯片内部的每个MOSFET 导通电阻在120毫欧以上，大大增加了电枢回路总电阻，此时直流电动机转速降落较大，驱动电路效率较低，电机性能不能充分发挥。
由于分立的N 沟道MOSFET 具有极低的导通电阻，大大减小了电枢回路总电阻。另外，专门设计的栅极驱动电路可以提高MOSFET 的开关速度，使PWM 控制方式的调制频率可以得到提高，从而减少电枢电流脉动。并且专用栅极驱动芯片通常具有防同臂导通、硬件死区、欠电压保护等功能，可以提高电路工作的可靠性。
一 专用栅极驱动芯片的选择专用栅极驱动芯片的选择：：
IR 公司号称功率半导体领袖，所以我们主要在IR 公司的产品中进行选择。其中IR2104型半桥驱动芯片可以驱动高端和低端两个N 沟道MOSFET ，能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功能。使用两片IR2104型半桥驱动芯片可以组成完整的直流电机H 桥式驱动电路。由于其功能完善，价格低廉容易采购，所以我们选择它进行设计，如图4所示：
图4 IR2104应用图
二 MOSFET 的选择的选择：：
选择MOSFET 时主要考虑的因素有：耐压、导通内阻和封装。智能车电源是额定电压为7.2V 的电池组，由于电机工作时可能处于再生发电状态，所以驱动部分的元件耐压值最好取两倍电源电压值以上，即耐压在16V 以上。而导通内阻则越小越好。封装越大功率越大，即同样导通电阻下通过电流更大，但封装越大栅极电荷越大，会影响导通速度。常用的MOSFET 封装有TO-220、TO-252、
SO-8等，TO-252封装功率较大、而栅极电荷较小。于是我们最终选择了IR公司TO-252封装的IRF3205型N沟道MOSFET，VDSS = 55伏、RDS(on) = 8.0毫欧、ID = 110安。
：
三控制逻辑电路设计
控制逻辑电路设计：
IR2104的控制信号有两个管脚：IN和SD。其真值表如表1所示：
表1 IR2104输入输出信号真值表
输入输出
IN SD HO LO
H H H L
L H L H
L L L L
H L L L
而当两片IR2104驱动如图5所示可逆桥式电路时，其真值表为表2：
图5 可逆桥式电路应用图
表2 可逆桥式电路中IR2104输入输出信号真值表 状态
输入 输出
IN1
SD1 IN2 SD2 HO1 LO1 HO2 LO2 正转
H H L H H L L H 反转
L H H H L H H L 上桥臂
制动
H H H H H L H L 下桥臂
制动
L H L H L H L H 关闭 X L X L L L L L
3.1.3 主控板设计
智能车控制系统主控电路图3.3：
图3.3主控板电路图
3.1.4 传感器接口模块
从简洁的设计角度，我们直接从微控
制器的电源线上串联上限流电阻，再和光
电传感串联使用。限流电阻既在光电传感
器检测时起到了上拉电阻的作用。和微控
制器共地，简化了电路结构。
3.2 智能车传感器模块设计
在确定智能车总体方案时，我们选择
光电传感器的方案。为了获得更大前瞻距
离，为控制系统后续处理赢得更多的时间，
在从众多光电传感器中选择了大前瞻的激
光传感器，前瞻距离可以达到普通光电传
感器的数倍甚至十几倍，完全满足竞赛的要求。
3.2.1光电传感器的原理
光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管[13]。由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压
就不一样，就可以将黑白路面区分开来。
图3.6 光电传感器原理
3.2.2 激光传感器的设计
激光传感器与普通的光电传感器原理都是一样，但是其前瞻能力远大于普通的光电传
感器，可以达到40-50厘米，对于智能车来说已经足够。
在竞赛中，规则规定传感器最多不能超过16个，我选用了1５个激光传感器，所有的
传感器呈“一”字排布。激光传感器由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部
份。发射部份由一个振荡管发出180KHz频率的振荡波后，经三极管放大，激光管发光；接
收部份由一个相匹配180KHz的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入S12单
片机的PA与PＭ口，检测返回电压的高低。由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能
接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。