飞思卡尔智能车比赛技术报告
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。
4、BDM接口让用户可以通过BDM头向单片机下载和调试程序。
如图4.1.1，本系统采用的是标准的MC9S12系列单片机的时钟电路，通过把一个16MHz 的外部晶振接在单片机的外部晶振输入接口EXTAL和XTAL上，然后利用MC9S12DP512内部的压控振荡器和锁相环（PLL）把这个频率提高到32MHz，作为单片机工作的内部总线时钟。
图4.1.1 外部振荡电路
图4.1.2是PLL模块的滤波电路，VDDPLL引脚由单片机内部提供2.5V电压。其中C24、C25和R2的值是根据晶振、REFDV寄存器和SYNR寄存器计算得出的。XFC实际上是压控振荡器（VCO）的电压控制端，通过锁相环电路编程，以数字方式锁定VCO的控制端电压。如果不加如图的滤波器，或电容、电阻的值取得不合适，VCO的控制端电压就会抖动，使整个系统工作不正常。
图4.1.2 PLL的滤波电路
MC9S12系列的单片机内部使用3V电压，I/O端口和外部供电电压为5V。如图4.1.3，L4、C31、C32和C34构成的滤波电路可以改善系统的电磁兼容性，降低系统对电源的高频干扰。为了显示系统已经通电，在此加入指示灯电路，电阻R10是限流电阻。
图4.1.3 电源电路
本系统直接采用一个0.1μF的电容提供低电平复位信号，而并没有采用复杂的专用复位芯片。手动复位按钮在系统调试时作用很大。
BDM接口是接BDM调试工具，向MC9S12DP512单片机下载程序用的。它直接利用单片机所提供的专用引脚BKGD即可实现。
S12最小系统电路图如图4.1.4。
图4.1.4 S12最小系统电路图
由于前期所绘制的主控电路借口较少，不适合传感器较多的光电组，所以后期又作出相应修改，将单片机借口更多的接出，前后两代主控板如下图：
图4.1.5 一代S12最小系统板图4.1.6 二代S12最小系统板
4.2 路线识别电路设计
由于赛道具体信息还不知道，所以必须选择合适的路面信息检测传感器。通过查阅相关资料，了解到目前常用的寻线技术有：光电寻线、磁诱导寻线和摄像头寻线。光电寻线一般由多对红外收发管组成，通过检测接收到的反射光强，判断黑白线。在这种方案中，一对收发管只能检测一个点的信息，精度有限。但其优点是电路简单，处理方便。路面磁诱导与智能车辆的车载机器视觉诱导相比，最大优点是完全不受光照变化的影响。但这种方式必须以车道中心线上布设的离散磁道钉作为车道参考标记，这违背了比赛规则。摄像头寻线通过图像采集，
动态拾取路径信息，并对各种情况进行分析。它具有信息量大，能耗低的优点，但对数据的处理相对复杂。通过对第一届比赛的研究，我们决定还是从光电管入手。
最初确定方案为普通直流二极管单管收发，这种检测方法电路简单，数据清晰，处理方便。但同时检测距离有限，无法提前识别跑到：
图4.2.1 直流光电单管反射检测电路
要提高速度并保证在入弯时不撞到标竿，就必须增加传感器的“视野”，以便及时减速。
通过比较，发现市场上的半导体激光管有比较好的性能，它可以照射很远的距离依然有很高的强度，根据激光特性，除了激光的入射光和反射光是最强的以外，其他的所有散射光的强度都是相同的，在此情况下，实际测量发现激光可以看到20cm以上的距离，对于赛车的前瞻性大有好处，可以适当把光照调远，实现前瞻性循线控制。
由于临近发射管对接收管会有较大干扰，所以经过反复试验后我们决定使用六路控制，每路控制两组传感器。从而可以大大降低其他发射管对接收管的影响。原理图如下：
图4.2.2 赛道检测电路原理图
图4.2.3 逻辑控制触发电路原理图
图4.2.4 赛道检测电路俯视图
4.3 电源管理电路设计
智能车虽以车为主体，但其任何行动完全由其电路控制。模型车通过自身系统，采集赛道信息，获取自身速度信息，加以处理，由芯片给出指令控制其前进转向等动作，各部分都需要由电路支持，电源管理尤为重要。一旦电源出现问题，各部分电路的功能将受到很大的影响。该设计中，s12用的是5V电源，速度传感器用的是5V电源，舵机的运行需要6V电源，驱动电机模块上用的全桥驱动芯片用的是12V电源。考虑到竞赛规定的电源为镍镉蓄电池组，额定电压为7.2V，实际充满电后电压则为8.2-8.5V，出于功耗和稳定性的考虑，本系统采用了开关型电源，电源模块的主要部分如下所示：
图4.3.1电源模块结构图4.3.2电源管理模块PCB图
4.4 电机驱动电路设计
比赛最终比的是速度，需要模型车能够以尽量快的速度跑完全程，有了好的算法之后，需要有驱动电路对电机进行控制。本系统使用的电机驱动板为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由四支N沟道功率MOSFET管组成，由此电路，通过设置S12输出的PWM波的占空比可以达到控制电机正反转的效果。当S12输出的占空比为50%时，电机不转，当占空比50%时，电机正转，小于50%则反转。原理图如下：
图4.4 电机驱动电路PCB
4.5 串行通讯接口电路
串行通讯接口电路的作用是使得ECU可以与PC机的RS-232串行接口连接并进行通讯。RS-232是异步串行通信中应用最早，也是目前应用最为广泛的标准串行总线接口之一，它有多个版本，其中应用最广的是修订版C，即RS-232C。RS-232原是基于公用电话网的一种串行通信标准，推荐的最大电缆长度为15m（50英尺），即传输距离一般不超过15m。
图4.5串口通讯电路
4.6 速度检测模块
经过多次试验，初期速度传感器选用了光电对射型的GK122，使用光电码盘进行速度检测。这种检测方式安装简单，电路轻便，使用电源为5V，非常适合在类似的模型上使用，但缺点为检测精度不高，稳定性不好，容易出现丢齿漏齿现象，大大影响了整个系统的调速平滑性：
图4.6.1 光电对射型速度传感器
后期经过修改测试，为了提高检测精度，最后确定为使用精度较高的光电编码器，光电编码器使用5V-24V电源，输出5%-85%VCC的方波信号。这种测试方式电路较为复杂，需要增加外围电路，但相对于其带来的，测量精度的提高和测量稳定性的提高而言，终究利大于弊：
图4.6.2 光电编码器
4.7 现场调试模块
由于赛道情况各有不同，弯道、直道数量个不相等，所以必须能在不改变程序的前提下进行参数的调试，调试的方式界面可以有数字按键，拨盘开关等，经过多种情况考虑，我们最后选择了拨盘开关，由8位开关分别进行参数选择和速度控制：
图4.7 拨码开关
第五章软件设计
5.1 主程序设计
程序主要用到S12芯片中的PWM模块，ECT模块、I/O模块以及SCI模块等模块化设计。PWM模块主要用来控制舵机和电机的运转；ECT模块主要是用在了测速模块和数据采集，捕捉中断并计算瞬时速度；I/O模块主要是用来分配给按键和激光管的触发和输入；SCI模块主要用在无线串口传送模块。
5.2 总体控制流程图
图5.1 主程序运行流程图
5.3 工作原理
我们的智能车利用了一字形排布的传感器来探测道路。通过精心的调节和试验，将传感器的位置调节到了一种中间密两边稀的状态。在这种情况下，小车能过比较良好的检测到未来的信息。通过调整赛车的转向角，可以调整小车对黑线的水平偏移量。转向角越大，水平偏移速度越大。所以，调整小车转向角可以看成是调整小车水平偏移量与水平偏移速度的映射。控制器设置了快速的控制周期，在每个运算周期内，控制器即时地得到智能车车速以及传感器采样来的道路信号，经过控制算法的计算后，控制单元输出相应的前轮控制转角以及电机占空比的值，其输出值再经过函数映射关系转换为PWM脉宽信号传至前轮舵机以及驱动电
机，从而实现一个周期的控制。
5.4.1 PID控制
图5.2 PID控制器工作原理
PID控制策略其结构简单，稳定性好，可靠性高，并且易于实现。其缺点在于控制器的参数整定相当繁琐，需要很强的工程经验。相对于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有着很大的优势。所以最后我们选择了PID的控制方式。
在小车跑动中，因为不需要考虑小车之前走过的路线，所以，我们舍弃了I控制，将小车舵机的PID控制简化成PD控制。
本方案中舵机转角控制采用位置式的PD控制，速度闭环控制采用了增量式PID控制。在本方案中，使用试凑法来确定控制器的比例、积分和微分参数。
5.4.2 PID参数的整定
试凑法是通过闭环试验，观察系统响应曲线，根据各控制参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数，以达到满意的响应，最后确定PID控制参数。试凑不是盲目的，而是在控制理论指导下进行的。
在控制理论中已获得如下定性知识：
比例调节（P）作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
积分调节（I）作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
微分调节（D）作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
试凑法的具体实施过程为：
1、整定比例部分，将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统静差小到允许范围，响应曲线已属满意，那么只需比例控制即可，由此确定比例系数。
2、如果在比例控制基础上系统静差不能满足设计要求，则加入积分环节，整定时首先置积分时间为很大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8），然后减小积分时间，使得在保持系统良好动态的情况下，静差得到消除，在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程，得到整定参数。
3、若使用比例积分控制消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加微分环节，构成比例、积分、微分控制器。在整定时，先置微分时间为零，在第二步整定基础上增大，同样地相应改变比例系数和微分时间，逐步试凑以获得满意的调节效果和控制参数。
5.5 小车控制策略
在路径采集回来的信息中，我们采用了数组存储数据的方式，利用已采集到的道路信息，来通过程序设计来预判下面的赛道信息。例如当我们连续检测到10次直道信息是我们既可以认为小车现在正在行驶在长直道上，因此可以加速至高速状态。当小车连续在传感器左部分
检测到黑线，则可以认为小车在左弯道的位置。这样，我们就可以检测判断到现在小车所处的位置，并做出相应的程序响应。
在长直道进入弯道时候，由于长直道的速度较快，在入弯的时候有冲出赛道的危险性，所以在赛道末段我们应当进行快速制动，将速度值降到期望过弯速度。在程序中我们利用了记忆标志位的方式，在突然看到弯道后给电机一个较小的期望速度值，这样在PID调节的作用下，电机将很快的减速下来，以达到入弯制动的效果。
程序如下：
if(flag4==1)
{
t1++;
if(Tar>=7||Tar<=-7)
{
TarSpeed=Vbrek;
PORTA=0x81;
}
}
在速度检测的控制部分，我们是利用光电编码盘采集会来的脉冲数字进行计算，将其转换成为与后轮圈数相对应的一个参数值，根据此参数值我们能够很清晰的看出来现在这个状态时，电机的转速为多少，从而可以很快地换算出当前时刻的速度情况。
5.6 软件开发环境
此次智能车大赛的软件开发平台为Metroworks 公司的Code Warrior 4.6开发软件。其使用界面如图5.3 所示：
图5.3 CodeWarrior 程序编写面板
CodeWarrior 的功能非常强大，可用于绝大部分单片机、嵌入式系统的开发。用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中，工程文件一旦生成就是一个最小系统，用户无需再进行繁琐的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代码。如图5.4 所示，利用CodeWarrior 4.1和试验室开发的BDM 自带的hiwave.exe 用户可以进行一系列的调试工作，如监视寄存器状态、修改PC 指针、设置断点等，这样能快速地帮助我们找到软件或硬件的问题。
图5.4 Hiwave 下载调试界面
图5.5下载用BDM
在源程序编译、连接通过后，就可以进行程序下载了。下载前，先将单片机上已经存在的程序擦除，然后点击Load，将bin 文件夹下生成的后缀为.abs的文件打开，就可以完成下载。同时，我们也采用虚拟仪器的实现方法，利用图形开发语言LabVIEW编写了一套本系统相应的上位机通信界面，来实现了在上位机通过串口无线通信的方式实事监控小车的跑动情况，并实现了在线调节参数的功能。
图5.6无线串口调试工具
在此监控界面中，我们可以实事的看到车灯，舵机转向，期望速度和实际速度等参数。通过
反馈回来的这些参数，我们可以更加方便地进行试凑法PID参数整定，大大的提高了我们的调试效率。
图5.3 LabVIEW串口控制程序前面板
第六章模型车各项参数
6.1 车模基本尺寸
车长：378mm
车宽：206mm
车高：147mm
车重：1245g
6.2 电路功耗及电容总容量
电路功耗：约25W
电容总容量：1464uF
6.3 传感器及伺服电机数量
光电传感器：12对
测速传感器：1个
总计传感器：13个
无额外的伺服电机
6.4 赛道信息检测精度、频率
赛道检测精度：最高可达5mm
赛道检测周期：6ms
第七章结论
7.1 本系统的所具有的特点
设计制作过程当中，通过小组成员的努力思考与探索，同时结合韩国以往比赛中的优点，我们在以下几个方面引入了自己的设计特色：
1、鉴于路径识别模块的性能对整个系统运行的重要作用，本系统采用了激光管的路径识别方案，大大提高了系统识别路径的精度。
2、在本系统中，巧妙地使用机械鼠标齿轮结合GK122构成速度检测模块，在保证足够的测量精度的同时，大大减轻了系统的重量和成本。
3、另外制作了用于调试的控制器，该控制器用于赛车调试过程中的参数修正与显示，正式比赛时并不存在于系统中。这样在遵守规则的情况下，大大方便了调试过程。
4、在机械上精心设计，加高了舵机的位置，提高了舵机地响应时间，实现了模块化的电路设计，在重心的调节上更加方便。
7.2 本系统存在的问题
尽管我们作了很大的努力，但是由于时间紧迫以及缺乏经验等原因，本系统仍然存在着一些问题，主要有以下几点：
1、比赛规则对改装后的赛车的尺寸作了严格要求，在满足要求安装路径识别模块时，其视场宽度和前瞻距离都比预期减小，受到了限制。
2、赛车底盘以及速度检测装置的机械安装部分为人工完成，没有使用精密的检测仪器辅助
安装，安装精度受限。
3、系统控制算法采用经典的PID算法。可以考虑更加高级的控制算法以改进系统性能。对于一些先进的控制方法没有做到深入的研究。
4、由于车辆的模块化电路管理，在小车上出现连线过多，电路不够整洁的情况。
5、车头的传感器有点靠前，使车辆的重心前移，在转向的过程中没有理想中轻盈。
7.3 本系统可行的改进措施
在条件允许的情况下，本系统可以做以下几个方面的改进：
1、研究更加可靠的激光管电路，使路径识别模块的前瞻距离尽可能地增大。
2、使用更加精密的加工方式制作速度检测装置，尽可能地减小速度检测误差。
3、S12单片机拥有独具特色的模糊控制指令集，很方便用来实现模糊控制等高级运算。模糊控制的实现将有利于系统性能的大幅度提升。
4、在画PCB板时，应当注意利用插针式连接，有效地减少电路之间的连线，使电路整洁。
参考文献
[1]邵贝贝?单片机嵌入式应用的在线开发方法?北京：清华大学出版社，2004
[2]杨国田，白焰?摩托罗拉68HC12系列微控制器原理、应用与开发技术?北京：中国电力出版社，2003
[3]童诗白?模拟电子技术基础?北京：高等教育出版社，2001
[4]阎石?数字电子技术基础?北京：高等教育出版社，1998
[5]张宇河，董宁?计算机控制系统?北京：北京理工大学出版社，2002
[6]陶永华，尹怡欣，葛芦生?新型PID控制及其应用?北京：机械工业出版社，1998
[7]谭浩强?C程序设计?北京：清华大学出版社，2001
[8]侯国屏，王坤，叶齐鑫?LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计?北京：清华大学出版社，2005
[9]HCS12 Serial Communication Interface(SCI) Block Guide V02.05S12SCIV2/D
[10]Metrowerks?IDE Help for Code Warrior Plug-in for Motorola?Metrowerks Semiconductor, Inc.，2005
[11] 朱卫华. 一种微机与单片机无线串行通信的设计方法. [D] 南华大
学，2002 年8 月.
[12] 周斌，李立国，黄开胜. 智能车光电传感器布局对路径识别的影响研究. 电子产品世界，2006.5
[13] 卓晴,黄开胜，邵贝贝，学做智能车[M].北京:北京航天航空出版社,2007
[14] 张幽彤，陈宝江．汽车电子技术原理及应用[M]．北京：北京理工大学出版社，2006
[15] 张伟等．Protel DXP高级应用[M]．北京. 人民邮电出版社．2002
鸣谢
首先要感谢学校教务处的各位老师对我们的大力支持，以及指导老师张幽彤和冬雷对我们的悉心指导，在本方案的设计过程中，老师经常询问进度和鼓励我们，使我们有信心面对各种困难和挑战，顺利的完成了对模型车的制作和调试。同时还要感谢在此过程中帮助过我们的
飞思卡尔智能汽车设计技术报告
第九届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技术报告 学校：武汉科技大学队 伍名称：首安二队参赛 队员：韦天 肖杨吴光星带队 教师：章政 0敏
I
关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第九届“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。 参赛队员签名： 带队教师签名： 日期：
II
目录 第一章引言 (1) 1.1 概述 (1) 1.2 内容分布 (1) 第二章系统总体设计 (2) 2.1 设计概述 (3) 2.2 控制芯片的选择 (3) 2.3 线性 CCD 检测的基本原理 (3) 2.3 系统结极 (5) 第三章机械系统设计 (7) 3.1 底盘加固 (7) 3.2 轮胎处理 (7) 3.3 四轮定位 (8) 3.4 差速器的调整 (12) 3.5 舵机的安装 (13) 3.6 保护杆的安装 (15) 3.7 CCD的安装 (16) 3.8 编码器的安装 (17) 3.9 检测起跑线光电管及加速度计陀螺仪的安装 (18) 第四章硬件系统设计 (19) 4.1 最小系统版 (20) 4.2 电源模块 (21) 4.3 CCD模块 (22) 4.4 驱动桥模块 (23) 4.5 车身姿态检测模块 (24) 4.7 测速模块 (24) 4.8 OLED液晶屏及按键、拨码 (25) 第5章程序设计 (27)
飞思卡尔智能车比赛细则
2016
目录
第十一届竞赛规则导读 参加过往届比赛的队员可以通过下面内容了解第十一届规则主要变化。如果第一次参加比赛，则建议对于本文进行全文阅读。 相对于前几届比赛规则，本届的规则主要变化包括有以下内容： 1.本届比赛新增了比赛组别，详细请参见正文中的图1和第四章的“比赛任务” 中的描述； 2.第十届电磁双车组对应今年的A1组：双车追逐组。其它组别与新组别的对应 关系请参见图2； 3.为了提高车模出界判罚的客观性，规则提出了两种方法：路肩法和感应铁丝 法，详细请见赛道边界判定”； 4.改变了原有的光电计时系统，所有赛题组均采用磁感应方法计时，详细请参 见“计时裁判系统”； 5.取消了第十届的发车灯塔控制的方式； 6.赛道元素进行了简化，详细请参见“赛道元素”； 7.赛道材质仍然为PVC耐磨塑胶地板，但赛题组A2不再需要赛道。 8.对于车模所使用的飞思卡尔公司MCU的种类、数量不再限制。 9.比赛时，每支参赛队伍的赛前准备时间仍然为20分钟，没有现场修车环节。
一、前言 智能车竞赛是从2006开始，由教育部高等教育司委托高等学校自动化类教学指导委员会举办的旨在加强学生实践、创新能力和培养团队精神的一项创意性科技竞赛。至今已经成功举办了十届。在继承和总结前十届比赛实践的基础上，竞赛组委会努力拓展新的竞赛内涵，设计新的竞赛内容，创造新的比赛模式，使得围绕该比赛所产生的竞赛生态环境得到进一步的发展。 为了实现竞赛的“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”的指导思想，竞赛内容设置需要能够面向大学本科阶段的学生和教学内容，同时又能够兼顾当今时代科技发展的新趋势。 第十一届比赛的题目在沿用原来根据车模识别赛道传感器种类进行划分的基础类组别之上，同时增加了以竞赛内容进行划分的提高类组别，并按照“分赛区普及，全国总决赛提高”的方式，将其中一个类别拓展出创意类组别。第十一届比赛的题目各组别分别如下： ●基础类包括B1光电组、B2摄像头组、B3电磁直立组、B4电轨组； ●提高类包括A1双车追逐组、A2信标越野组； ●创意类包括I1 电轨节能组。 图 1 不同组别，不同挑战度 每个组别在选用的车模、赛道识别方法、完成任务等方面存在差别，对于参赛选手不同学科知识和能力要求也不同，制作的挑战度也有较大的区别。相比较而言，
基于嵌入式STM32的飞思卡尔智能车设计
摘
要
飞思卡尔智能车大赛是面向全国大学生举办的应用型比赛， 旨在培养创新精 神、协作精神，提高工程实践能力的科技活动。大赛主要是要求小车自主循迹并 在最短时间内走完整个赛道。针对小车所安装传感器的不同，大赛分为光电组、 电磁组和摄像头组。 本文介绍了本院自动化系第一届大学生智能汽车竟赛的智能车系统。 包括总 体方案设计、机械结构设计、硬件电路设计、软件设计以及系统的调试与分析。 机械结构设计部分主要介绍了对车模的改进，以及舵机随动系统的机械结构。硬 件电路设计部分主要介绍了智能车系统的硬件电路设计， 包括原理图和 PCB 设计 智能车系统的软、 硬件结构及其开发流程。该智能车车模采用学校统一提供的飞 思卡尔车模，系统以 STM32F103C8T6 作为整个系统信息处理和控制命令的核心， 使用激光传感器检测道路信息使小车实现自主循迹的功能
关键字：飞思卡尔智能车STM32F103C8T6
激光传感器
第一章 概述
1.1 专业课程设计题目
基于嵌入式 STM32 的飞思卡尔智能车设计
1.2 专业课程设计的目的与内容
1.2.1 目的 让学生运用所学的计算机、传感器、电子电路、自动控制等知识，在老师的 指导下，结合飞思卡尔智能车的设计独立地开展自动化专业的综合设计与实验， 锻炼学生对实际问题的分析和解决能力，提高工程意识，为以后的毕业设计和今 后从事相关工作打下一定的基础。 1.2.2 内容 本次智能车大赛分为光电组和创新做，我们选择光电组小车完成循迹功能。 该智能车车模采用学校统一提供的飞思卡尔车模， 系统以 STM32F103C8T6 作为整 个系统信息处理和控制命令的核心，我们对系统进行了创造性的优化： 其一， 硬件上采用激光传感器的方案， 软件上采用 keil 开发环境进行调试、 算法、弯道预判。 其二，传感器可以随动跟线，提高了检测范围。 其三，独立设计了控制电路板，充分利用 STM32 单片机现有模块进行编程， 同时拨码开关、状态指示灯等方便了算法调试。
1.3 方案的研讨与制定
1.3.1传感器选择方案 方案一：选用红外管作为赛道信息采集传感器。 由于识别赛道主要是识别黑白两种不同的颜色， 而红外对管恰好就能实现区 分黑白的功能，当红外光照在白色KT板上时，由于赛道的漫反射作用，使得一部 分红外光能反射回来， 让接收管接的输出引脚的电压发生变化，通过采集这个电 压的变化情况来区分红外光点的位置情况，以达到区分赛道与底板的作用。 红外管的优点在于价格便宜，耐用；缺点却用很多：1、红外光线在自然环 境中，无论是室内还是室外均比较常见，就使得其抗干扰能力不强，容易受环境 变化的影响。2、调试不方面，由于红外光是不可见光，调试的时候需要采用比 较麻烦的方法来判断光电的位置。3、由于红外管光线的直线性不好，就使得红 外传感器所能准确的判断的最远距离比较小，也就是通常所说的前瞻不够远。
飞思卡尔智能车竞赛新手入门建议
每年都会有很多新人怀着满腔热情来做智能车，但其中的很多人很快就被耗光了热情和耐心而放弃。很多新人都不知道如何入手，总有些有劲无处使的感觉，觉得自己什么都不会，却又不知道该干什么。新人中存在的主要问题我总结了以下几点： l缺乏自信，有畏难情绪 作为新人，一切都是新的。没有设计过电路，没有接触过单片机，几乎什么都不会。有些新人听了两次课，看了两篇技术报告，就发现无数不懂不会的东西，于是热情在消退，信心在减弱。这些都是放弃的前兆。殊不知，高手都是从新人过来的，没有谁天生什么都会做。一件事件，如果还没开始做，就自己否定自己，认为自己做不到，那么肯定是做不到的。 l习惯了被动接收知识，丧失了主动学习的能力。 现在的学生大多从小习惯了被灌输知识，只学老师教的，只学老师考的。殊不知一旦走向社会，将不再有老师来教，不再有应付不完的考试。做智能车和传统的教学不同，学生将从被动学习的地位转变为主动学习。就算有指导老师，有指导的学长，但也都处于被动地位，往往都不会主动来教。有的学生一开始就没有转变思想，还希望就像实验课一样，老师安排好步骤1，2，3……，然后自己按照老师安排好的步骤按部就班的完成。这样的学生，往往都丧失了提出问题和分析问题的能力，只是一个应付考试的机器。要知道，解决问题的第一步是提出问题，如果总等着别人来教，那么问题永远会挡在你面前。 l缺乏团队精神和合作意识 智能车比赛是以团队的形式参赛，只依靠个人能力单兵作战就能取得好成绩的是很少很少的。当今社会，任何人的成功都离不开身后的团队的支撑。智能车是一个很复杂的系统，电路、机械、传感器、单片机、底层驱动、控制算法……。如果所有的任务都是一个人去完成，固然锻炼了自己，但想做的很好却很不现实。很多新人，来到实验室，来到一个陌生的环境和团队，连向学长请教，和同学交流的勇气都没有，又如何融入团队呢。除了要主动融入团队，还要培养自己的团队意识。团队精神往往表现为一种责任感，如果团队遇到问题，每个人都只顾自己，出了错误，不想着解决问题，而是互相推诿埋怨。这样的团队，肯定是无法取得好成绩的。 l缺乏耐心和细心的精神 其实把一件事做好很简单，细心加上耐心。不细心就想不到，没有耐心，即使想到了也做不到。做事怕麻烦，将就，说白了就是惰性在作祟。明明可以把支架做的更轻更漂亮，明明可以把程序写的更简洁，明明可以把电路设计得更完善……。其实，每个人都有很大潜力，如果不逼自己一次，你永远不知道自己的潜力有多
飞思卡尔杯智能车竞赛报告总结
1.1. 系统分析 智能车竞赛要求设计一辆以组委会提供车模为主体的可以自主寻线的模型车，最后成绩取决于单圈最快时间。因此智能车主要由三大系统组成：检测系统，控制系统，执行系统。其中检测系统用于检测道路信息及小车的运行状况。控制系统采用大赛组委会提供的16位单片机MC9S12XS128作为主控芯片，根据检测系统反馈的信息新局决定各控制量——速度与转角,执行系统根据单片机的命令控制舵机的转角和直流电机的转速。整体的流程如图1.1，检测系统采集路径信息，经过控制决策系统分析和判断，由执行系统控制直流电机给出合适的转速，同时控制舵机给出合适的转角，从而控制智能车稳定、快速地行驶。 图2.1 1.2. 系统设计 参赛小车将电感采集到的电压信号,经滤波,整流后输入到XS128单片机，用光电编码器获得实时车速，反馈到单片机，实现完全闭环控制。速度电机采用模糊控制，舵机采用PD控制，具体的参数由多次调试中获得。考滤到小车设计的综合性很强，涵盖了控制、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科领域，因此我们采用了模块化设计方法，小车的系统框图如图2.2。
第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图2.2 1.3. 整车外观 图2.3
1.4. 赛车的基本参数 智能车竞赛所使用的车模是东莞市博思公司生产的G768型车模，由大赛组委会统一提供，是一款带有摩擦式差速器后轮驱动的电动模型车。车模外观如图3.1。车模基本参数如表3.1。 图3.1 表3.1车模基本参数 1.5. 赛车前轮定位参数的选定
第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 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，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、主销内倾、车轮外倾和前束。模型车的前轮定位参数都允许作适当调整，故此我们将自身专业课所学的理论知识与实际调车中的赛车状况相结合，最终得出赛车匹配后的前轮参数[6]。 1.5.1. 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γ，如图3-2。模型车的主销后倾角可以设置为0、 2°?3°、 4°?6°，可以通过改变上横臂轴上的黄色垫片来调整，一共有四个垫片，前二后二时为0°，前一后三为2°?3°，四个全装后面时为4°?6°。 由于主销后倾角过大时会引起转向沉重，又因为比赛所用舵机特性偏软，所以不宜采用大的主销后倾角，以接近0°为好，即垫片宜安装采用前二后二的方式，以便增加其转向的灵活性。如图3.3。 图3.2 图3.3 1.5. 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β，如图3.4,它的作用也是使前轮自动回正。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，由于前轴与主销近似垂直的关系，故主销内倾角
飞思卡尔智能车电机资料
3.1.6驱动电机介绍 驱动电机采用直流伺服电机，我们在此选用的是RS-380SH型号的伺服电机，这是因为直流伺服电机具有优良的速度控制性能，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。在很多方面有优越性，具体来说，它具有以下优点: (1)具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。 (2)调速范围宽，高精度，机械特性及调节特性线性好，且运行速度平稳。 (3)具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。 (4)电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的 影响。 (5)可以长时间地处于停转状态而不会烧毁电机，一般电机不能长时间运行于 停转状态，电机长时间停转时，稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩，相应的电枢电流为连续堵转电流。 图3.1为该伺服电机的结构图。图3.2是此伺服电机的性能曲线。 图3.1 伺服电机的结构图
图3.2 伺服电机的性能曲线 3.1.7 舵机介绍 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图3.3所示。图3.4为舵机的控制线。
飞思卡尔智能车竞赛光电组技术报告
第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛光电组技术报告 学校：中北大学 伍名称：ARES 赛队员：贺彦兴 王志强 雷鸿 队教师：闫晓燕甄国涌
关于技术报告和研究论文使用授权的说明书本人完全了解第八届“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。 参赛队员签名： 带队教师签名： 日期：2014-09-15日
摘要 本文介绍了第九届“飞思卡尔杯全国大学生智能车大赛光电组中北大学参赛队伍整个系统核心采用飞思卡尔单片机MC9S12XS128MAA ，利用TSL1401线性CCD 对赛道的行扫描采集信息来引导智能小车的前进方向。机械系统设计包括前轮定位、方向转角调整，重心设计器件布局设计等。硬件系统设计包括线性CCD传感器安装调整，电机驱动电路，电源管理等模块的设计。软件上以经典的PID算法为主，辅以小规Bang-Bang 算法来控制智能车的转向和速度。在智能车系统设计开发过程中使用Altium Designer设计制作pcb电路板，CodeWarriorIDE作为软件开发平台，Nokia5110屏用来显示各实时参数信息并利用蓝牙通信模块和串口模块辅 助调试。关键字：智能车摄像头控制器算法。
目录 1绪论 (1) 1.1 竞赛背景 (1) 1.2国内外智能车辆发展状况 (1) 1.3 智能车大赛简介 (2) 1.4 第九届比赛规则简介 (2) 2智能车系统设计总述 (2) 2.1机械系统概述 (3) 2.2硬件系统概述 (5) 2.3软件系统概述 (6) 3智能车机械系统设计 (7) 3.1智能车的整体结构 (7) 3.2前轮定位 (7) 3.3智能车后轮减速齿轮机构调整 (8) 3.4传感器的安装 (8) 4智能车硬件系统设计 (8) 4.1XS128芯片介绍 (8) 4.2传感器板设计 (8) 4.2.1电磁传感器方案选择 (8) 4.2.2电源管理模 (9) 4.2.3电机驱动模块 (10) 4.2.4编码器 (11) 5智能车软件系统设 (11) 5.1程序概述 (11) 5.2采集传感器信息及处理 (11) 5.3计算赛道信息 (13) 5.4转向控制策略 (17) 5.5速度控制策略 (19) 6总结 (19)
第六届“飞思卡尔”全国大学生智能车全国赛比赛规则
第六届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛 比赛规则与赛场纪律 参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术报告、制作工程质量评分为辅来决定。大赛根据车模检测路径方案不同分为电磁、光电与摄像头三个赛题组。车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测的属于电磁组；车模通过采集赛道图像（一维、二维）进行进行路经检测的属于摄像头组；车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路经检测的属于光电组。 竞赛秘书处制定如下比赛规则适用于各分赛区预赛以及全国总决赛，在实际可操作性基础上力求公正与公平。 一、器材限制规定 1. 须采用统一指定的车模。本届比赛指定采用三种车模，分别用于三个 赛题组： 编 号车模外观和规格 赛 题 组 供 应 厂 商 A 型车模 光 电 组 东 莞 市 博 思 电 子 数 码 科 技 有 限 公 司
车模：G768 电机：RS380-ST/3545， 舵机：FUTABA3010 B 型 车 模 车模型号 电机：540，伺服器：S-A6 电 磁 组 北 京 科 宇 通 博 科 技 有 限 公 司 C 型 车 模 车模型号：N286 电机：RN260-CN 38-18130 伺服器：FUTABA3010 摄 像 头 组 东 莞 市 博 思 电 子 数 码 科 技 有 限 公 司 细节及改动限制见附件一。
飞思卡尔项目书
飞思卡尔智能车比赛项目 参赛时间：2011.7.16 — 2011.7.20 赛前准备时间：2010.7 ---2011.7 飞思卡尔智能车比赛简介： 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[2005]201号文，附件1)，由教育部高等学校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。该竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。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设计、规范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，力求向健康、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[2007]30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。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与”的16字方针，充分调动各方面参与的积极性。 全国大学生智能汽车竞赛一般在每年的10月份公布次年竞赛的题目和组织方式，并开始接受报名，次年的3月份进行相关技术培训，7月份进行分赛区竞赛，8月份进行全国总决赛。 飞思卡尔智能车比赛技术要求：
飞思卡尔智能车设计报告
飞思卡尔智能车设计报告
目录 1.摘要 (3) 2.关键字 (3) 3.系统整体功能模块 (3) 4.电源模块设计 (4) 5.驱动电路设计 (4) 6.干簧管设计 (5) 7.传感器模块设计 (6) 8.传感器布局 (6) 9.软件设计 (7) 9.1控制算法 (7) 9.2软件系统实现（流程图） (10) 10.总结 (11) 11.参考文献 (12)
1.摘要 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛是由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的一项以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。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。该竞赛以汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的科技创意性比赛。 本文介绍了飞思卡尔电磁组智能车系统。本智能车系统是以飞思卡尔32 位单片机K60为核心，用电感检测赛道导线激发的电磁信号， AD 采样获得当前传感器在赛道上的位置信息，通过控制舵机来改变车的转向，用增量式PID进行电机控制，用编码器来检测小车的速度，共同完成智能车的控制。 2.关键字 电磁、k60、AD、PID、电机、舵机 3.系统整体功能模块 系统整体功能结构图
4.电源模块设计 电源是一个系统正常工作的基础，电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。模型车系统中接受供电的部分包括：传感器模块、单片机模块、电机驱动模块、伺服电机模块等。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、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7.2V，2A/h的可充电镍镉电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电流容量各不相同，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。 电源模块由若干相互独立的稳压电源电路组成。在本系统中，除了电机驱动模块的电源是直接取自电池外，其余各模块的工作电压都需要经电源管理芯片来实现。 由于智能车使用7.2V镍镉电池供电，在小车行进过程中电池电压会有所下降，故使用低压差电源管理芯片LM2940。LM2940是一款低压稳压芯片，能提供5V的固定电压输出。LM2940低压差稳压芯片克服了早期稳压芯片的缺点。与其它的稳压芯片一样，LM2940需要外接一个输出电容来保持输出的稳定性。出于稳定性考虑，需要在稳压输出端和地之间接一个47uF低等效电阻的电容器。 舵机的工作电压是6伏，采用的是LM7806。 K60单片机和5110液晶显示器需要3.3伏供电，采用的是LM1117。 5.驱动电路设计 驱动电路采用英飞凌的BTS7960，通态电阻只有16mΩ，驱动电流可达43A，具有过压、过流、过温保护功能，输入PWM频率可达到25KHz，电源电压5.5V--27.5V。BTS7960是半桥驱动，实际使用中要求电机可以正反转，故使用两片接成全桥驱动。如图下图所示。
飞思卡尔智能车比赛个人经验总结
先静下心来看几篇技术报告，可以是几个人一起看，边看边讨论，大致了解智能车制作的过程及所要完成的任务。 看完报告之后，对智能车也有了大概的了解，其实总结起来，要完成的任务也很简单，即输入模块——控制——输出。 （1）输入模块：各种传感器（光电，电磁，摄像头），原理不同，但功能都一样，都是用来采集赛道的信息。这里面就包含各种传感器的原理，选用，传感器电路的连接，还有传感器的安装、传感器的抗干扰等等需要大家去解决的问题。 （2）控制模块：传感器得到了我们想要的信息，进行相应的AD转换后，就把它输入到单片机中，单片机负责对信息的处理，如除噪，筛选合适的点等等，然后对不同的赛道信息做出相应的控制，这也是智能车制作过程中最为艰难的过程，要想出一个可行而又高效的算法，确实不是一件容易的事。这里面就涉及到单片机的知识、C语言知识和一定的控制算法，有时为了更直观地动态控制，还得加入串口发送和接收程序等等。 （3）输出模块：好的算法，只有通过实验证明才能算是真正的好算法。经过分析控制，单片机做出了相应的判断，就得把控制信号输出给电机（控制速度）和舵机（控制方向），所以就得对电机和舵机模块进行学习和掌握，还有实现精确有效地控制，又得加入闭环控制，PID算法。 明确了任务后，也有了较为清晰的控制思路，接下来就着手弄懂每一个模块。虽然看似简单，但实现起来非常得不容易，这里面要求掌握电路的知识，基本的机械硬件结构知识和单片机、编程等计算机知识。最最困难的是，在做的过程中会遇到很多想得到以及想不到的事情发生，一定得细心地发现问题，并想办法解决这些问题。 兴趣是首要的，除此之外，一定要花充足的时间和精力在上面，毕竟，有付出就会有收获，最后要明确分工和规划好进度。
飞思卡尔智能车竞赛策略和比赛方案综述
飞思卡尔智能车竞赛策略和比赛方案综述 一、竞赛简介 起源： “飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。因而该竞赛是涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的比赛。 该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，自2006年首届举办以来，成功举办了五届，得到了教育部吴启迪副部长、张尧学司长及理工处领导、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200余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年第三届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9个科技人文竞赛之一（教高函[2007]30号文，附件2），2009年第四届被邀申请列入国家教学质量与教学改革工程资助项目。 分赛区、决赛区比赛规则 在分赛区、决赛区进行现场比赛规则相同，都分为初赛与决赛两个阶段。在计算比赛成绩时，分赛区只是通过比赛单圈最短时间进行评比。决赛区比赛时，还需结合技术报告分数综合评定。 1．初赛与决赛规则 1）初赛规则 比赛场中有两个相同的赛道。 参赛队通过抽签平均分为两组，并以抽签形式决定组内比赛次序。比赛分为两轮，两组同时在两个赛道上进行比赛，一轮比赛完毕后，两组交换场地，再进行第二轮比赛。在每轮比赛中，每辆赛车在赛道上连续跑两圈，以计时起始线为计时点，以用时短的一圈计单轮成绩；每辆赛车以在两个单轮成绩中的较好成绩为赛车成绩；计时由电子计时器完成并实时在屏幕显示。 从两组比赛队中，选取成绩最好的25支队晋级决赛。技术评判组将对全部晋级的赛车进行现场技术检查，如有违反器材限制规定的（指本规则之第一条）当时取消决赛资格，由后备首名晋级代替；由裁判组申报组委会执委会批准公布决赛名单。 初赛结束后，车模放置在规定区域，由组委会暂时保管。
全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛
第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛 竞速比赛规则与赛场纪律 参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位、32位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分（省）赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间来决定，参加全国总决赛的队伍同时必须提交车膜技术报告。大赛根据车模检测路径方案不同分为电磁、光电与摄像头三个赛题组。车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测的属于电磁组；车模通过采集赛道图像（一维、二维）或者连续扫描赛道反射点的方式进行进行路经检测的属于摄像头组；车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路经检测的属于光电组。 竞赛秘书处制定如下比赛规则适用于各分（省）赛区预赛以及全国总决赛，在实际可操作性基础上力求公正与公平。 一、器材限制规定 编 号 车模外观和规格赛题组供应厂商A 型 车 模 车模：G768 电机：RS380-ST/3545，摄像头 组 东莞市博 思电子数 码科技有 限公司
舵机：FUTABA3010 B 型 车 模 车模型号 电机：540，伺服器：S-D6光电组 北京科宇 通博科技 有限公司 C 型 车 模 车模型号：N286 电机：RN260-CN 38-18130 伺服器：FUTABA3010电磁组 东莞市博 思电子数 码科技有 限公司 各赛题组车模运行规则： a)光电组，摄像头组：车模正常运行。 车模使用A型车模（摄像头组）、B型车模（光电组）。车模运行方向为，转向轮在前，动力轮在后。如图1所示：
(毕业设计)飞思卡尔智能车及机器视觉
图像处理在智能车路径识别中的应用 摘要 机器视觉技术在智能车中得到了广泛的应用，这项技术在智能车的路径识别、障碍物判断中起着重要作用。基于此，依据飞思卡尔小车的硬件架构,研究机器视觉技术应用于飞思卡尔小车。飞思卡尔智能车处理器采用了MC9S12XS128芯片，路况采集使用的是数字摄像头OV7620。 由于飞思卡尔智能车是是一款竞速小车，因此图像采集和处理要协调准确性和快速性，需要找到其中的最优控制。因此本设计主要需要完成的任务是：怎样用摄像头准确的采集每一场的图像，然后怎样进行二值化处理；以及怎样对图像进行去噪处理；最后也就是本设计的难点也是设计的核心，怎样对小车的轨迹进行补线。 本设计的先进性，在众多的图像处理技术中找到了适合飞思卡尔智能车的图像处理方法。充分发挥了摄像头的有点。经过小车的实际测试以及相关的MATLAB 仿真，最终相关设计内容都基本满足要求。小车的稳定性和快速性得到显著提高。 关键词：OV7620，视频采集，图像处理，二值化
The Application of Image Processing in the Recognition of Intelligent Vehicle Path ABSTRACT CameraMachine vision technology in the smart car in a wide range of applications, the technology identified in the path of the smart car, and plays an important role in the obstacles to judge. Based on this, based on the architecture of the Freescale car, machine vision technology used in the Freescale car. Freescale smart car the processor MC9S12XS128 chip traffic collected using a digital camera OV7620. Freescale's Smart car is a racing car, so the image acquisition and processing to coordinate the accuracy and fast, you need to find the optimal control. This design need to complete the task: how to use the camera to accurately capture every image, and then how to binarization processing; and how to image denoising; last is the difficulty of this design is the design of the core, how to fill line on the trajectory of the car. The advanced nature of the design found in many image processing techniques of image processing methods for Freescale Smart Car. Give full play to the camera a bit. The actual testing of the car and MATLAB simulation, the final design content can basically meet the requirements. The car's stability and fast to get improved significantly. KEY WORDS:OV7620，Video Capture，PictureProcessing，Binarization
飞思卡尔智能车程序
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飞思卡尔智能车竞赛摄像头组——技术报告 精品
"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛 技术报告
关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第八届"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。 参赛队员签名：孟泽民 章志诚 徐晋鸿 带队教师签名：陈朋 朱威 日期：2013.8.15
摘要 本文设计的智能车系统以MK60N512ZVLQ10微控制器为核心控制单元，通过Ov7620数字摄像头检测赛道信息，使用K60的DMA模块采集图像，采用动态阈值算法对图像进行二值化，提取黑色引导线，用于赛道识别；通过编码器检测模型车的实时速度，使用PID 控制算法调节驱动电机的转速和转向舵机的角度，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。为了提高模型车的速度并让其更稳定，我们使用自主编写的Labview上位机、SD卡模块、无线模块等调试工具，进行了大量硬件与软件测试。实验结果表明，该系统设计方案可行。 关键词：MK60N512VMD100，Ov7620，DMA，PID，Labview，SD卡
Abstract In this paper we will design a smart car system based on MK60N512ZVLQ10 as the micro-controller unit. We use a Ov7620 digital image camera to obtain lane image information. The MCU gets the image by its DMA module. Then convert the original image into the binary image by using dynamic threshold algorithm in order to extract black guide line for track identification. An inferred sensor is used to measure the car`s moving speed. We use PID control method to adjust the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor，to achieve the closed-loop control for the speed and direction. To increase the speed of the car and make it more reliable，a great number of the hardware and software tests are carried on and the advantages and disadvantages of the different schemes are compared by using the Labview simulation platform designed by ourselves，the SD card module and the wireless module. The results indicate that our design scheme of the smart car system is feasible. Keywords: MK60N512VMD100，DMA，Ov7620，PID，Labview，SD card
(完整版)飞思卡尔智能车光电组技术报告
第十届全国大学生“飞思卡尔”杯华 北赛 智能汽车竞赛 技术报告 目录 目录 (1) 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) 1.3 小结 (2) 第二章智能汽车机械结构调整与优化 (3) 2.1智能汽车车体机械建模 (3) 2.2 智能汽车传感器的安装 (4) 2.2.1速度传感器的安装 (4) 1
2.2.2 线形CCD的安装 (5) 2.2.3车模倾角传感器 (5) 2.3重心高度调整 (5) 2.3.1 电路板的安装 (6) 2.3.2 电池安放 (6) 2.4 其他机械结构的调整 (6) 2.5 小结 (6) 第三章智能汽车硬件电路设计 (7) 3.1主控板设计 (7) 3.1.1电源管理模块 (7) 3.1.2 电机驱动模块 (8) 3.1.3 接口模块 (9) 3.2智能汽车传感器 (10) 3.2.1 线性CCD传感器 (10) 3.2.2 陀螺仪 (10) 3.2.3 加速度传感器 ...............................................................错误!未定义书签。 3.2.3 编码器 (11) 3.3 键盘，数码管..........................................................................错误!未定义书签。 3.4液晶屏 (12) 3.5 小结 (12) 第四章智能汽车控制软件设计 (13) 4.1线性CCD传感器路径精确识别技术 (13) 4.1.1新型传感器路径识别状态分析 (14)