西安交通大学-天启队技术报告

第六届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技 术 报 告

学 校： 西安交通大学

队伍名称： 天启队

参赛队员： 邓鹏

刘晓敏

王森

带队教师： 昝鑫 刘小勇

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： 邓鹏

刘晓敏 王森

带队教师签名： 昝鑫 刘小勇

日 期：2011年8月14日

摘 要

智能车，作为一类移动机器人，是一个集成了环境感知，规划决策和自动驾驶多种功能的综合系统。本文以第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车比赛为背景，设计并实现了一种基于激光传感器的，能在规定跑道上自动寻线行驶的智能车系统。

该系统主要由主控模块，传感器模块，电源模块和执行机构模块组成，使用飞思卡尔公司的16 位单片机MC9S12XS128 作为控制核心，采用分立的激光管制作的激光传感器实时采集道路信息，通过程序控制伺服舵机与驱动电机来实现对转向和速度的控制。

本文从硬件电路设计，机械结构调整以及算法设计与实现三个方面详细叙述了智能模型车系统的设计与实现方法，并介绍了用于调试的工具与软件。经测试，目前智能车能以3m/s的平均速度在较为复杂的赛道上稳定运行。实验表明，我们设计的智能车系统稳定性较强，硬件稳定可靠。算法具有响应快，超调小，鲁棒性强等特点，达到了预期目标。

关 键 词：智能车；激光传感器；MC9S12XS128；PID 控制

目 录

第一章 引言 .......................................................................................................... 1

1.1 竞赛背景 ............................................................................................................ 1

1.2 文章主要内容 .................................................................................................... 1

1.3 文章结构安排 .................................................................................................... 2

第二章 总体方案设计 .......................................................................................... 3

2.1 总体方案选择 .................................................................................................... 3

2.2 总体结构设计 .................................................................................................... 3

2.2.1 主控模块 ..................................................................................................... 4

2.2.2 传感器模块 ................................................................................................. 4

2.2.3 电源模块 ..................................................................................................... 6

2.2.4 执行模块 ..................................................................................................... 7

2.3 本章小结 ............................................................................................................ 7

第三章 硬件电路设计与实现 .............................................................................. 8

3.1 最小系统板接口电路 ........................................................................................ 8

3.2 电源设计 .......................................................................................................... 10

3.2.1 系统5V电源 ............................................................................................ 10

3.2.2 慢启动保护电路 ....................................................................................... 11

3.3 传感器设计 ...................................................................................................... 13

3.3.1 分时发射电路 ........................................................................................... 13

3.3.2 传感器布局 ............................................................................................... 15

3.4 电机驱动电路 .................................................................................................. 15

3.5 编码器测速 ...................................................................................................... 17

3.6 本章小结 .......................................................................................................... 18

第四章 机械结构调整 ........................................................................................ 19

4.1 机械布局调整 .................................................................................................. 19

4.1.1 重心调整 ................................................................................................... 20

4.1.2 激光传感器安装 ....................................................................................... 21

4.1.3 电路板的安装 ........................................................................................... 22

4.2 转向机构调整 .................................................................................................. 22

4.2.1 车辆的转向特性 ....................................................................................... 22

4.2.2 转向舵机安装 ........................................................................................... 24

4.2.3 机械差速调节 ........................................................................................... 25

4.3 前轮定位调整 .................................................................................................. 26

4.3.1 主销后倾角 ............................................................................................... 26

4.3.2 主销内倾角 ............................................................................................... 26

4.3.3 车轮外倾角 ............................................................................................... 27

4.3.4 前轮前束 ................................................................................................... 27

4.4 轮胎选用 .......................................................................................................... 28

4.5 减震机构调节 .................................................................................................. 28

4.6 本章小结 .......................................................................................................... 28

第五章 算法及程序设计 .................................................................................... 29

5.1 控制算法选择 .................................................................................................. 29

5.1.1 数字PID控制 ........................................................................................... 30

5.1.2 Bang-Bang控制 ......................................................................................... 32

5.2 寻线算法设计 .................................................................................................. 32

5.2.1 改进的被动寻线算法 ............................................................................... 32

5.2.2 坡道处理 ................................................................................................... 35

5.2.3 虚线路径处理 ........................................................................................... 36

5.3 速度控制 .......................................................................................................... 37

5.3.1 算法设计 ................................................................................................... 38

5.3.2 电机驱动 ................................................................................................... 40

5.3.3 刹车控制 ................................................................................................... 40

5.3.4 测速程序 ................................................................................................... 41

5.4 转向控制 .......................................................................................................... 42

5.4.1 激光传感器控制转向 ............................................................................... 43

5.4.2 转向与速度的关联 ................................................................................... 46

5.5 程序总体框架 .................................................................................................. 48

5.6 本章小结 .......................................................................................................... 49

第六章 系统调试与运行 .................................................................................... 50

6.1 开发与调试软件 .............................................................................................. 50

6.2 数据记录及分析 .............................................................................................. 51

6.2.1 SD数据记录 .............................................................................................. 51

6.2.2 录像记录 ................................................................................................... 53

6.3 赛道制作 .......................................................................................................... 54

第七章 总结与致谢 ............................................................................................ 55 参考文献 ....................................................................................................................... I 附录A

附录B

附录C

模型车技术参数统计 ............................................................................ III 电路原理图 ........................................................................................... IV 程序代码 ............................................................................................... VI

第一章 引言

移动机器人技术是机器人学科中的重要分支之一，近年来，诸多具有创新和挑战性的课题不断在这一领域提出。智能车辆，是一种移动轮式机器人，它集中运用了现代传感、信息融合、计算机、通讯、自动控制及人工智能等多种技术，是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。目前，作为智能交通系统(ITS)中的重要组成部分，智能车辆技术已经成为该领域中的研究热点。

1.1 竞赛背景

“飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛是由教育部批准并委托教育部高等学校自动化教学指导分委员会主办，飞思卡尔（中国）公司(原Motorola公司半导体事业部)协办，面向全国大学生的重要科技创新赛事。该竞赛融合了模式识别、电子电气、机械、传感技术、计算机、自动控制等多个学科知识，具有趣味性、科学性、观赏性、创新性等特点。竞赛的宗旨是培养大学生科研探索与团队合作的能力，在工程实践中，能理论联系实际地解决实际问题。

根据“教育部、财政部关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的通知”的安排，教育部已批准全国大学生智能汽车竞赛为九个受资助的大学生竞赛项目之一，与电子设计、机械设计、数学建模、结构设计一起组成教育部正式承认的五大大学生竞赛项目。在已经成功举办五届比赛的基础上，飞思卡尔半导体公司希望进一步推动这一赛事在整个亚太区的开展，让智能车竞赛走向国际化。

1.2 文章主要内容

（1）制定系统总体方案，包括硬件系统和软件系统的方案设计，兼顾实现的可行性和系统的稳定性。

（2）硬件平台的搭建。自行设计并实现主控系统电路、传感器电路、电机驱动电路、电源模块电路等，并使用Protel DXP软件绘制PCB电路；同时参考汽车动力学知识，设计出合理的机械结构。

其中，电路部分在设计激光传感器时，采用了慢启动保护电路，有利于延长传感器的使用寿命，减小潜在的硬件损坏风险，具体设计将在第三章中阐

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述。

（3）算法的设计与实现。在已搭建硬件平台上，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元，自行设计寻线以及控制算法，在Codewarrior IDE编译环境中编程，实现对舵机转向和电机转速的控制。

智能小车的寻线采用了被动寻线的方式，通过特殊情况下的“出界处理”，克服了被动寻线存在的冲出赛道的问题。实际表明，该寻线算法能有效改善主动寻线方式存在的易发生振荡、摆动的问题。

设计控制算法时，考虑到使用的单片机自身不包括模糊运算指令，所以未直接使用程序实现模糊运算，减少可能存在的执行效率的问题。实际控制采用分段PID控制的算法来对小车的速度及转向进行控制。实验证明此算法具有很好的鲁棒性，具体参见5.1节。

（4）智能模型车的调试与运行。借助于SD卡记录数据，采集运行中的模型车参数，并编写上位机程序对数据进行分析，不断修正参数和程序来提高小车的速度与稳定性。

实际调试过程中，除了用SD卡采集底层数据进行分析外，也可采用摄像机拍摄小车在跑道上的实际运行过程，进行慢镜头回放，可辅助排查运行故障，分析并改进算法，从而优化控制效果。

1.3 文章结构安排

本技术报告共七章，包括小车的总体结构设计、软硬件设计，以及控制算法研究等。其中，第一章为引言，主要介绍竞赛相关背景及文章结构，第二章主要介绍了小车的总体设计，第三章对小车的硬件电路设计进行了详细的介绍，第四章则主要介绍了对车模机械结构的设计与改造，然后，第五章阐述了小车的控制算法设计及软件实现，第六章介绍了调试工具及调试方法，第七章主要为结论与展望。最后，附录A为模型车的主要技术参数，附录B为模型车的电路原理图，附录C为实现控制的程序代码。

第二章 总体方案设计

今年的智能车竞赛是第六届，其规则基本上与第五届规则相同，不同处是本届比赛增加了虚线赛道，这对于光电组智能车的稳定性是一个考验。所以在设计总体方案时，要充分考虑方案的科学性，可行性及稳定性。

2.1 总体方案选择

总体方案采用飞思卡尔的16 位微控制器MC9S12XS128 作为核心控制器。并使用独立的激光管制作的激光传感器来采集赛道信息，通过外围接口电路，将信息传递给单片机处理。单片机内部烧写有控制程序，所以在分析处理信息后，通过发出PWM波驱动伺服舵机和电机来实现转向与速度的控制。通过单片机采集编码器电路在后轮产生的转速脉冲，从而计算出速度可实现速度的闭环控制。此外，方案中还增加了旋钮及LED（Light Emitting Diode）显示屏作为输入输出设备。

2.2 总体结构设计

图 2-1 系统总体结构框图 可将智能模型车系统分为电源模块、主控模块、传感器模块、执行模块等子系统。实际设计过程中，每一个模块都涉及到了机械结构（安装），硬件电路以及程序算法三个方面。

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2.2.1 主控模块

作为整个智能车的“大脑”，主控模块包括信息处理和控制模块，其核心是MCU，即MC9S12XS128单片机。该模块采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，从而驱动直流电机和伺服电机完成对智能车的控制。

主控模块电路的设计要尽量简洁实用，安装时注意单片机的安装位置，不要过于靠近电机驱动部分，并且离地面高度不能过小，避免电机大流和跑道静电对单片机造成干扰引起复位。

该模块中还包含了旋钮和LED显示屏，其中按键用于调节小车的工作模式，同时也用于调节小车行驶时所需的一些参数，并由LED显示，从而使整个小车系统更具人性化。

2.2.2 传感器模块

在该模块中包括有速度信息采集和位置信息采集两个子模块，分别采集小车当前的位置信息和速度信息，并将采集到的信息传给MCU。

（1）激光传感器

比赛组委会要求传感器个数最多为16个，除掉1个转速传感器，可用于探测路径的传感器为15个，而传感器允许布置的总宽度为25cm。从理论角度看，模拟式光电传感器能获得更高的精度的路径信息。

模拟式光电传感器，如红外传感器，是在锥角一定的圆锥形空间内发射和接受光电信息的。传感器与赛道黑线之间的的水平距离越近，则对应电压越低，反之，电压越高(也跟选用的光电传感器及其离地高度有关)，但是模拟式光电传感器易受外界干扰，并且前瞻小，限制了小车高速行驶。如果采用传统数字式光电传感器均匀分布，对道路的探测精度只能达到17mm左右，这样赛车在前进过程中很难达到很高的控制精度和响应速度。从本质上讲，数字式光电传感器的劣势就在于它丢掉了路径探测中的大量信息[9]。

近年来，在采用以激光传感器为主的数字式光电传感器的同时，出现了传感器摇头方案，即随着小车在跑道上行驶，激光传感器可随动于小车的转向，这样就有效的克服了数字式光电传感器丢失赛道信息的问题。同时，激光传感器的前瞻距离远，抗干扰性强，可调制发射激光，反射效果好。纵观往届竞赛

第二章总体方案设计

成绩，光电组的速度几乎可以与摄像头组相媲美。

图 2-2 激光收发原理

（a）黑色路面激光反射 （b）白色路面激光反射

图 2-3 激光在不同路面的反射情况

本文使用了激光管自制的传感器获取道路信息，可以通过一定的前瞻性，按照图 2-2所示原理，由激光管发射出激光，由于导航黑线上的激光反射能力较弱，接收管不能接收到反射光线，造成了如图 2-2（b）所示的各区域内采集值的0-1差异（黑线上为0），从而提前感知前方的赛道信息。

实际设计制作激光传感器的时候，采取了1个接收管对应4个激光管的方式。一共使用了20个激光头，5个接收管，为了实现一对四的接受方案，采取了分时发射的方法，具体将在3.3.1节中介绍分时发射电路和点亮算法。

（2）测速传感器

智能车的实时速度值由后轮上的编码器获得，编码器采集车轮转速，通过调理电路输出脉冲信号，单片机通过其内部的计数模块捕捉到脉冲信号，由控制程序计算并调节PWM波的占空比，控制车速度。编码器电路及测速程序将在3.5节和5.2.4节中具体阐述。

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2.2.3 电源模块

图 2-4 系统供电示意图

如图 2-4，智能小车系统使用开关稳压电源芯片AS1015为单片机和编码器提供5V电源，激光传感器使用LM317进行供电，摇头舵机使用了AS1015进行调压。转向舵机S3010的工作电压标称在4-6V 之间，但经过试验发现，其在8V 电压下仍可以稳定工作，而且响应速度更快。所以可将电池电压通过两个二极管串联后为转向舵机供电。电池充满时的实际电压能达到9V左右，经两个二极管压降后，电压为7.6V，可以直接为转向舵机供电。

图 2-5 镍镉电池放电曲线

放电曲线（在3A的大电流放电条件下得到的结果）

电压：1.2×6=7.2 v 容量：2000mAh

第二章总体方案设计

系统的总电源是大赛提供的7.2V，2000mA Ni-Cd（镍-镉）充电电池，它直接给直流电机供电。如图 2-5，电池在大电流条件下放电会导致电压不断的降低。由于整个系统通过同一块电池进行供电，在小车高速行驶时，电机转动会消耗大量的电力，在舵机转角较大时，电池的总电压会瞬间拉低，此时，电源模块应为主控系统提供足够的电压（5V），防止单片机复位造成系统重启。本文使用了新型开关稳压电源芯片AS1015，在大电流和大压差下具有很好的性能。

2.2.4 执行模块

该模块包括电机和舵机驱动，直接表现为速度控制与转向控制。激光传感器将采集到的赛道黑线信息传入MCU，MCU对信号进行处理后，由PWM发生模块发出四路PWM波，分别对转向主舵机，传感器摇头舵机电机（需要两路PWM波）进行控制，完成智能车的转向，前进，制动的功能。

执行模块是智能小车的速度和转向控制的执行者，该模块需要由主控模块的算法程序提供控制信号，通过电机和舵机来实现速度闭环控制和转向闭环控制。

2.3 本章小结

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。在实际系统的设计与实现过程中，每一个功能模块都是由硬件与软件共同实现。整车硬件系统，软件系统以及机械结构组成了整个智能模型车系统。在后续的章节中，将从硬件设计，机械结构调整和算法设计与实现三个方面对智能模型车系统的设计及实现进行详细介绍。

第三章 硬件电路设计与实现

硬件电路主要包括了最小系统板接口电路，电源电路，激光传感器电路，信号调理电路，电机驱动电路，编码器电路等几个部分。

3.1 最小系统板接口电路

图 3-1 MC9S12XS128引脚图（80pin）

本文研究所用单片机MC9S12XS128 是飞思卡尔公司推出的S12 系列单片机中的一款增强型16 位单片机[3, 4]，引脚分配见图 3-1。在设计最小系统电路时要注意几个问题[5, 6]。首先是避免电源噪声，减小其对单片机的冲击，从而避免系统复位；其次是要注意包含高频信号的线路对周围电路的影响，尽量分散布线或者加以屏蔽，屏蔽方式可以通过在其背面或两边布置大面积的地来实现。最后，时钟电路的选择与布置要特别注意，避免大的电场对晶振的干扰，

第三章硬件电路设计与实现

保证内部时钟的稳定。在设计中，要时刻注意这些问题，尽量使用官方提供DATASHEET上推荐的布置方式，保证最小系统稳定工作。为了保证最小系统板的电磁稳定性，我们直接使用组委会提供的核心MCU电路板进行二次开发。

图 3-2 最小系统板接口板电路原理图

单片机的接口板主要实现最小系统板的引脚引出的作用，将实际用到的引脚引出到合适的位置。具体的引脚分配应与程序中的使用相匹配，如表 3-1所示。 表 3-1 MC9S12XS128单片机接口分配表

接口类型

输出

输入

输出

输出

输入

输入

输入

PWM

PWM

PWM

外部中断 接口名称 PA0~PA4 PA5~PA7，PJ6,PJ7 PS0~PS3 PB0~7 AD0 PM1 PM0 P3 P4，P5 P1 PT0 接口用途 激光分时发射控制 激光接收 LED使能控制 LED显示 参数调整输入 测试选择按钮 启动开关输入 控制传感器摇头舵机 控制左右马达 控制转向舵机 测速编码器的中断输入位

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实际设计时，应充分考虑所用车模的机械布局，将对应的引脚引出到合适的位置，方便最终进行组装。

3.2 电源设计

3.2.1 系统5V电源

5V 电源模块用于为最小系统板、传感器模块等供电。常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2940、7805 等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575 等）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。 表 3-2 各种5V稳压芯片特点比较

序号 1

2

3

4

5

6

7 8 芯片型号 LM7805 LM317 LM350 LM1117 LM2575 LM2576 LM2940 AS1015 特点 串联稳压，输入电压需大于7V 负载1.5A，输出电压可调，调节方便 负载3A，输出电压可调，负载电流大 负载800mA，压差可小于1.2V 负载1A，开关稳压，输入需6.5V 负载3A，开关稳压，输入需6.5V 负载1A，串联稳压，压差可小于0.5V 负载5A，输出电压可调，输入范围宽：3.6-20V

由表 3-2可知，如果从带负载能力角度来看，AS1015的带载能力最强， 该芯片采用了P-MOSFET结构，功耗小，输入输出压差可以为0。特别适合用电池/电瓶供电的设备，在较低电压下仍然可以提供较高的电压。电流最高可达5A，输入输出压差可以为0。

在调试过程中我们发现智能车在出弯直道变速时电池电压会急剧下降。经实验，空载加速至85%占空比时电池电压会在瞬间急剧下降至6V左右，并持续若干毫秒，带载情况甚至更低。在这种低电压的情况下如果采用普通的三端稳压电源芯片或开关电源，其输入电压将小于最小输入电压，此时输出为零。如此以来，如果在出弯时刻舵机输入电压为零，将会引起舵机复位或无输出力矩，导致智能车冲出跑道。

因此，电源模块使用了新型可调开关电源AS1015，对单片机进行5V供电；同时摇头舵机可根据实际舵机特性，调节电压。如图 3-3，输出电压

第三章硬件电路设计与实现

VOUT=VFB*(1+R3/R4)，调节R3的阻值可以调节输出电压，5V电压以及摇头舵机的电压均可采用此方案。

图 3-3 AS1015稳压电源设计

3.2.2 慢启动保护电路

瞬时的电流突变,容易使半导体激光器两端面腔镜产生损伤，从而造成激光器永久性损坏[7]。针对激光二极管对电流很敏感，对电冲击的承受能力差的特性，采用线性稳压电源LM317制作了慢启动保护电路，使电流由0V缓慢地上升到额定的电压值，防止浪涌击穿激光二极管，电路如图 3-4所示。LM317 为输出可调三端稳压管，可改变 R 阻值调节输出电压：

Vout 1.25 (1 R1) Iadj R2 R2 (3-1)

系统上电后， C3 上的电压不能突变，所以Q1 饱和导通，则 Rw 短路，Vout 输出约为 1.5V的初始电压值。随着 C3 两端电压升高，Q 逐渐退出饱和区进入趋于截止的状态，此时，Rw 上的电压逐渐增大， Vout也逐渐升高，直到 C3充电完闭，Q1 出现截止时，输出电压 Uout才能达到预定值。改变 C3 、R2的常数可调整慢启动的上升时间，D1 用于断电后使C3 上电荷快速泄放。

电阻R1 选用较小的阻值，确保 LM317 有5mA 以上的输出电流。Rw选用 10K 欧姆的精密电位器。当R2=360Ω ，可输出为 5V 典型值，微调 R2 可调节输出电压的大小。

由于大电容和电感的存，以及外加接地的大电容，关闭电源后，激光传感器上的电流将延后一定的时间才降到零。采用慢启动保护电路后，在工作过程

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