第五届飞思卡尔杯智能汽车竞赛决赛南京理工大学南理工电磁1队技

第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技 术 报 告

学 校：南京理工大学 队伍名称：南理工电磁1队 参赛队员：王苏华 金龙 刘智君

带队教师：吴益飞、郭健

第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第五届“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：王苏华 金龙 刘智君 带队教师签名：吴益飞 郭健 日 期：2010.8.10

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第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告

目 录

摘 要 ............................................................. IV 第一章 引言 ........................................................ 1 1.1 课题研究背景及意义 ............................................ 1 1.2 智能车发展概况 ................................................ 1 1.3 智能车主要关键技术 ............................................ 3

1.3.1 车辆定位技术 ................................................................................................... 3 1.3.2 车辆控制技术 ................................................................................................... 4

1.4 “飞思卡尔”智能车比赛简介 .................................... 4 1.5 本文主要研究内容 .............................................. 5 第二章 智能车总体设计 .............................................. 7 2.1 系统需求分析 .................................................. 7 2.2 系统总体组成结构 .............................................. 7 2.3 系统工作原理 ................................................. 10 2.4 控制系统特点说明 ............................................. 10 2.5 本章小结 ..................................................... 11 第三章 智能车机械设计 ............................................. 12 3.1基本结构参数介绍 ............................................... 12

3.1.1 模型车车体 ..................................................................................................... 12

3.1.3 直流电机 ......................................................................................................... 13

3.2 机械结构调整与改造 ........................................... 15

3.2.1 前轮定位参数调整.......................................................................................... 15 3.2.4 后轮差速机构调整 ....................................................................................... 19 3.2.5 后悬挂减震弹簧预紧力调整 .......................................................................... 20

3.3 本章小结 ..................................................... 22

第四章 智能车硬件电路设计 ........................................ 23 4.1硬件电路总体组成结构框图 ....................................... 23 4.2核心控制模块 ................................................... 24 4.3电磁传感器模块 ................................................. 26

4.3.1 设计原理 ......................................................................................................... 26

4.3.2 电路设计原理 ................................................................................................. 33

4.4 电源管理模块 ................................................. 38

4.4.1 +5V电源模块 .................................................................................................... 39 4.4.2 +6V电源模块 .................................................................................................. 40 4.4.3 +14V电源模块 ................................................................................................ 41

4.5 电机驱动模块 ................................................. 42 4.6 舵机驱动模块 ................................................. 44

II

4.7 速度传感器模块 ............................................... 45

4.7.1 速度传感器的选型 ....................................................................................... 45 4.7.2 鉴相电路 ....................................................................................................... 46

4.8 本章小结 ..................................................... 47 第五章 硬件电路PCB设计 ........................................... 48 5.1经典EMC理论 ................................................... 48 5.2 系统PCB设计简介 ............................................. 49 5.3本章小结 ....................................................... 49 第六章 智能车软件设计 ......................................... - 50 - 6.1 系统软件设计总体规划 ..................................... - 50 -

6.1.1 系统构架规划 ............................................................................................. - 50 -

6.2 系统控制流程设计 ......................................... - 53 -

6.2.1 系统工作流程 ............................................................................................. - 53 -

6.3 系统模块化程序设计 ....................................... - 55 -

6.3.1 时钟模块 ..................................................................................................... - 55 - 6.3.2 电磁感器检测模块...................................................................................... - 56 - 6.3.3 舵机、电机PWM控制模块 .......................................................................... - 58 -

6.4 本章小结 ................................................. - 62 -

第七章 智能车系统调试 ......................................... - 63 - 7.1 系统各模块调试 ........................................... - 63 -

7.1.1 MCU最小系统调试....................................................................................... - 63 - 7.1.2 母板调试 ..................................................................................................... - 63 - 7.1.3 电机驱动板调试 ......................................................................................... - 64 -

7.2 系统联调 ................................................. - 65 - 7.3 系统不足及改进方向 ....................................... - 65 - 7.4 本章小结 .................................................. - 65 - 第八章 总结 ....................................................... 66 致 谢 ............................................................ 67 参 考 文 献 ........................................................ I 附录A 制作赛车车模基本参数 ....................................... III 附录B 程序源代码 .................................................. V

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摘 要

本文以第五届“飞思卡尔”杯智能车比赛为背景，根据比赛相关要求，提出了基于电磁引导的车辆控制系统总体设计方案，并阐述了系统工作原理。在此基础上，分模块详细介绍了基于电磁引导的系统硬件电路的设计与实现，主要包括传感器模块、电源模块、电机驱动模块、存储器模块及人机接口模块、控制算法等，并且优化了系统总体架构。最后，完成智能车系统的调试与运行，实际结果表明小车运行性能优良。

关键词：智能汽车 单片机 电磁传感器

IV

Abstract

According to requirements of the Fifth Freescale Cup National Undergraduate Smart Car Contest, the hardware system design proposal of the smart car guiding by MR sensor is proposed in this paper. In this paper, the general structure of the smart car system is introduced briefly. Further, the design and implementation of the hardware system based on MR sensor in detail including power modules, motor drive modules, memory modules and human interface module. Finally, the functional modules are testified as well as the whole system. The results show that using the MR sensor to guide the car can achieve the requirements of the competition.

Keywords Smart Car MCU MR Sensor

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第一章 引言

1.1 课题研究背景及意义

智能汽车就是一种无人驾驶汽车，也可以称之为轮式移动机器人，主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶[25]。它一般是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。无人驾驶汽车从根本上改变了传统的“人一车一路”闭环控制方式，将不可控的驾驶员从该闭环系统中请出去，从而大大提高了交通系统的效率和安全性。现代无人驾驶汽车以汽车工业为基础，以高科技为依托，遵循由低到高、由少到多、由单方面到多方面、螺旋上升的规律发展。其横向发展离不开各种用途的实际需要，而其纵向发展的生命力在于持续不断的技术创新。

1.2 智能车发展概况

达国家从20世纪70年代开始进行无人驾驶汽车研究，目前在可行性和实用性方面，美国和德国走在前列。我国在无人驾驶汽车的开发方面要比国外稍晚，但是经过不懈努力也取得了丰硕的成果

在20世纪80年代，美国就提出自主地面车辆(ALV)计划，这是一辆8轮车，能在校园的环境中自主驾驶，但车速不高。

1995年，一辆由美国卡耐基梅隆大学研制的无人驾驶汽车Navlab—V，完成了横穿美国东西部的无人驾驶试验。在全长5000 km的美国州际高速公路上，整个实验96％以上的路程是车辆自主驾驶的，车速达50—60 km／h。尽管这次实验中的Navlab—V仅仅完成方向控制，而不进行速度控制(油门及档位由车上的参试人员控制)，但这次实验已经让世人看到了科技的神奇力量。

2005年，美国国防部“大挑战”比赛上，最终由美国斯坦福大学工程师们改装的一辆大众途锐多功能车经过7个半小时的长途跋涉完成了全程障碍赛，第一个到达了终点。在赛道上，无人驾驶汽车需要穿越沙漠、通过黑暗的隧道、越过泥泞的河床并需要在崎岖险峻的山道上行使，整个行程无人驾驶汽车需要

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绕过无数个障碍[33]。

在无人驾驶技术研究方面位于世界前列的德国汉堡Ibeo公司，最近推出了其研制的无人驾驶汽车。这辆无人驾驶智能汽车由德国大众汽车公司生产的帕萨特2．0改装而成，外表看来与普通家庭汽车并无差别，但却可以在错综复杂的城市公路系统中实现无人驾驶。行驶过程中，车内安装的全球定位仪随时获取汽车所在准确方位的信息数据。隐藏在前灯和尾灯附近的激光扫描仪是汽车的“眼”，它们随时“观察”汽车周围约183 m内的道路状况，构建三维道路模型。除此之外，“眼”还能识别各种交通标识，如速度限制、红绿灯、车道划分、停靠点等，保证汽车在遵守交通规则的前提下安全行驶。最后由无人驾驶汽车的“脑”——安装在汽车后备厢内的计算机，将两组数据汇合、分析，并根据结果向汽车传达相应的行驶命令。多项先进科技确保这款无人驾驶汽车能够灵活换档、加速、转弯、刹车甚至倒车。在茫茫车海和人海中，它能巧妙避开建筑、障碍、其他车辆和行人，从容前行。

我国在无人驾驶汽车的开发方面要比国外稍晚。国防科技大学从20世纪80年代开始进行该项技术研究。1989年，我国首辆智能小车在国防科技大学诞生，这辆小车长100 cm、宽60 cm、重175 kg，有3个轮子，前轮是一个导向轮，后边有两个驱动轮。它包含了自动驾驶仪、计算机体系结构、视觉及传感器系统、定位定向系统、路径规划及运动控制系统，还有无线电通信、车体结构及配电系统。1992年，国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾驶系统，被安装在一辆国产的中型面包车上，使该车既保持了原有的人工驾驶性能，又能够用计算机控制进行自动驾驶行车。2000年6月，国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76 km，创下国内最高纪录。其智能控制系统主要由3部分组成：传感器系统、自动驾驶仪系统和主控计算机系统。

由上海和欧盟科学家合作的中国城市交通中的无人驾驶技术(Cyberc3)项目取得了阶段性成果，首辆城市无人驾驶车在上海交通大学研制成功。“无人驾驶

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第一章 引言

技术”主要依靠车上的5个“器官”来保证。首先是位于车头上的俯视摄像头，它是车辆的“眼睛”，能够准确识别地上的白线，从而判断前进方向。在“眼睛”的一旁，一个凸出车头的激光雷达就像车辆的“鼻子”，随时“嗅”着前方80 m范围内车辆和行人的“气息”。而在车辆的左右两侧，两只超声传感器就像车辆的“耳朵”，倾听着四面八方的声音。除了用“眼睛”指挥前进外，该车还可以通过另一种方式——用一只无形的“手”来感知地面的磁性物体，从而判断前进方向，而这只“手”就是位于车头底部的磁传感器。但这种方法需要在车辆运行的道路上埋入磁钉。最后的“器官”便是车辆的“脑”了，位于远处的遥控指挥中心是车辆的“大脑”，通过无线传输向车辆下达特殊指令；而车辆内部的计算机则是它的“小脑”，通过汇聚“眼睛”、“鼻子”、“耳朵”、“手”所得到的信息来避开周围车辆和行人。再配合程序中设计好的各景点的位置，无人驾驶车便能顺利地将乘客送到他们想去的地方[34]。

1.3 智能车主要关键技术

无人驾驶汽车开发的主要技术有两个方面：车辆定位和车辆控制技术。这两方面相辅相成共同构成无人驾驶汽车的基础。 1.3.1 车辆定位技术

车辆定位技术是无人驾驶汽车行驶的基础。目前主要的定位技术有电缆导航、电磁导航、激光导航、GPS导航。

(1) 电磁传感器导航技术要点

该技术的实现方法是在车辆将要经过的道路下埋设磁铁（每个相距一定的间隔）。当车辆经过磁铁时，可以对位置进行检测和校正。这项技术的优点是可以减低对基础设施的要求，但是车体的制造费用将会提高。也可以通过软件对智能车辆的运行轨道进行调整，因为并不要求轨迹通过每个磁铁。

(2) 电磁传感器导航优缺点

电磁导航是目前最成熟可靠的方案，现大多数均采用这种导航技术。磁导航最大的优点是不受天气等自然条件的影响，即使风沙或大雪埋没路面也一样有效，而且便于维护。另外，通过变换磁极朝向进行编码，可以向车辆传输道

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路特性信息，诸如位置、方向、曲率半径、下一个道路出口位置等信息。但是，磁导航方法往往需要在道路上埋设一定的导航设备(如磁钉或电线)，系统实施过程比较繁琐，且不易维护，变更运营线路需重新埋设导航设备[37]。

图1.1 集成型电磁传感器

1.3.2 车辆控制技术

车辆控制技术是无人驾驶汽车的核心，主要包括速度控制和方向控制等几个部分。无人驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行的仿人驾驶。通过对驾驶员的驾驶行为进行分析可知，车辆的控制是一个典型的预瞄控制行为，驾驶员找到当前道路环境下的预瞄点，根据预瞄点控制车辆的行为。目前最常用的方法是经典的智能PID算法，例如模糊PID、神经网络PID、专家PID等。

1.4 “飞思卡尔”智能车比赛简介

教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计四大竞赛的基础上，决定，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。

比赛由国家教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办。由组委会提供统一的车模和单片机（通常为 freescale 16位单片机），要求各参赛队在不改变车模的底盘结构的前提下，通过选择适当的检测方案和控制算法，使车模能够在专门设计的跑道上自主地识别路线行驶，单圈行驶时间最短的赛车获胜。比赛限制使用的传感器数量不得超过16个，总电容容量不得超过2000微法，电容最高充电电压不得超过电池电压。这样，就提供了一个相同的比赛平台，使各个参赛队从检测和控制的角度来解决这个问题。参赛队伍必须仔细研究车模的数学模型以及其控制方案，最终能将车模的性能

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第一章 引言

尽可能多地发挥出来[1,2,27,29,]。

图1.2 第五届“飞思卡尔”智能车比赛华东赛区比赛场景

1.5 本文主要研究内容

本文以第五届全国大学生智能汽车竞赛为背景，采用XS128单片机作为核心控制芯片，利用电磁传感器进行路径判断，为了保证小车能有较高的行驶速度和良好的稳定性，本文主要从硬件角度进行了以下几方面的研究：

(1)根据车辆的运动原理及相关机械结构的理论，对车模的机械结构进行调整，如调整舵机位置、改变舵机的传动方式、调节主销、电路板在车体的排布、电磁传感器的安装位置等；

(2)分析智能车所需达到的技术要求，设计并制作出每一个模块的PCB板，包括传感器、芯片及电源等模块，并对各个模块进行检测，确保各个模块都能达到相应的技术指标；

(3)将各个硬件模块构建成完整的智能车系统，并对整个智能车系统进行联机调试；

本文结构安排如下：

第一章，引言。介绍了课题研究背景及意义、无人驾驶汽车技术国内外研究现状、全国大学生智能汽车竞赛概况。最后介绍了本文的主要研究工作。

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第二章，智能汽车系统总体设计。包括需求分析、智能汽车系统总体设计方案、硬件结构框图、主要子模块的功能介绍和系统的工作原理介绍。

第三章，智能汽车系统机械结构的设置与调整。根据汽车运动原理及机械结构的相关理论，对模型车车体机械系统的各部分进行了布局与调整。

第四章，智能汽车系统的硬件电路设计。详细介绍了各功能模块的设计，包括方案的论证与确定，芯片和相关器件的选型与具体电路的设计。

第五章，PCB电路板的设计与制造。对各模块电路板的布局、布线方案进行介绍。

第六章，智能汽车系统的调试。介绍了硬件系统各功能模块的调试过程以及系统的联合调试。最后，对硬件系统存在的不足进行总结归纳，并给出了今后的改进方向。

最后对整个工作进行了总结。

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第二章 智能车总体设计

2.1 系统需求分析

本文所需设计的智能车系统，最终达到的要求是以尽可能高的速度完成比赛，这就要求小车的传感器要有快速而准确的反应能力、动力系统能够达到较高的速度、整车系统要有较高的稳定性等。对应于传感器模块，因为电磁传感器无法进行有效的前瞻观测，所以这就要求传感器对当前路径的判断要快速而准确判断。为了在小前瞻的情况保证高速且不冲出赛道，这就要求电机驱动部分要有良好的加速与制动性能。另外，为了提高车辆的灵敏度与稳定性，还要对它的机械机构进行相应的改进。智能汽车使用镍镉电池组作为电源供给，而电池组的电量有限，故智能汽车应该通过电源模块合理分配电池电量，最大限度地发挥电池的驱动能力，并合理的运用隔离技术，为系统的各个模块提供稳定的电力供给。最后为了使整个智能车系统达到较高的性能，需要对各个模块进行合理设计，使各个部分有机统一起来，高效协调的工作。

2.2 系统总体组成结构

一般来说，智能汽车系统分为两个部分：硬件系统与软件系统。硬件系统包括了电路系统和机械系统；而软件系统则可以分为底层代码和实现算法，后者主要包括用于实现路径识别的算法、电机转速闭环、舵机角度控制和导引策略等。具体层次结构如图2.1所示。本文主要侧重于基于电磁传感器引导的硬件系统的设计。

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图 2.1 智能汽车系统结构图

根据需求分析，经过仔细研究，决定采用模块化设计。智能汽车的硬件系统由核心控制模块(MCU)、电磁传感器模块、电源管理模块、存储器模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、人机接口模块、无线通讯模块和放电器模块组成，如图2.2所示。

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图3.3 RS-380SH-4045直流电机

该电机的负载特性如图3.4和表3.2所示。

图3.4 电机负载特性

表3.2 电机特性参数 电压 空载 速工作范围 额度 定电压 min 3～9 .2 7200 16.5 0r/A /min 14060 .29 30.9 rA N.m 111 .cm 16 12.3 mgW N.m 839 .cm 81.6 2流 度 流 率 mgA 电最大效率 输速电扭矩 出功扭矩 流 电堵转 由上可知当电机堵转时，电机性能将会严重下降。另外，堵转电流很大，容易损坏电池，因此，在调试的过程中需要尽量避免堵转现象的发生。

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第三章 智能车机械设计

3.2 机械结构调整与改造

3.2.1 前轮定位参数调整

现代汽车在正常行驶的过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，并减小轮胎和转向零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的安装位置，叫做车轮定位。其主要定位参数包括：主销后倾、主销内倾、车轮外倾和车轮前束。此模型车前轮的四项定位参数均可调。

主销后倾角：主销在汽车的纵向平面内(汽车的侧面)有一个向后的倾角γ，即主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，称为“主销后倾角”。

主销后倾，可以使汽车在车轮偏转后会产生一个回正力矩，纠正车轮的偏转。例如对上图而言，这辆沿直线行驶的汽车突然开始偏转，其轮胎沿图中箭头方向转动。此时，在轮胎与路面的接触点处，路面会对轮胎产生一个侧向反作用力Y。由于Y不通过车轮主轴线，从而会形成使车轮绕主轴线旋转的力矩YL。该力矩的方向与车轮偏转方向相反，因此能使车轮恢复到原来的位置，从而保持了汽车直线行驶的稳定性。

另外，由上述原理不难看出，车速越快，主销后倾角越大，车轮偏转后自动回正的能力就越强。然而，车轮的回正力矩不宜过大。回正力矩将会导致车轮回正过猛，进而加速车轮的摆振，导致转向沉重。通常将后倾的角度值设定在1°到3°之间。

这里，对于本模型车而言，可以通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角：每侧有4片垫片，前2后2后倾角为0°；前1后3，后倾角为2°到3°间；前0后4，后倾角为4°到6°间。为了确保车体直线行驶的平稳性，这里采用“前0后4”的方案，即将后倾角设定为4°到6°之间，如图3.5所示。

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图3.5 主销后倾角调整示意图

主销内倾角：主销在汽车的横向平面内向内倾斜一个角度，即主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角，称为“主销内倾角”，如图3.6所示。

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图3.6 主销内倾示意图

主销内倾角也有使车轮自动回正的作用。当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度；当外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置，从而起到静态回正的作用。适当的内倾角可以使转向操纵轻便，但内倾角同样不宜过大，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中轮胎会与路面产生较大的滑动，从而会增大路面与轮胎间的摩擦力。这不仅会使转向变得沉重，还将加速轮胎的磨损，通常汽车主销内倾角不大于8°。

模型车通过调整主销连接螺杆的长度来改变主销内倾角。介于主销内倾角

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第三章 智能车机械设计

的不恰当增大可能会影响转向性能，故并没有对这一参数进行调整，如图3.7所示。

图3.7 主销内倾角调整示意图

前轮外倾角：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称为“前轮外倾角”，如图3.8所示。

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图3.8 前轮外倾示意图

前轮外倾主要起着防止轮胎变形的作用。因为车体本身的重量，车体将因承载而变形，从而导致车轮内倾，这将加速轮胎的偏磨损。为了使车轮接近垂直路面而滚动，使轮胎磨损均匀，安装轮胎时应使其具有一定的外倾角。另一方面，适当的外倾也会延长车轮连接件的使用寿命。当然，这个角也不能过大，否则同样会使轮胎产生偏磨损。一般前轮外倾角为1°左右，在对本模型车调节中，其底盘承重不大，前轮外倾角只有两档可调，设为0°即可。

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前轮前束：前束是指两轮之间的后距离数值与前驱离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。

前轮前束是为了减轻或者抵消前轮外倾而造成的不良后果，两者间需要协调。车轮有了外倾角之后，就会导致两侧车轮向外滚开，车轮在路面上会出现边滚边滑的现象，从而加速轮胎的磨损。为了缓解这种情况，在安装车轮时使两轮前边缘距离小于后边缘距离，这样可使车轮的滚动方向接近于正前方。

模型车通过改变与舵机相连接的左右横向拉杆的长度来改变前轮前束的大小。对本系统而言，由于前轮外倾角设置为0，故没有进行前轮前束的调整，如图3.9所示。

图3.9 模型车前轮横拉杆示意图

3.2.2 后轮轮距调整

车辆轮距对车辆的稳定性有一定影响，较宽的轮距可以增加车辆的稳定性，减少后轮侧滑的可能性。智能汽车底盘套件有两种轮距可供选择，把后轮调整为了宽轮距，在一定程度上增加了车模的稳定性。对后轮轮距的调整可以通过更换相应的塑料连接件来实现，如图3.10所示。

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上位机部分上位机前轮连动杆MAX232+USB转换无线通信模块Cy2198TR-A天线+5.0V线性稳压芯片LM1117-3.3+3.3V无线通信模块Cy2198TR-A2线光耦隔离6N137线性稳压芯片LM1117-ADJ线性稳压芯片LP3853ESX-5.0+6.0V舵机电磁传感器模块6位LED灯PAD0[0-11]PS[0-1]PP4(PWM4)PP[6-7]线性稳压芯片LM1117-3.3+3.3V3线加速度传感器MMA7260QBDM接口电路拨码开关6线4线PA[2-7]PM2(MISO0)PM3(SS0)PM4(MOSI0)PM5(SCK0)EXTALXTALPAD0[13-15]EEPROM AT25256MC9S12XS128BKGDPB(0-7)16M无源晶振RC复位电路测试LEDPP0(PWM0)PP2(PWM2)PT0、PT2RESETPK[0-3]4线PT7(IOC7)VDDRVDDAVDDX1VDDX2+5.0VPK4线性稳压芯片TPS7350+5.0V核心控制板2线鉴相电路74HC74+5.0VPA、PB电机驱动板光耦隔离6N137H桥驱动+14VPA旋转式编码器OMRON E6A2-CDC-DC升压芯片MC34063H桥驱动芯片TD340N沟道MOS管IRL7833S+7.2V镍镉电池组齿轮直流电机传动轴、差速齿轮后轮其中，镍镉电池组输出的7.2V电压除了向电机供电之外，还向各稳压芯片供电。图4.1 硬件电路总结构框图

4.2核心控制模块

本文中所使用的核心控制芯片是飞思卡尔公司生产的16单片机MC9S12XS128，它负责处理各传感器所获得的信息，并且加以判断再向外发出控制信号，使小车稳定运行。该芯片采用的是5V供电，芯片内部含有128K的Flash存储器，8K的RAM，8K的EEPROM，两路串行通信接口（SCI），一路串行外围接口（SPI），八路定时器通道，两个（80引脚为一个）八路可调转换精度的A/D口，八路PWM输出，91（80引脚为59）个离散数字I/O口，一个

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第四章 智能车硬件电路设计

MSCAN模块。其功能模块如图4.2所示。

图4.2 MC9S12XS128单片机功能模块示意图

MC9S12XS128的最小系统包含BDM接口、RC复位电路、母板接口、指示LED、5V电源接口及晶振，如图4.3所示。

图4.3 最小系统框图

在实际设计电路板的过程中，还考虑了器件间的相互干扰的问题，特地参考相关技术报告，重新布置了各个元件的位置，很好的实现了去耦、旁路与隔离，保证了系统的稳定运行。所设计的最小系统板如图4.4所示。

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图4.4 最小系统板

4.3电磁传感器模块

4.3.1 设计原理 (1)导线周围的电磁场

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。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间，为3kHz～30kHz，波长为100km～10km。如图4.5所示：

图4.5 电流周围的电磁场示意图

导线周围的电场和磁场，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，这正是我们进行电磁导航的目的。由于赛道导航电线和小车尺寸l 远远小于电磁波的波长λ ，电磁场辐射能

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第四章 智能车硬件电路设计

量很小（如果天线的长度l 远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射功率正比于天线长度的四次方），所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此，我们将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，从而进行位置检测。由毕奥-萨伐尔定律知：通有稳恒电流I 长度为L 的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r 处P 点的磁感应强度为：

B???2?1?0Isin?d???0?4??10?7TmA? （4.1） 4?r

图4.6 直线电流的磁场

?0I?cos?1?cos?2?，对于无限长直电流来说，?1?0，?2??，4?r?I则有 B?0 （4.2）

4?r由此得B?

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图4.7 无限长导线周围的磁场强度

在上面示意图中，感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上的磁场强度大小相同，并随着距离导线的半径r 增加成反比下降[45]。

(2)磁场检测方法

人类对于磁场的认识和检测起源很早，我国古代人民很早就通过天然磁铁来感知地球磁场的方向，从而发明了指南针。但是对于磁场定量精确的测量以及更多测量方法的发现还是在二十世纪初期才得到了突飞猛进的进展。

现在我们有很多测量磁场的方法，磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应：磁电效应（电磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应）、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量原理以及相应的传感器：

(a)电磁感应磁场测量方法：电磁线磁场传感器，磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器。

(b)霍尔效应磁场测量方法：半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。 (c)各向异性电阻效应（AMR）磁场测量方法。

(d)载流子自旋相互作用磁场测量方法：自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋阀三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。

(e)超导量子干涉（SQUID）磁场测量方法：SQUID 薄膜磁敏元件。 (f)光泵磁场测量方法：光泵磁场传感器。 (g)质子磁进动磁场测量方法。 (h)光导纤维磁场测量方法。

以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大。我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑[45]。

在下面所介绍的检测方法中，我们选取最为传统的电磁感应线圈的方案。它具有原理简单、价格便宜、体积小（相对小）、频率响应快、电路实现简单等

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