北京科技大学天津学院-二队 - 记忆算法

第二届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车邀请赛

技 术 报 告

学 校：北京科技大学天津学院 队伍名称：北京科技大学天津学院二队 参赛队员： 张素杰 程诚 王醒 带队教师： 罗富臣

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第二届全国大学生“飞思卡尔”杯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： 罗富臣

日 期： 2007.8.17

张素杰 程诚 王醒

摘要

本文详细介绍了我们为第二届全国智能车大赛而准备的智能车系统方案。该系统以Freescale16位单片机MC9S12DG128作为系统控制处理器，采用激光传感器对赛道信息进行采集，并通过赛道记忆方法对赛道信息进行记录，反馈回给电机和舵机，在第二圈中达到校正。通过欧姆龙光电编码器获取小车速度，进行速度反馈处理，最后利用PID控制方式作为了最终的选择。文中还将介绍赛车传感器布置及安装方法，自制电路主板、赛道记忆算法及开发出的调试系统，还将介绍机械结构和调整方法，及舵机安装方式。

关键词：激光传感器、控制策略、速度传感器、赛道记忆

Abstract

This paper introduces us to the second session of the National Smart car racing prepared smart car system plan. The system Freescale16 MC9S12DG128 bit extreme but as a system control processor, Using modulation laser sensors to track information Acquisition, through the memory circuit and method for information on the track record, feedback back to the motor and steering, The second lap achieve Correction. Omron through photoelectric encoder speed access Trolley, Speed feedback processing. Finally PID control as a means to the ultimate choice. The article will introduce the car sensor layout and installation methods, Self-made circuit board, the circuit memory algorithm and the development of the system debugging, also introduced mechanical structure and adjustment methods, and installation Rudder.

Key word：Laser Sensor, Control Strategy, speed sensor circuit memory

目录

第一章 引言 ……………………………………………………………1 1.1 比赛背景介绍……………………………………………………1 1.2 方案介绍…………………………………………………………1 1．3本文结构………………………………………………………1第二章 赛车系统整体设计…………………………………………….2 2．1系统硬件结构设计………………………………………………2 第三章 光电传感器 ………………………………………………… 3 3．1传感器选型…………………………………………………… 3 3．2 传感器排布…………………………………………………… 3 第四章 主控板硬件电路设计.…………………………………………5 4.1电源模块…………………………………………………………5 4.2电机驱动模块……………………………………………………6 4.3硬件抗干扰措施…………………………………………………7 4.4印制电路板可靠性和抗干扰设计………………………………8 4.5主控板的安装………………………………………………… 8 第五章 电机驱动模块………………………………………………….9 5.1 硬件电路设计………………………………………………………9 5.2 驱动电机性能测试…………………………………………………9 5.3 程序代码………………………………………………………… 10 第六章 舵机驱动模块…………………………………………………14 6.1硬件电路设计…………………………………………………… 14 6.2程序代码……………………………………………………………14 第七章 速度传感器……………………………………………………16

7.1传感器设计及安装………………………………………………16 7.2 硬件电路设计……………………………………………………16 7.3 软件设计…………………………………………………………17 7．4速度传感器准确性测试…………………………………………18 7.5 安装方式…………………………………………………………18 第八章 赛道记忆………………………………………………………19 8．1智能车运动状态实时监测系统总述……………………………19. 8．1．1系统整体硬件架构……………………………………………19 8．1．2系统整体软件架构……………………………………………20 8．2起跑信号发送装置………………………………………………21 8．2．1起跑信号发送装置工作原理…………………………………21 8．3车载数据采集系统设计及实现…………………………………22 8．4机数据接收处理系统设计及实现………………………………22 8．5手持数据接收及监测系统设计及实现…………………………23 8.6动态数据接收及显示模式………………………………………24 第九章 赛车机械结构调整……………………………………………25 9．1舵机安装调整……………………………………………………25 9．2前轮倾角的调整…………………………………………………25 第十章 总结……………………………………………………………26 10.1比赛准备阶段……………………………………………………26 10.2激光传感器设计…………………………………………………26 10.3赛道记忆控制策略及开发的赛车运动状态实时监测系统………………………………………………………………26 10.4设计中存在的问题…………………………………………26. 10.5未来寄语……………………………………………………27

第一章 引 言

1.1 比赛背景介绍

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。2007年8月日，在上海交通大学举行第二届全国大学生智能车竞赛。本届的比赛，首先是在全国五大赛区进行预选赛，之后将有 只赛车到上海进行总决赛。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，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”，“须采用统一提供的车模，须采用限定的飞思卡尔16位微控制器 MC9S12DG128 作为唯一控制处理器，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

由评分规则可知，本次比赛的关键在于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。我们采取的策略是激光传感器加赛道记忆，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。而且通过赛道信息的记录，可以在第二圈中，对赛车状态进行校正，提高成绩。

1．3本文结构

本文共十章。其中第一章为引言部分。简单介绍比赛背景及赛车的基本方案。第二章主要介绍赛车整体系统结构，对赛车整体流程及控制进行介绍和说明。第三章介绍赛车传感器，包括选型、排布及安装方式。第四章将对自行研制的主控板进行介绍及说明，包括电路设计及主控板的安装。第五章介绍电机驱动模块，包括硬件电路的设计及电机性能的测试。第六章将对舵机驱动模块进行说明。第七章为速度传感器，包括电路设计、安装方式及准确性。第八章为赛道记忆控制策略及开发的赛车运动状态实时监测系统。第九章介绍赛车机械结构调整。第十章将对全文作出概括总结。

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第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

第二章 赛车系统整体设计

2．1系统硬件结构设计

根据激光传感器方案设计，赛车共包括大模块：激光传感器模块 控制处理芯片MC9S12DG128，舵机驱动模块，电机驱动模块、速度传感器

转向舵机 MC9S12DG128 传感器信号 电机 速度传感器 第一圈记录数值

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第三章 光电传感器

3．1传感器选型

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。作为第一次参加此次大赛，并通过对第一届比赛的研究，我们决定还是从光电管入手。

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。

3．2 传感器排布

为了完成赛道记忆算法，我们采用了前十后五的传感器排布方式。这样前十路传感器采集的数据负责对赛车进行转角的控制。而后五路传感器采集的数据则传递给单片机后通过分析并记录下来，为第二圈舵机、电机控制提供反馈信息。

数字型光电传感器只有0与1 两种状态，因此各个传感器的布局间隔将影响车对路径的识别精度以及对舵机的控制算法的优劣。赛道规定的是：黑线宽度25mm，赛车可以沿着黑线自主循线。

当任何时刻只有一路传感器在黑线上的情况（每两个传感器之间的间距是25mm）：

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图3.1 传感器间距为25mm的情况

由图3.1可知，传感器由一种状态转化为另一种状态所移动的距离，即有效距离为：25mm。

当有时有一路传感器在黑线上，有时有两路传感器在黑线上的情况下（12.5mm<传感器两两间距<25mm）：

图3.2 传感器间距在12.5mm和25mm之间的情况

由图3.2可知，d1=25-x，d2=2x-25

若要舵机平缓过渡，减少瞬时精度高，长时间精度低的情况出现，令d1=d2为最优情况，即：25-x=2x-25 得x=16.7mm，d1=d2=8.3mm

传感器安装：传感器有发射和接收两部分，所以需要制作支架固定其位置。根据尺寸要求，在支架上打孔固定发射管和接收管。为了有较合适的重心位置，应该选择质量较轻的材料，最后利用胶水使传感器固定。见图一

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第四章 主控板硬件电路设计

4.1电源模块

比赛提供7.2V电池，整个系统需要为以下模块供电： 为单片机供电；（5V）； 为传感器供电；（5V）； 为电机驱动供电；（7.2V）；

为舵机供电（转向舵机和制动舵机）；（7.2V或6V） 可能会有发热元件，接出5V风扇供电口。

由上可以知道，系统需要7.2V、6V、5V，其中7.2V可以由电池直接供电，6V和5V就需要稳压芯片来供电了，由于有上届比赛的经验，如果把所有接到5V的电源都从一个口输出，万一出现异常状况（例如大电流），单片机必然重启，因此需要多个稳压芯片同时工作，以保证单片机正常工作。

图4.1电源模块电路图

5V稳压电路的设计：

市场上5V的稳压芯片有很多，例如LM2940、LM7805、开关型LM2575、LM2596，其中2940和7805转换效率比较低，只有40%左右，但是输出纹波很小，对于单片机这种对电源要求比较高的元件而言很适合，而2575和2596是开关型的稳压芯片，转换效率可以达到75%甚至80%以上，但是输出有纹波，很可能让单片机出现重启现象。

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图4.2 LM2940电路原理图

图4.2是2940稳压的电源模块原理图，7805和2940的原理图相同，但是7805需要输入7.5V以上才可以稳定输出5V，而2940载输入电压达到6V以上就可以稳定输出5V了，因此，在给单片机供电的电源中选择2940稳压芯片。

4.2电机驱动模块

图4.3 电机驱动模块电路

由CPU 发出PWM 波通过33886驱动芯片控制电机的电压，PWM5输出PWM波，经由IN1口输入，OUT输出电机调速信号。驱动芯片MC33886内部具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。MC33886内部集成有两个半桥驱动电路，本设计中，因为只需控制小车前进的速度不需要控制运行电机反转，因此不需要采用全桥驱动运行电机。而为了增大电流驱动能力，将两个半桥并联使用。

各接口模块

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第四章 主控板硬件电路设计

图4.4 各接口模块电路

如图4.4所示为S12单片机的各接口模块。

其中fan为一个2口白接头，可以提供5V和GND，为需要散热的芯片提供风扇电源接口；Keyboard为一个6口白接头，提供键盘接口；Code接口是一个3口白接头，提供码盘的电源、地和信号；Reverse是一个反相器，为码盘返回数据进行反相，使得软件控制的时候有一个高电平就可以得到光栅的一格，更易于控制；PWM1、PWM3、PWM7分别为转向舵机和制动舵机供电控制；PortAPortB和PortEPAD为传感器提供电源、控制和返回；Monitor是一个监控系统的接口，在主控板上插上监控系统可以监视车模运行时候的一些参数。

4.3硬件抗干扰措施

在嵌入式系统中，系统的抗干扰技术是系统可靠性的重要方面。一个系统的正确与否,不仅取决于系统的设计思想和方法，同时还取决于系统的抗干扰措施。

嵌入式系统的干扰源一般有三个渠道：一是空间干扰,电磁信号通过空间辐射进入系统；二是过程通道干扰，干扰信号通过与系统相连的前、后通道及与其它系统的连接通道进入，它叠加在有用信号之上，扰乱信号传输，使有效信号产生畸变。使得数据采集误差加大，导致控制状态失灵，导致程序运行失常；三是系统干扰，电磁信号通过供电通道进入系统或系统本身产生干扰。 虽然抗干扰问题是嵌入式系统在实际应用中最令人头疼的问题，而且没有一定之规,也没有一成不变的方法,但若进行科学的分析并加以合理的设计，采取一定的措施，将系统的硬件和软件结合起来,是可以有效地提高应用系统的可靠性的。

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4.4印制电路板可靠性和抗干扰设计

印制电路板是嵌入式系统中，器件、信号、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力的影响很大。

设计时应合理走线、合理接地，三总线分开走线.。尽量将数字、模拟电路分开走线，电源线和地线应尽量加宽，同时使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致。应尽量使用45°折线而不要使用90°折线，以减少高频信号对外的发射与耦合，减少互感振荡；将接地和屏蔽正确结合起来使用。

CPU、RAM、ROM等主芯片以及VCC、GND之间接电解电容和瓷片电容；去掉高、低频干扰脉冲；石英晶体振荡器的外壳接地而不要走信号线，且要适当加大接地面积；时钟线要尽量短，并用地线将时钟区圈起来，使周围电场尽可能地减小。独立系统结构，减少接插件与连线；输入输出驱动器件、功率放大器件应尽量靠近线路板边的引出接插件；提高可靠性，减少故障率。集成块与插座接触可靠，用双簧插座，最好集成块直接焊在印制板上，防止器件接触不良。信号的输入、输出端以使用光耦进行光电隔离为好。这样既可以防止外围器件动作时产生的回流冲击系统，又可使输入端的干扰信号没有足够的功率去干扰发光二极管的正常工作。

4.5主控板的安装

通过在底盘上打孔，通过塑料螺钉固定。见图一

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第五章 电机驱动模块

5.1 硬件电路设计

由CPU 发出PWM 波通过33886 驱动芯片控制电机的电压. PWM5 输出PWM波，经由IN1 口输入。OUT1 输出电机调速信号。通过预设的占空比对电机的转速进行调解。工作电压为5-40V，导通电阻为120 毫欧姆，输入信号是TTL或CMOS，PWM 频率小于10KHz，具有短路保护、欠压保护、过温保护等。MC33886内部集成有两个半桥驱动电路，本设计中，因为只需控制小车前进的速度不需要控制运行电机反转，因此不需要采用全桥驱动运行电机。而为了增大电流驱动能力，

图5.1 电机驱动电路

本文将两个半桥并联使用。（？？？？？）

5.2 驱动电机性能测试

根据我们的速度传感器，对电机性能进行了测试。主要测试了，开环控制下，车辆启动加速的性能。

在开环控制下，分别设定占空比为90%和100%，其启动效果如下（x 轴为时间（s），Y 轴为车速）：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ze4.html