飞思卡尔智能车竞赛设计方案
“神马”队设计方案
摘要
本文以“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛为主题，介绍了智能赛车从机械结构设计到控制系统的软硬件设计流程。本次比赛使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模及套件，采用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器作为核心控制单元，配合不同类型的传感器、驱动电机、转向舵机、直流电池、以及相应的驱动电路，使赛车能够自主识别路径，并控制模型车高速稳定地在跑道上运行，在规定时间内完成跑完赛道的任务。
第一章背景
1.1“飞思卡尔”杯背景介绍
“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以S12 单片机为核心的大学生课外科技竞赛。使用大赛组委会统一提供的竞赛车模、转向舵机、直流电机和可充电式电池，采用飞思卡尔 16 位微控制器MC9S12DB128B作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、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。比赛成绩主要由赛车在现场成功行驶完赛道的时间为主。
全国大学生智能汽车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，它由大赛组委会统一提供。参赛队伍通过设计单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。在保证模型车运行稳定，即不冲出跑道的前提下，跑完两圈的时间越小成绩越好。
设计自动控制器是制作智能车的核心环节。自动控制器是以单片机为核心，配合有传感器、电机、舵机、电池、以及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。
比赛跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽 25cm。比赛规则限定可赛道宽度和拐弯最小半径等参数，赛道具体形状在比赛当天现场公布。控制器自主识别引导线并控制模型车沿着赛道运行。
在严格遵守规则中对于电路限制条件，保证智能车可靠运行前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同时坚持充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。
比赛要求控制器必须采用MC9S12DB128B作为系统唯一控制处理器。系统开发工具及在线调试工具可以自选（可选择使用CodeWarrior 3.1 作为开发软件，选择清华大学制作的BDM 调试工具进行在线调试）。车模可以改装，但改装部位，及改装后其长宽尺寸都有限制。这就要求我们在有限材料和有限时间的条件下学习掌握 S12 单片机的整套开发系统的使用方法，并能根据自身所学的有关力学、机械学、计算机技术、数模电和检测技术等知识自主设计开发一套完整的自助循线行驶系统。这是对我们的将所学各学科知识综合运用和动手实践能力的很好的培养。对我们这样在大学四年里很少有机会参加科技实践的学生来说是一次很好的锻炼机会。
在国外，相关赛事在韩国从2000年开始已经举办了近六届，每年韩国大约有 100 余支大学生队伍报名并参赛，该项赛事在韩国取得了很好的成功。深受高校及大学生的欢迎，并得到了企业界的极大关注。参考韩国相关比赛中成功的案例，在关于路径识别的问题上，大都选用光电传感器作为自己的方案，但传感器在检测及处理信号方面和对其排布方面都有所不同。他们在传感器的数量、排布方面，通常是将地面信息用数字量或是模拟量来完成数据采集，通过计算机进行数据处理，有些想法是比较新颖的，这些问题都值得我们借
鉴和进一步研究。同时在韩国的方案里面，也有些是采用CCD，或者是将 CCD和光电传感器结合使用来完成车模循迹的，在这些方案里面也有很多成功的案例。其他方面如车模的改装、动力驱动、转向控制，以及控制算法方面等，韩国选手的方案也都有各自的创新和值得我们学习和进一步研究的地方。因其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机和机械等多个学科，培养了学生对知识融合和实践动手能力。
在国内， 2005年教育部成功将这项赛事引入中国。由飞思卡尔公司资助，清华大学承办了这项赛事。全国有五十多所学校共派出一百多支队伍参赛。最终，清华大学二队获得第一名，交大之星队以 0.4秒之差屈居第二。赛事的成功举办，引起了全国各高校和众多学生的兴趣。今年的比赛将更加引人注目。每年比赛将在七月中旬开始预赛，八月将进行决赛。全国共分成五个赛区，先进行初赛，优胜者将进入全国总决赛。
1.2 第六届竞赛规则
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位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括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。组委会制定如下竞赛规则，在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。组委会将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。
比赛过程中，如果赛车碰到赛道两边的立柱并使之倾倒或移动，裁判员将判为赛车冲出跑道。赛车前两次冲出跑道，选手可以申请恢复比赛，即将冲出跑到赛车重新放置在裁判指定的赛车冲出跑道的位置，恢复比赛。整个恢复比赛过程中计时不间断。选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。
比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败：
1) 裁判点名后，2分钟之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备；
2) 比赛开始后，赛车在30秒之内没有离开出发区；
3) 赛车在离开出发区之后10分钟之内没有跑完两圈；
4) 赛车冲出跑道的次数超过两次；
5) 比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车；
6) 决赛前，赛车没有通过技术检验。
如果比赛失败，则不计成绩。
比赛中禁止：
1) 不允许在赛道周围安装辅助照明设备及其它辅助传感器等；
2) 选手进入赛场后，不允许进行任何硬件和软件的修改；
3) 比赛场地内，除了裁判与1名队员之外，不允许任何其他人员进入场地；
4) 不允许其它影响赛车运动的行为。
对于智能竞赛车模
1) 禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；
2) 禁止改动驱动电机的型号及传动比；
3) 禁止改造滚珠轴承；
4) 禁止改动舵机；
5) 禁止改动驱动电机以及电池，车模主要前进动力来源于车模本身直流电机及电池；
6) 为了车模的行驶可以安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。
电路器件及控制驱动电路限制
1) 核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以采用MC9SDG128自制控制电路板,除了DG128MCU之外不得使用辅助处理器以及其它可编程器件；
2) 伺服电机数量不超过 3个；
3) 传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元计为1个传感器，CCD 传感器记为1个传感器）；
4) 直流电源使用大赛提供的电池；
5) 禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力；
6) 全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。
可以选择参数：
1) 开发软件可以选择CodeWarrior 3.1，也可以另行选择；
2) 开发调试硬件可以选择 BDM（清华大学制作）工具，也可以另行选择；
3) 电路所使用元器件（传感器、各种信号调理芯片、接口芯片、功率器件等）种类量
都可以自行设计选择。
赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局）
1) 赛道路面用纸制作，跑道所占面积不大于5000mm* 7000mm，跑道宽度不小于600mm
2) 跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；
3) 跑道最小曲率半径不小于500mm；
4) 跑道可以交叉，交叉角为90°；
5) 赛道为二维水平平面；
6) 赛道有一个长为1000mm的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度
100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与结束时刻。
1.3 智能车整体简介
智能车系统是由几个不同功能的模块组合而成的控制系统。系统完成从传感器采集信息、微控制器对信息处理并控制执行机构输出控制量的整个过程。为了使赛车能够快速、准确的沿着赛道运行，要求微控制器能够将对赛道信息处理，转向伺服电机和直流驱动电机的控制紧密的结合在一起。从传感器信息采集、信息处理、转向伺服电机控制、电机转速控制，任何一个环节出现问题都会导致赛车不能正确的跟踪赛道行驶甚至偏离赛道。因此智能车各个模块之间的协调工作是其正常行驶的基础。
智能车系统在结构上包括以下模块：单片机模块、电源模块、电机及其驱动模块、舵机控制及驱动模块、车速测量模块和路径识别模块。该方案设计的智能车是使用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器作为核心控制模块，通过设计相应的外围电路、编写驱动、控制程序以及安装、调整车模等，制作一个能够自主识别并沿赛道行驶的模型汽车。智能车通过图像传感器感知赛道信息，控制赛车的行进方向和行驶速度。以下将分章节详细阐述路径识别方案、机械调整方案、硬件设计方案以及软件设计方案的具体过程和结果。
第二章路径识别方案
路径识别功能即是在白底黑线的赛道上自动识别行驶的路线，检测赛车相对于赛道的偏移量、方向等信息使赛车自主沿着赛道运行。为了提高赛车对赛场环境的适应能力，实现其自主沿着赛道快速而稳定的运行，必须选择合适的采集赛道信息传感器，设计合理的路径识别方案，以确保获取足够多、足够远、足够精确的赛道信息来提高赛车的运行速度。路径识别的主要要求是准确、快速、尽量超前地采集路面信息，把它转变成点信号，传送
到单片机中处理，可见路径识别方案的好坏，直接关系到赛车的性能，影响着比赛的结果。
通过查阅历届竞赛的技术报告等有关资料，对通常使用的路径识别方案总结如下：2.1 采用反射式红外发光管：
原理：通过红外发光管发射红外光照射赛道，白色的赛道表面与黑色的引导线表面具有不同的反射强度，利用红外接收管可以检测到这些信息，区别黑白色两种颜色。通过合理安排红外发射/接收管一般安装在赛车前端，可以布置成一排，也可布置成多排。
优点：电路简单，信号处理速度快。光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与控制方法密切相关。
缺点：感知前方赛道距离有限，受外界红外频段光线干扰，精度比较低。光电管相对的感知距离较近并且只能提供非常少的前方车道走势信息。
传感器方式：
●数字式
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，采用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，使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。
●模拟式
模拟式光电传感器从理论上可以大大提高路径探测精度。模拟式光电传感器的发光和接收都是锥角一定的圆锥形空间，其电压大小与传感器距离黑色路径标记线的水平距离有定量关系：离黑线越近，电压越低，离黑线越远，则电压越高(具体的对应关系与光电管型号以及离地高度有关)如图2所示。
图2 传感器电压与偏移距离关系示意图
因此，只要掌握了传感器电压—偏移距离特性关系，就可以根据传感器电压大小确定各传感器与黑色标记线的距离(而不是仅仅粗略判断该传感器是否在线上)，进而获得车身纵轴线相对路径标记线的位置，得到连续分布的路径信息。
2.2采用电磁传感器：
原理：比赛赛道黑线下为电流约为20KHz、100mA的导线，通过电磁传感器整列来感应20KHz的磁场信号，经过放大电路放大后，得到正弦波，再用AD采样，得到正弦波的峰值，以判断电磁传感器距离导线的距离，从而定位车模路径所处位置。
特点：磁场是矢量，在空间的分布具有方向性，所以传感器检测到的信号也有特定方向性。在实际检测中会发现，不同方向传感器的变化规律有很大不同，这与磁场的分量变化规律相一致。比如，磁场垂直分量变化的比较早，但是受相邻赛道的影响较大，在磁场的水平分量恰好相反。因此，对十字线交叉道路的识别较为困难，干扰较大。
传感器分类：
●霍尔传感器
霍尔装置的应用包括齿轮传感、旋转位置传感器和电流传感器。硅片中霍尔效应在百分之几到几千奥斯特德范围内是呈线性变化的，可检测的最小磁场为1奥斯特的数量级。
●磁阻传感器
各向异性磁阻（AMR）发生在铁质材料中。当施加的磁场垂直于用铁质材料制成的薄板中的电流时，它本身的电阻明显有变化。磁阻传感器沿着空间一个方向的磁场，在此模式范畴内，它们属于霍尔效应传感器和QUID（超导量子干涉装置）之间的传感器。磁阻传感器通常用于测量微奥斯特到10奥斯特的磁场。
●磁通门传感器
根据法拉第电磁感应定律，通常用两个磁铁材料制成的杆，也可用一次或二次绕组绕成的环或圈。磁通门的输出时驱动频率f的第二谐波。施加一个小磁场时，第二谐波的波幅与施加的磁场成正比。可以在制造工艺上使用非常敏感，分辨率最低为1奥斯特。可以测量直流或交流磁场。频率上限为1KHz。与霍尔和磁阻传感器相比，它的尺寸规格较大，价格更贵。
2.3 采用摄像头方式采集：
原理：通过摄像头镜头焦距的不同，可以将车模前方不同范围的道路图像映射到器件中，得到车模前方的道路信息，对图像中的道路参数进行检测。通过对检测的图像用适当的图像处理方式进行处理后，可以获得赛道的中心位置、道路形状、弯道曲率等信息。
优点：可以获得较远路径信息，可以有效进行车模速度控制，提高了车模运行速度并且增加路径跟踪精度。
缺点：图像处理计算量大，处理速度慢，实时性不高，电路设计相对复杂。
传感器方式：
●CCD图像传感器
CCD传感器拍摄赛道图像是以PAL制式信号输出到CCD信号处理模块进行二值化（或连续化）并进行同步信号分离，二值化（或连续化）后的数据和同步信号同时输入到S12控制核心，进行进一步的图像处理。其优点是对比度高、动态特性好。缺点是工作电压一般为12V，需要升压模块，耗电量较大，且图像稳定性不高。
●CMOS图像传感器
CMOS图像传感器是在CMOS集成电路工艺成熟的基础之上发展的，转换图像原理与CCD传感器基本相同，但相对于CCD图像传感器，它具有较低电源功耗、较高的感光度以及更灵活的图像捕获能力等特点。CMOS摄像头又可分为数字式和模拟式两种，通过查阅往届参赛队的设计方案，对于数字式选择的较少，虽可通过对单片机内部寄存器进行适当设置来提高帧速率，但受环境影响较大，适应性较差。故多使用模拟式摄像头类型。
根据对上面三种不同组路径识别方案的总结和比较，首先，考虑到电磁传感器的抗干扰下差，以及获得赛道信号的单向性，排除选择电磁传感器识别的方案，其次，对于光电识
道信息作为我们的路径识别方案。
第三章机械结构调整方案
3.1 前轮定位的调整
赛车在正常行驶过程中，为了使其直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，并减少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相对安装位置，称为车轮定位。其主要定位参数包括：主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮前柬。
(1)主销后倾角
主销在赛车的纵向平面内(汽车的侧面)有一个向后的倾角y，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”，如图3 1所示。
图 3.1
采用主销后倾角的原因是由于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，一辆直线行驶的汽车偏离行驶方向而向右偏转时，由于汽车离心力的作用，在车轮与路面接触点处会产生～个路面对车轮的侧向反作用力Y．由于其不通过轴线，而形成使车轮绕主轴线旋转的力矩YL，其方向与车轮偏转方向相反，所以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。由此可见，后倾角γ越大，车速越高．车轮偏转后自动回正能力越强，但回正力矩过大．将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并导致转向沉重。通常后倾角设定为1～3度。汽车由于速度增高，轮胎气压降低，弹性增加．所以稳定力矩也增加，因此γ角可以减少到接近于l度，甚至为负值。为了使赛车转向灵活，主销后倾角可设定为0度。欲增大回正力矩，可以将后倾角设的大一点。由于本次比赛采用的转向舵机性能偏软，会造成模型车转弯迟滞，因此后倾角不宜设定过小，赛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．以便增加其转向的灵活性，根据试验确定主销后倾角为3～4度。
(2)主销内倾角
主销在汽车的横向平面内向内倾斜一个口角，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 2所示。
图3．2
主销内倾角β也具有使车轮自动回正的作用，当转向轮在外向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被抬起一定高度，当外力的作用消失后，车轮就会在重力的作用下恢复到原来的中间位置。另外，主销内倾角还会使主销轴线延长线与路面交点到车轮中心平面的距离c减小，与此同时，转向时路面作用在转向轮上的阻力矩也会减小，从而可减少转向时转向舵机施加在左右横拉杆上的作用力，使转向操纵轻便，同时也减少了由于路面不平而从转向轮输出到转向舵机上的反馈，但c不宜过小，即主销内倾角不宣过大，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，轮胎与路面问将产生较大滑动，从而会增加轮胎与路面间的摩擦力。这不仅会使转向变得沉重，还将加速轮胎的磨损。通常汽车的主销内倾角不大于8度，力臂c为40～60mm。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，根据试验效果，确定主销内倾角为6度左右。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。
(3)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α，称为“前轮外倾角”，如图3 2所示。轮胎呈现“八”字形张开时称为负外倾，而呈“v”型张开时称为“正外倾”。前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或消除主销与衬套、轮毂与轴套等处的装配间隙，使车轮接近垂直路面滚动而滑动，同时减小转向阻力，使转向轻便；另一方面还可以防止由于路面对车轮的垂直反作用力的轴向分压力压向轮彀外端的轴承，减小轴承及其锁紧螺母的载荷．从而增加这些零件的使用寿命，提高汽车的安全性。一般前轮外倾角为1度左右，而现代汽车高速化，急转向等工况要求前轮外倾角减小甚至为负值。由于竞赛用智能汽车主要用于比赛速度，设计中要尽可能的减轻重量，所以底盘承重不大，故将前轮外倾角设定为0度，其关键是前轮前束要与之相匹配。
(4)前轮前束
当车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑移的现象，从而增加了轮胎的磨损。在安装车轮时，为消除车轮外倾带来的这种不良后果，可以使汽车两前轮的中心平面不平行，并使两轮前边缘距离R小于后边缘距离A，A与R的差值称为“前轮前束”，如图3 3所示。一般前束值为0～12mm。像内“八”字样前端小后端大的称为“前束”，而像外“八”字样前端小后端小的称为“后束”或“负前束”。
该赛车是由舵机带动左右横拉杆实现转向。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度可改变前轮前束的大小。左拉杆短，可调范围为10.8～18.1mm ；右拉杆长，可调范围为29．2～37．6mm 。由上述原理可知，前轮前束与前轮外倾角相匹配，因前轮外倾角设为0度，则前轮前束为0mm 或只有很小的前轮前束值。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。
3.2车体重心位置调整
汽车重心是指汽车重力的作用点，其位置的改变会影响汽车的动力性、制动.性和操纵稳定性等，就以上特性来讨论车体重心位置的调整。
(1)对动力性能的影响
汽车正常行驶必须满足驱动一一附着条件：
F F F F F F i f w j t φ
+++≤≤ (3．3) 式中：F
i 为坡度阻力；F f 为滚动阻力；F w 为空气阻力；F j 为惯性阻力；F t 为驱动力；F φ驱动轮的附着力。附着力与路面附着系数和驱动轴的轴荷有关，而驱动轴的轴荷取决于重心的位置，故重心位置必须保证驱动轮能够提供足够的附着力。模型车是后轮驱动，如果仅从这方面考虑，重心应靠近后轴。
(2)对制动性能的影响
汽车制动性能要求制动减速度大，制动距离短，有良好的制动方向稳定性，不易发生前轮丧失转向、后轴侧滑和跑偏现象。制动方向的稳定性与前后轮有关，而抱死次序则与重心位置有关，若重心位置保证汽车的同步附着系数()/L b h φβο=- (L 为汽车轴距；β为前制动力占整车制动器制动力的比例；b 为重心到后轴水平距离；h 为重心到车轮与赛道接触面的垂直距离)等于汽车常用路面附着系数，则制动稳定性较好；若重心前移，b 增大，则易发生后轴侧滑，对高速汽车危险性大；若重心后移，b 减小，则前轮易丧失转向能力。由于模型车车速并不高，前轮丧失转向能力较后轴发生侧滑更加危险，从这方面考虑，重心位置
应靠近前轴。
(3)对操纵稳定性的影响
汽车操纵稳定性好，就必须具有不足转向特性，并且不足转向量不应过大。所谓不足转
向特性，是指在转向盘保持一个固定转角的情况下，缓慢加速或以不同车速等速行驶，随着车速的增加，车辆的转向半径R 增大。相应的具有中性转向特性的汽车其转向半径维持不变，具有过多转向特性的汽车其转弯半径越来越小。汽车转向特性一般用稳定性因数221m a b K L K K ??=- ???
来评价：当K>0时，汽车具有不足转向特性；重心越靠近前轴，K 值增大，不足转向特性不变，但不足转向量增加，汽车转向迟钝；重心越靠近后轴，K 值变小，可能由不足转向特性变为中性转向特性甚至过多转向特性，操纵稳定性变坏。
综上所述：重心靠近后轴，对赛车动力性能有益：重心靠近前轴，对其制动性和操纵稳定性有益。考虑到竞赛用智能汽车对其动力性要求并不像真正的赛车比赛要求的那样高，而其能达到的最高车速也并不高，故此在安排摄像头，电池和电路板安装位置时，应尽可能使赛车的重心靠近前轴，并且在赛道具有±15度坡度的前提下，应尽可能使模型车的重心靠近前轴，从而提高过弯性能，最佳重心位置宜由实验确定。
3.3转向舵机力臂改造
舵机转向是系统中有较大时间常数的延迟环节。其时间延迟正比于旋转过的角度，反比于舵机的响应速度。当赛车行驶至曲率半径最小的弯时，舵机需转过的角度最大，时间延迟最长，响应速度也最慢，因此为了减少此时间常数，通过改变舵机的安装位置，束提高舵机的响应速度。
舵机的响应速度与工作电压有关，电压愈高，响应速度愈快，所以应在舵机允许的工作电压范围内，尽量选择最大的工作电压：此外，在其工作频率允许范围内，将驱动舵机的PwM 信号的频率适当加大，也可以达到提高舵机响应速度的目的。试验测得：在本系统中将舵机向上倾斜安装，将转向传动拉丰T 连接在输出臂未端。根据杠杆原理，当舵机输出较小的转角时，前轮转角会取得较大的值，从而提高了舵机的响应速度。舵机输出臂如图3 4所示。
以上通过调整前轮定位参数优化、底盘重心位置调整和转向舵机力臂改造对
于车模的机械性能有着较大的调整。可以增加后轮抓地力，改善前轮转向性能，
为小车在赛道上的表现提供了最佳的机械支撑。
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(电机轴齿轮茵数为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 CMOS传感器的安装
在智能车图像传感器的安装上，就要考虑能使这个二维平面尽可能多的覆盖有用的赛道位置。受制于智能模型车底盘的结构和其他部件的分布，典型的图像传感器支架安装有两种位置，分别如下图所示：
图像传感器安装位置(a)
图像传感器安装位置(b)
以上是两种典型的安装方法，图(a)中，摄像头支架安装在智能车模型后部；图(b)中，摄像头支架安装在智能车模型前部。为了实现后续的控制算法，就要能够保证智能车能够识别出车前约 10cm距离的赛道信息。要实现这个目的，当摄像头安装在车后时，可以采取降低摄像头高度、增大摄像头仰角的方法，这样，不仅能够检测到车前10cm处的信息，最远的视野范围还可以达到车前80cm，大大地增加了前瞻性；当摄像头安装在车前，为了检测到车前 10cm处的信息并且能有一定的前瞻性，就要增大摄像头俯角、提高摄像头高度，在摄像头高度不至于使车身重心过高的前提下，视野范围只能达到车前40cm。
比较两种安装方式，可以发现，图(a)这样将摄像头安装在车后部的做法比较可行，这样，既能降低智能车重心，前瞻性上又远远优于后一种安装方式。当然，采用摄像头安装在车后部的方式时，由于原始的电池位置、驱动电机等部件都在车后部，会造成车身重心的进一步后移，对智能车的制动和操纵稳定性不利。在实际使用中，可以将电池前移，以使车身的重心处在一个比较平衡的位置。
3.6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，比如说车轮、悬架、底盘、车身高度等。
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。
此外，我们还对模型车的前后悬架弹簧的预紧力进行调节，选用不同弹性系统的弹簧等方法进行了改进，并且对车身高度，以及底盘的形状和质量、后轮的轮距等，都进行了相应的改进和调整，均取得了不错效果。
第四章硬件系统设计方案
4.1 硬件系统总体框图
飞思卡尔智能车竞赛只能用唯一指定的MCU（本届为MC9S12X系列）作为系统的中央处理单元，所以智能车的所有输入量都必须最终读入MC9S12X单片机进行计算，而所有的执行机构全部由
4.2 电源管理模块
电源管理模块的作用是为系统中其它各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑到电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。电源的稳定、可靠是整个硬件电路稳定运行的基础。
根据智能车各硬件部分能源消耗的需求以及对可靠性的要求，对供电单元的设计提出了以下几点要求:
(1).可充电电池必须能够提供足够的功率，即使在各设备处于最大负荷的状态；
(2).各设备的供电电路应该分开，彼此之间应有有效隔离，不能相互影响，尤其要保证MCU控制单元的供电电压的稳定；
(3).应考虑供电单元的散热设计、PCB走线的电流通过能力、以及过流、过压、短路保护。同时，对电池电压实时监控，电压过低时，有报警指示。
(4).在满足以上3条的基础上，尽量减小体积，提高集成度。
根据选择的摄像头为路径识别方案，其主要的电源管理模块包括：主电源、舵机电源、摄像头电源、电机驱动电源、测速传感器电源、各芯片供电等组成。
主电源：是一块镍镉电池。它的额定输出电压为7.2V，这种电池一般充满电后电压多在8.2V左右，当电池电压低至7.2V便无法使小车正常行驶。
舵机电源：由于舵机的反应速度和电压有关，为了使舵机的反应延迟最小，可以采用主电源直接供给的方法，即直接取电池7.2V直流电压。
摄像头电源：采用MC34063DC-DC升压芯片，将电源电压由额定电压值的7.2V升到12V
供给摄像头。
电机驱动电源：由于比赛规定不能使用DC-DC 升压给电机驱动，采用直接取自7.2V 的镍镉电池。
主控制板电源：主控制板主要使用5V 供电，其中主要包括微控制器电源、视频分离电路电源、测速传感器电源、电机驱动芯片33886电源。5V 电源由稳压芯片LM2940提供。各
)，在电源输出端，各芯片电源引脚都加入了滤波电路。为了避免由于驱动电机转动时所引起的电磁干扰，在印制板上做了敷铜处理，将电路中的“地”与敷铜面相连接。
4．2 .1 5V 稳压电路
5V 电源由低压差稳压芯片LM2940及外界滤波电容构成。芯片LM2940的特点是低压差，即正常工作时所需的输入端与输出端间压差较低，仅为0.5V ，只要电池电压高于5.5V ，它就可以提供稳定的5V 电源。此外，它最大可以提供1A 的输出电流，可以很好的满足该系统的要求。如下图3.2.1。
图4.2.1 LM2940接线图
4 .2 .2 9V 稳压电路
通常情况下一般电池的电压低于8V ，需要使用DC-DC 升压电路产生9V 电压供给CMOS 摄像头。可以选择使用MC34063作为升压电路的控制芯片。使用不同的外围电路可以产生不同的电压值。如下图3.2.2是由MC34064构成的BOOST 型升压电路。运用公式V=1.25*（1+R2/R1）其中通过改变R1,R2的阻值可得到相应的电压。电路中通过调节变阻器R7得
到合适的R2/R1的值。
图3.2.2 MC34063构成的BOOST型升压电路
4.2.3 电压转换及稳压电路设计应考虑的几点问题：
一、如何获得相对稳定可靠的DC-DC电路？
首先，DC-DC电路设计至少需要考虑以下条件：
1. 外部输入电源电压的范围，输出电流的大小。
2. DC-DC输出的电压，电流，系统的功率最大值。
然后，对于一个电源纹波相对较小、对系统其他电路干扰相对较小，而且相对稳定可靠的DC-DC电路，需要对以一般的DC-DC变换典型原理电路（见下图）做如下修改：
1. 输入部分：电源输入端需要加电感电容滤波。目的：由于MOS管的开关及电感在瞬间的变化会造成输入电源的波动，尤其是在系统耗电波动较大时，影响更为明显。
2.输出部分：
（1）假定C2的选择的100uF是正确的，我们想得到更小的纹波，可以将100uF的电容改成两颗47uF的电容（基于相同类型的电容）；如果100uF电容采用的是铝电解，可以在原来的基础上加一颗10uF的磁片电容或钽电容。
（2）在输出端再加一颗电容和一颗电容对原来的电源做一个LC滤波，会得到一个纹波更小的电源。
二、稳压电路的主要稳压芯片总结归纳如下：
?序号芯片型号输出电压特点
? 1 LM78055串联稳压，输入电压需大于7V
? 2 LM2575, LM25765开关稳压，输入大于可低至6.5V
? 3 LM2940-55串联稳压，工作要差可小于0.5V
? 4 LM1117- ADJ2.85～5 可调整输出800 mA电流压差可小于1.2V
? 5 LM78066串联稳压
? 6 LM1085, LM10845串联稳压，3A,1.5V压差
?7 TPS73502.5 ～ 5低压差稳压芯片，35mV/100mA
?8 MC34063API3 ~ 40V开关稳压，可构成升压、降压斩波电路
?9 MAX6385开关稳压，压差可以低至1V
?10 MAX758A5开关稳压，输入电压宽：4～16V
?11 MAX734, MAX63212开关稳压，输入电压 4.75～12V
?12 Μpc24A055输出2A时，压差小于1V
?13 MC339895V可调整串联稳压，低压差，可以提供两路稳压电源
4.3 图像处理模块
图像处理原理：摄像头按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，图像传感芯片就将该点图像的灰度转换成对应的电压值，并通过视频信号端输出[2]. 输出的视频信号有着固定的格式，某一帧数据的视频信号，除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号以及场消隐信号等；因此要对视频信号进行采集，就必须准确地把握各种信号间的逻辑关系. 视频同步信号分离芯片的作用就是从摄像头采集的视频信号中分离出行信号和场信号，再由微控制器将模拟信号转换成对应的
图像采集及视频分离电路，参见《基于摄像头的智能车路径识别系统的设计》一文详细方案。
图像处理及视频分离，信号控制参见下一章对软件控制系统的介绍。
4.4 速度检测模块
4．4．1 测速传感器的选择
在速度检测方案上，考虑的测速方法主要有雀尔传感器测速、光电传感器测速、光电编码器测选。
(1)霍尔传感器
霍尔传感器是种采用半导体材料制成的磁电转换装簧。在主后轮驱动齿轮处，通过打孔，将几块很小的稀土磁钢镶在旱面，然后将霍尔元件安装在附近，通过检测磁场变化，可以得到电脉冲信号，获取后轮转动速度。该方案的优点是：获取信息准确，体积小，不增加后轮负载。其缺点是：驱动齿轮处靠近行进电机，容易受磁场干扰，而且对齿轮打孔易损坏齿轮。
(2)光电传感器
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。它分为直射式和反射式两类。直射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化，光敏元件即输出电流脉冲信号。反射式光电传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变化。反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号；反射率变小时，光敏元件无信号。在一定时间内对信号计数便可测出转轴的转速值。光电传感器检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。其缺点是：精度受到光电管体积的限制。
(3)光电编码器
光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘与电动机同轴，电动机旋转时，光
栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。该方案的优点是：获取信息准确，精度高，实现容易。其缺点是：增加后轮负载；光电编码器体积较大，导致车重增加。
通过比较以上三种方案，考虑到系统的可靠性，首先排除霍尔元件方案，因为主后轮传动齿轮为塑料质地，打孔比较危险，同理排除光电传感器的直射型方案。由于赛车车体空间限制，而光电编码器体积较大，考虑到车重的任何增加都有可能影响到车速，因此放弃光电编码器方案。最终，采用反射型光电传感器方案。
4.4.2 测速电路的设计
一般对于反射型光电传感器测速方案，选用红外发射／接收管STl 88作为传感元件，发射管的限流电阻为500 Q，接受管的分压电阻为25欧，这样选择电阻的好处是发射管电流适中，且接收管信号可以不经比较器直接输入单片机的引脚PT3。为了得到和小车速度一致的脉冲信号，在主驱动齿轮上粘贴纸质黑白码盘。当码盘随着主驱动齿轮转动时，光电管接收到的反射光强弱交替变化，由此可以得到一系列脉冲信号，将此脉冲信号输入到单片机的EcT模块中，利用其强大的脉冲捕捉功能，同时捕捉脉冲的上升沿和下降沿。根据上述原理，后轮转动一圈，采用如图4．11的圆盘，可获得32个脉冲边沿触发信号。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，可以得到和车速相对应的参数值。其中一对红外发射／接收管和贴在行进电机齿轮上的黑白纸质码盘的相对安装位置如图4.12所示，红外发射／接收管用细铁丝绑在两根铝条做成的固定支架上，支架用螺钉固定在车尾。这样固定好之后，速度传感器就有了很好的稳定性。
4.4.3 速度控制方案的选择
对于赛车速度的控制有以下三种方方案：
(一)：通过机械接触车轮实现减速。这种方案使用的范围很广，也很有效，但机械加工复杂，需要对车体作改造。
(二)：使行进电机短时间停机实现减速。这种方案可控性强，适合于轮轴自锁的电机，如减速电机与步进电机，但由于车体的惯性作用，从刹车到停止需要一段缓冲时间，容易造成赛车由直道进入弯道时冲出跑道，限制了直道车速，而且使其弯道运行时连贯性很差。
(三)：使行进电机瞬时反转来快速实现减速。这种方案适合于直流电机，相当于给车轮一个反向力矩来迅速降低小车的速度，其减速效率明显优于方案二。经实验验证，其速度上连贯性也优于方案二。
经过比较，考虑到进一步精确控制赛车的速度，决定采用方案二与方案三相融合的赛车速度策略，同时引入速度闭环控制，即通过对速度传感器获取的当前实际车速与期望车速度的比较来确定车速的增加量或减少量，调整行进电机PwM驱动信号的占空比来改变其转
速，实现车速的闭环控制。如果没有车速的闭环控制，虽然也可以较好的实现速度控制，但是不能灵活地根据小车的实时速度来进行调整，会降低赛车行进的平均速度及其对赛道的适应能力。具体速度闭环控制的算法实现，具体见下一章介绍。
4.5 电机驱动模块
方案一：采用BTS7960集成芯片
（1）芯片选择理由：
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。为了减少车体复杂程度，我们采用了较为简单的集成的电机驱动芯片作为点击的驱动。
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33886的以上缺点我们没有采用33886作为驱动芯片，而采用了BTS7960作为电机的驱动芯片。
（2）芯片说明及电路：
BTS7960是集成的大电流半桥驱动，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动。
BTS7960的芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平，使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平；IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。IS引脚是电流检测输出引脚。
其输入信号为标准的TTL电平，直接与单片机相连就可以，降低系统的不稳定因素。用两片BTS7960即可构成全桥驱动电路，控制电机的正反转。
图 BTS7960全桥驱动示意图
图方案一电机驱动模块电路设计图
方案二：采用MC33886集成芯片
芯片选择理由及电路图：
车模后轮驱动电机型号为RS-380，工作电压为7.2V，空载电流为0.5A,转速为16200r/min。在工作电流为3.3A，转速达到14060r/min时，工作效率最大。通过电机驱动模块，控制驱动电机两端电压可以使车模加速运行，也对车模进行制动[1]。在比赛中并不需要车模倒车，但需要电机提供反向力矩以实现制动，可以选择H桥电路来驱动电机。
采用MC33886驱动芯片对车模的电机进行驱动。因为车模的加减速要求很高，所以使用一片MC33886进行驱动电机，芯片很容易发热，故采用两片MC33886并联的方式进行驱动，并且外加散热片，若控制方法合理，可以降低驱动芯片的发热程度。图3.4为电机驱动模块的电路图。
图 MC33886外围电路图
图 MC33886驱动电路原理图
4.6 舵机驱动模块
4.6.1 舵机简介
舵机英文称Servo。其特点是结构紧凑、易安装调试、控制简单、大扭力、成本低。舵机的主要性能取决于最大力矩和工作速度（一般以秒/60°为单位）。它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能够保持的控制系统。在机器人机电控制系统中，舵机的控制效果是机器人性能的重要影响因素。舵机能够在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统很容易与之相接。
4．6．2舵机工作原理
标准的舵机有三条引线，分别是电源线Vcc、地线GND和控制线号线。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。
经过实验发现，在实际使用中，控制舵机的PWM信号周期在8~20ms之间都可以使舵机运转，即舵机的摆角只与PWM信号的高电平持续时间有关，而与PWM的周期、占空比无关。
通过单片机改变PWM信号的高电平持续时间就可改变舵机摆角。
4.6.3 舵机选型
舵机选用的是大赛组委会提供的S3010型舵机。
其性能特点如下：
(1) 基板：S256，马达：Tricore GM1510
(2) 4.8~6 V操作电压。
(3) 消耗电流（6.0V，无负载）：停止时15mA，动作时145±30mA。
(4) 输出扭矩（6.0V）：(6.5±1.3) Kg/cm。
(5) 动作速度（6.0V）：(0.16±0.02) Sec/60°。
4.6.4舵机控制转角
小车转向角的控制通过输入PWM信号进行开环控制。根据不同的car-positn
值，按不同的区间比例给出不同的PWM 控制信号，小车转过相应的角度。由于实际舵机转角与PWM 信号的占空比基本成线性关系，所以我们采用了查表法，在程序中预先建立了控制表，路径检测单元检测到不同的路况，单片机通过查表的方式得出PWM 信号占空比，控制舵机转过一定的转角。创建舵机控制表时，我们采用了拟合法，通过大量的实验和实验数据，确定了一组最优的转角值，转角值与车当前位置值car-positn的函数关系如图5-8所示。
图5-8 舵机响应图
4.6.5 舵机控制电路
舵机用于控制，其设置也尤为重要。下面简单的介绍以下转向舵机的硬件电路设计。S12 脉宽调制模块有8 路独立的可设置周期和占空比的PWM通道，每个通道配有专门的计数器。该模块有4 个时钟源，它们为PWM 波的设置提供了宽阔的频率范围。通过该模块内寄存器可设置PWM 的使能与否，每个通道的工作脉冲极性，每个通道输出的中间还是左对齐方式，时钟源，使用方式（是作为八个8 位精度通道还是四个16 位精度通道）。该模块还有紧急关闭功能。
图 4-6-1 舵机电路原理图
实际电路中使用了三路PWM 通道（PP1，PP2，PP3），如图4-7。其中采用两路PWM 通道作为舵机角度控制，一路PWM 通道作为电机的转速控制。为什么要采用两路PWM 通道控制舵机角度呢？因为在调试中发现，如果只使用单个PWM 通道，精度只有1/28，舵机的转向角细分精度远不能满足调试需要。例如PWM3 用SA 时钟源，8 位，舵机中位为16，但在测试中发现舵机设为13 和19 时已经到达舵机极限转角，中间调节的余地非常小。将PWM2 和PWM3 合并为16 位，用A 时钟源，这样提供的精度就可以达到1/216 ，不会出现精度不够的问题，舵机中位为6000，极限转角为5000和7000，之间的调节余地非常之大，这个精度问题随之解决。因此在实际使用中，将两个PWM 八位寄存器合并成一个16 位寄存器存放数据，PWM2 引脚悬空，PWM3 输出波形。
4.7 主控制器模块
控制器模块采用飞思卡尔的MC9S12DG128B作为唯一的核心控制单元。由于本设计中用到了两个AD转换通道，因此，选用了内部模块较丰富的112pin的CPV封装。电路原理图如下：
图 4-1 控制器模块原理图
在控制器模块中，内置了一个八位的模式开关，用于根据不同的赛道特点，及时调整控制策略和参数。单片机 B口输出接八位 LED灯，方便调试。此外，还有 BDM接口和串口。
将视频分离芯片输出的场同步信号和行同步信号输入单片机的中端口（PORTH），将 CCD 摄像头输出的模拟视频信号输入单片机的高速 A/D口（AN08），将测速电机输出的端电压输入单片机的 A/D口（AN00），分别实现图像的采集和智能车速度的采集。
第五章软件系统设计方案
5.1 智能车软件设计概述
智能车的软件系统采用模块化的程序结构。系统的软件设计包括小车的状态信息检测、控制算法和执行控制三大部分。其中，状态信息检测部分包括道路信息检测、速度检测和路程检测。道路信息检测有CMOS摄像头视频信号采集及其处理两部分组成；控制系统分为方向控制系统和速度控制系统。方向控制系统能使智能车沿着导引黑线行驶而不至偏移。速度控制能使智能车在直道上加速行驶而在入弯时刹车减速以尽量提高行驶速度和避免因入弯速度过快而造成的冲出赛道。
系统采用的MC9S12DGl28微控制器是飞思卡尔公司MC9S12系列16位单片机中的一种，其内部结构主要有单片机基本部分和CAN功能模块组成，包括16位中央处理器、128KB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)
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