第十届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛技技 术术 报报 告告学 校：太原理工大学队伍名称：晋豹四队参赛队员：李高铭 孙乐乐 王天宇 何 欣 带队教师：萧宝瑾 沈剑豪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十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关于保留、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：_晋豹智能车队III摘 要本文介绍了太原理工大学晋豹队为参加第十届“飞思卡尔”杯智能车赛而设计的电磁式智能车的设计原理及制作、调试过程。设计以MPC5604CMLL6微控制器为核心，通过分析赛道信息提取的原理，合理选择了适合赛道检测的电感和电容构成谐振回路，对传感器数量、安装和接收方式进行分析，以此为依据介绍获取智能车与赛道状态信息的方法，以及对信息的传输、处理，最终通过有效信息采用PID理论控制智能车的方向和速度。文中介绍了设计中的硬件电路：单片机最小系统、电源模块、驱动模块、传感器模块等；同时介绍了相关算法的原理、软件编写及调试手段。最后对车模存在的问题及改进思路进行了分析、改进和展望。关键词：智能车，电磁感应，谐振回路，PID控制，超声波测距，MPC5604CMLL6晋豹智能车队V目 录第一章 引 言.11.1 设计背景 11.2 主要解决问题 11.3 章节安排 2第二章智能车系统总体设计方案.32.1 智能车机械结构整体设计方案32.2 智能车硬件电路整体设计方案42.3 智能车软件整体设计方案42.4 智能车主要技术参数5第三章机械设计制作及调整.73.1 机械结构制作部分设计73.1.1 电路板及传感器安装.73.2 车模机械结构的调整与改装83.2.1 舵机改装.83.2.2 底盘改装.83.2.3 前轮定位.93.2.4 车轮外倾角93.2.5 前轮前束.103.3 智能车转向机构调整优化.103.4 智能车重心位置的调整.113.5 其它机械结构的调整.12第四章电路设计说明 .134.1 单片机最小系统 13VI4.2 电源模块设计 134.2.1 电源管理模块.144.3 传感器电路设计与实现154.3.1 电感传感器的原理154.3.2 磁传感器信号处理电路154.3.3 磁传感器的布局原理及改进174.3.2 起跑线检测传感器的设计.194.4 驱动电路设计 21第五章智能车软件设计说明.235.1 赛道信息和两车距离提取245.2 转向舵机控制 .255.2.1 PID 控制原理255.2.2 转向舵机控制实现.275.3 速度控制 275.4 特殊赛道类型判断 275.5 两车距离控制 27第六章开发环境和调试方法.296.1 开发环境 296.2 调试方法和经验 306.2.1 硬件调试.306.2.2 软件调试316.2.3 机械调试316.3 基于 LABVIEW 的上位机与蓝牙模块及 SD 卡的合作.31第七章总结与展望 .33晋豹智能车队VII致 谢 .35参考文献I附录 程序源代码 .III1第一章引 言1.1 设计背景本设计是为了参加第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛而进行。全国大学生智能汽车大赛是受教育部高等教育司委托，由高等学校自动化专业教学指导委员会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。自第一届来，此项大赛已成为各大高校的热点赛事。本届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛全国总决赛将于将于 2015 年 8 月 28 日至 31 日在山东大学举行12。比赛涉及控制、传感技术、电子、计算机、机械等多个学科的专业知识，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。大赛分为摄像头、光电、电磁三个组别，本文介绍的是针对光电组比赛进行的光电式智能车设计，采用委会统一提供的竞赛车模，单片机选用飞思卡尔32 位微控制器 MPC5604CMLL6 作为核心控制单元，选用 10mH 电感与 6.3nf电容构成谐振回路检测赛道 20kHz 交变电磁场的方式作为赛道检测的主要方式，并针对本届比赛规则，设计传感器排布方式、方向控制、速度控制等，最终实现一套能够自主识别路线的智能车控制硬件、软件系统。比赛以准确和速度为主要评判标准，因此，设计主要以准确稳定提取赛道信息以及快速控制方向和速度为主要设计标准。1.2 主要解决问题设计主要针对大赛规则以及赛题标准进行。首先，要求能准确检测主要赛道路径；其次，根据规则中的特殊赛道类型，如十字交叉、直角弯、坡道及终点线检测等进行针对性设计2；最后，根据以上两方面提出的要求，对智能车整体系统进行设计，包括机械、各硬件电路模块以及程序的设计。设计中主要解决的问题列表见表 1.1。第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告2表 1.1 设计解决的问题及解决办法概略表主要解决问题主要解决问题解决方法简述解决方法简述赛道检测电感电容构成谐振回路检测车速获取自制测速轮，红外对管加 100 线光栅，脉冲计数法车距获取鸳鸯超声波模块坡道传感器测回电压值大小变化的特殊性十字交叉赛道检测，软件滤波终点线干簧管检测磁铁方向舵机控制PID 控制运动能力机械调整速度控制机械调整及 PID 控制调试手段键盘显示、SD 卡、LebView 上位机观测、软件开发平台1.3 章节安排本文第二章介绍整体设计思路和设计方案，第三章介绍硬件电路的设计与实现，第四章介绍机械部分的设计和实现，第五章介绍软件设计思路及部分代码举例，第六章介绍开发与调试环境及手段，最后一章给出结论和展望。由于经验有限，且时间仓促，尽管我们努力追求完美，但是技术报告以及智能车的制作中还存在很多问题和错误，欢迎大家批评指正，希望与大家真诚交流，共同提高3第二章智能车系统总体设计方案智能车作为一个整体系统，包括机械、电路硬件、软件三个主要部分，三部分互相联系，相互影响。智能车系统框图见图 2.1。图 2.1 智能车系统框图对这三个部分统筹设计是贯穿始终的原则，机械部分设计将决定智能车能力的最终极限，硬件电路将为智能车提供实现机械潜能所必需的能源、检测手段及控制能力，软件设计针对输入进行处理最终实现对智能车机械和电路的控制。2.1 智能车机械结构整体设计方案我们对机械设计部分总体的设计原则定位在：结构紧凑、连接稳固、减轻重量、合理调整重心四个方面。另外根据经典的机械原理，对智能车的传动结构、轮胎、车轮等进行规则允许范围内的调校。具体内容主要有电路板安装排布、支架固定、舵机改装、四轮定位等，具体内容将在第三章中介绍，最终车模整体见图 2.2。主要输入主要输入电磁传感器 干簧管 超声波测速传感器单片机单片机 5604机械机械 部分部分主要输出主要输出舵机控制电机驱动四轮悬挂传动底盘其他输入其他输入键盘串口输入其他输出其他输出显示串口输出外部存储第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告4图 2.2 智能车整体外观2.2 智能车硬件电路整体设计方案智能车中的电路包括：微处理器最小系统、电源、传感器电路、电机驱动电路、测速器以及其他周边电路。主要设计原则是最简、实用、可靠和模块。因为电路复杂就增加了故障几率，只要符合要求，提供足够的应用功能就足够，而智能车最容易出现故障的环节往往是硬件电路部分，这部分出现问题的后果也比较致命，所以可靠的电路设计的重要原则之一，另外，模块化设计便于整个系统的修改、升级、更替。具体设计详见第四章。2.3 智能车软件整体设计方案软件部分的设计主要是对微处理器 5604 的程序编写，通过计算 对其各个端口进行读写控制，即将传感器获取的电信号通过单片机端口读入，并经过处理，进行控制算法，最终通过单片机端口输出给硬件电路，对车速、方向等硬件电路进行控制，最终实现对车辆机械部分的控制。软件的设计原则主要是：效率、结构化、规范、易读。因为软件部分涉及到端口输入输出数据的处理，要对车辆硬件进行控制，因此要提高软件处理的效率以达到控制的及时性。另外，整个控制环节有紧密的逻辑关系，因此，软晋豹智能车队Error! No text of specified style in document.5件的结构合理和规范化的设计有助于调理逻辑关系，便于修改、调试、扩展及拥有较强的适应能力。程序编写选用 CodeWarrior 为编译环境，C 语言为主要程序编写语言。具体软件设计详见第五章。2.4 智能车主要技术参数智能车主要技术参数包括物理尺寸、电路指标等，具体参数见表 2.1。表 2.1 智能车主要参数表项目项目单位单位参数参数车模尺寸(长宽高)毫米(mm)750180230车模重量(带电池)克(g)2300车模轴距毫米(mm)170车模平均电流(匀速行驶)毫安(mA)8000电路电容总量微法(F)1600电磁传感器(电感电容谐振回路)个6电感值mH10传感器间距毫米(mm)200干簧管个6赛道信息检测空间精度毫米(mm)6赛道信息检测频率次/秒200核心处理器种类及个数MPC5604CMLL6 1 个智能车名称（前车）小黑智能车名称（后车）可乐注：由于设计报告书写期间智能车仍然在进行改进，因此有些数据未能更新。之后的内容中涉及到的参数、程序、图片也有类似情况，不做逐一说明。7第三章机械设计制作及调整智能车机械部分设计主要包括制作和调整两部分内容，制作部分的内容主要是对车模没有的部分进行设计，包括传感器支架、电路板固定、防撞、测速轮安装等。调整部分则主要是针对智能车车模本身已经有的机械部分，在规则允许范围内进行调整，改装，提高其运动性能，以适应高速行驶和快速控制，这部分主要包括舵机改装、底盘调整、避震调整、四轮定位等。本章内容主要对电路板安装、传感器支架以及机械调校部分进行介绍。3.1 机械结构制作部分设计由于大赛提供车模本身是运动型模型车通用车模，并没有提供专门为智能车安装电路、传感器等电路部分的部件，因此这部分机械结构需要自行设计制作并安装。制作部分主要原则为：轻、牢、简，所以我们主要选择铝合金、尼龙等原材料制作，所有自制结构，都是由我们手工制作。3.1.1 电路板及传感器安装根据前期传感器测试，我们得到电磁传感器的前瞻、架设高度、仰角等参数，根据参数，我们设计了电磁传感器的架设结构如图 3.1。图 3.1 电磁感器的架设另外一个传感器是测速传感器，码盘测速方式。具体安装如图 3.2 所示。第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告8图 3.2 测速感器的安装对于超声波模块的安装，我们选择了发射模块在前，接收模块在后的策略。两模块最好在同一水平面上正对着安放，同时保证不要被碳纤维杆挡住超声波信号。3.2 车模机械结构的调整与改装车模本身的机械结构是通用结构，并不适合智能车竞赛的要求，因此要对这些部分进行改装，另外，为了提高车模的运动性能，对一些机械结构还需要调整，比如车轮前束等。这部分着重介绍舵机改装、底盘等部分的调整和改装。3.2.1 舵机改装为了提高舵机反应速度，在相同转角下，有尽可能大的线行程，因此需要延长舵机臂。另一方面，由于舵机扭矩和转角精度的限制，不能无限制延长舵机臂，这样就确定了舵机臂的长度，并使用铝合金片加工成形，尺寸为24mm38mm。图 3.5 是舵机安装实物图，四个螺丝将舵机牢固安装在支架上。图 3.3 舵机改装晋豹智能车队Error! No text of specified style in document.93.2.2 底盘改装由于赛道特性，底盘改装目标是尽可能低(能保证通过坡道)，这样可以最大程度保证智能车行驶的稳定性。因此我们降低了底盘高度。另外，由于赛道整体属于平坦路面，没有较大