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。第一章 前言 1.1“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车比赛背景介绍 “飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请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。去年，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。比赛将在七月中旬开始，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。第二章 系统总体设计 系统总体设计框图如图2-1所示： 图2-1 系统总体框图 系统由三部分组成： 1.硬件部分：小车，用于驱动的直流电机，用于转向的舵机，速度检测装置，摄像头，调试用的天线 2.单片机资源：定时器模块，PWM模块、ECT模块、AD模块、串口模块 3.控制算法：控制小车的速度和转向，协调并实现各功能模块的功能。 硬件电路是整个设计的基础。系统结构如图2.-2示。9 图2-2 硬件系统电路框图硬件电路设计包括有以下六个部分： 1.单片机MC9S12DG128最小系统。其中S12单片机是系统的核心部分。它负责接收赛道图像数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。可以采用组委会统一提供的单片机开发板，也可以自行设计。本方案采用组委会提供的单片机开发板。 2.道路检测模块。用于完成对于赛道中心引导线的检测，主要包括光电检测和图像检测两种方式。这里选择使用摄像头方式进行道路检测。主要由S12的AD模块、外围芯片LM1881和电路、摄像头组成。其功能是获取前方赛道的图像数据，以供S12作进一步分析处理。 3.舵机以及后轮电机驱动模块。对模型车上的舵机和后轮电机的进行驱动，控制赛车的方向与速度。 4.电源模块：为各个电路模块提供电源。 5.速度传感器模块：由附在驱动齿轮上的霍尔传感器及电路组成。定时检测霍尔传感器脉冲累积数来间接求得赛车的速度值。 6.辅助调试模块：主要用于赛车系统的程序烧写，功能调试和测试，赛车状态监控，赛车系统参数和运行策略设置等方面。 此外，还包括有车架速度、电池电压和舵机位置检测等电路，增加模型车运行参数检测提高模型车控制性能，增加调试电路方便现场调试。 在硬件电路的基础上，利用道路检测信息和车模运行参数信息，通过编写信息处理和控制软件，实现对于模型车转向舵机以及驱动电机的控制，使其能够沿着赛道高速稳定的运行。 如果说硬件电路是身体，那软件部分就是大脑，用来控制身体的各部分的协调动作。控制算法模块组成如图2-3所示： 图2-3 系统设计程序框图 第三章 智能车硬件设计 3.1 电源模块 电源模块为系统其他各个模块提供所需的电源。设计中，除了需要考虑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案进行优化。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的可充电镍镉蓄电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此，电源模块包括多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。如图3-1所示，主要包括如下不同的电压： 5V电压。主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。 6V电压。主要是为舵机提供工作电压。实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。 7.2V电压。这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块提供电源。 8V电压。如果采用CCD/CMOS图象传感器来进行道路检测，则需要8V工作电源。 图3-1 电源模块的电路结构 除此之外，如果使用了其他的芯片和传感器。它们的工作电压可能不在上述之内，还需要通过专门的稳压电路提供相应的工作电压。例如采用飞思卡尔公司的MC7260加速度传感器进行车轮打滑检测，该传感器就需要3.3V的工作电压。 电源模块由若干相互独立的稳压电路组成。一般采用如图所示的星型结构，可以减少多个模块之间的相互干扰，为了进一步减少单片机的5V电源噪声，可以单独使用一个5V的稳压芯片，与其他接口电路分开。 除了电机驱动模块的电源可以直接取自电池之外，其余各模块的工作电压则需要从电池电压通过变换稳压获取，一般采用各种集成稳压芯片实现。选择稳压芯片时除了考虑电池两端的电压在模型车运行过程中会逐渐降低。特别是在模型车启动过程中，电池提供较大的启动电流时，电池两端电压会降低很多，所以需要选择一些工作压差小的稳压芯片。 降压稳压电路采用串联稳压和开关稳压两种芯片。开关稳压芯片的工作效率高，但有较高的电源噪声，耗电量比较大的电路适于采用开关稳压电路。如采用大电流红外检测电路，由于红外发射管数量较多，此时每个红外发光管工作时只需用串联很小的限流电阻甚至不用串联电阻。采用这种方法，可大大提高电源利用效率。 稳压电路的设计需要简单可靠，在满足电压波动范围要求下尽量简化电源设计。例如舵机电源在4.56V的范围内，电流100mA左右，从7.2V的电池电压通过串联两支二极管而获得。此外，通过实验可发现，组委会所提供个舵机可以直接工作在7.2V电压下，此时舵机的响应速度也会提高，所以直接使用电池电压作为舵机的电源。 采用CCD或CMOS摄像头作为道路传感器，它们工作电压在912V范围内。此工作电压高于电池的电压，需要借助于斩波升压电路获取。采用专门升压芯片进行设计，也可以利用单片机PWM输出端口控制大功率晶体管进行斩波升压。有些CMOS摄像头工作电压在69V之间，所以也可以直接使用电池电压提供电源，所以选择CMOS摄像头可以简化电源电路的设计。 消除电源中的噪声并减少电压波动，需要在各级电源模块中安装滤波电容，包括容量小的高频滤波电容以及大容量的电解电容。由于存在电机驱动，为了避免电机在启动和制动过程产生的冲击电流对于电源的影响，尽量加大电池两端的电容电量，但不能超过比赛规则允许的电容容量限制。 3.2 道路检测模块 检测赛道相对车模的偏移量、方向、曲率等信息是使行车模自主沿着赛道运行的核心基础，获取更多、更远、更精确的赛道信息是提高车模运行速度的关键。道路检测方式有很多种，总体上可以分为两大类： 1.红外发射/接受管检测方式，以后简称红外检测方式。通过红外发光管发射红外线照射跑道，跑道表面与中心线具有不同的反射强度，利用红外接受管可以检测到这些信息。通过合理安排红外发射/接受管的空间位置可以检测到模型车前方道路相对车模的位置。红外发射接受管一般安放在车模前端，可以安装一排，也可以前后安装两排，传感器的总数受到比赛规则的限制。 2.CCD/CMOS摄像头检测方式，以后简称摄像头方式，比赛规则规定CCD/CMOS摄像头算作一个传感器。单片机采集道路前面图像，通过软件处理获取赛道的各种参数。由于赛道本身只包括黑白两种颜色，采用黑白图像传感器即可满足要求。CCD/CMOS摄像头有面阵和线阵两种类型，它们在接口电路、输出信号以及检测信息等方面有着较大的区别，面阵摄像头可以获取前方赛道图像信息，而线阵CCD只能获取赛道一条直线上的图像信息。所以线阵CCD可以看作分辨率很高的红外检测方式。道路检测也可以采用红外与摄像头混合检测方式。 图3-2 摄像头检测方式和红外检测方式道路检测电路一般安放在模型车前端，对于模型车前方一定范围内的道路位置进行检测。为了克服模型车执行结构的惯性和时间延迟的影响，前方道路检测范围越大，对于提高模型车速度越有利。 调整传感器的安装位置与方向，能够增加检测前瞻距离、检测范围并减少检测盲区，可以提高模型车的运行速度和稳定性。但是检测范围与检测精度是一对矛盾，检测的前瞻距离与检测盲区也是一对矛盾。越远的道路表面再图像传感器中所呈现的图像相对越小，降低了道路信息的空间分辨率。在保证可以消除外界光线干扰并满足道路检测空间分辨率的前提下，尽量提高检测范围，同时满足如下要求：道路检测前瞻距离小于道路最小拐弯半径、道路检测最大范围小于道路的最大