光电组东南大学Fearless队技术报告.pdf

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1、 第七届“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：东南大学 队伍名称：Fearless 参赛队员：吴里程 刘 玮 阳 赛 带队教师：谈英姿 孙 琳 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关于保留、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、赛道资料，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：2012 年8 月 14 日 摘 要 本文介绍了东

2、南大学光电队队员们在准备第七届Freescale智能车大赛过程中的工 作成果。智能车的硬件平台采用带MC9S12XS128处理器的S12环境，软件平台为 CodeWarrior IDE 5.1开发环境，车模采用大赛组委会统一提供的型车模。文中介绍了智 能小车控制系统的软硬件结构和开发流程。 为了提高小车特性，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PID 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，用旋转编 码器作为速度传感器， 大大提高了检测精度， 实现了速度闭环控制。 其四， 充分利用S12 单片机现有模块进行

3、编程，同时拨码开关、状态指示灯等方便了算法调试。 关键字：智能车，激光管，随动摇头，PID 控制 - V - 目 录 第一章 引 言. 1 1.1 赛事介绍 . 1 第二章 智能车总体技术概要 . 3 第三章 赛车机械结构的调整 . 4 3.1 转向舵机的安装调整 .4 3.2 前轮参数调整 .5 3.3 测速模块安装 .8 3.4 随动摇头舵机及主传感器的安装 . 13 3.5 辅助传感器的安装 . 13 3.6 主动悬挂 . 13 3.7 主板的安装 . 13 3.8 差速器调整 . 13 3.9 车模整体重心调整 . 13 3.10 本章小结 . 13 第四章 硬件电路设计. 17 4.

4、1 电源模块设计 . 17 4.2 S12 最小系统 . 18 4.3 电机驱动模块 . 19 4.4 激光传感器电路设计 . 20 4.5 测速模块电路设计 . 22 4.6 本章小结 . 23 第五章 软件设计 . 23 - VI - 5.1 程序流程 . 24 5.2 系统工作过程 . 24 5.3 赛道信息采集子程序设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.4 随动摇头舵机控制程序设计 . 29 5.5 打角舵机控制程序设计 . 29 5.6 十字路口的处理. 29 5.7 坡道的处理 . 29 5.8 速度控制子程序设计 . 29 5.9 本章小结 . 29 第六章 开发工

5、具、制作、安装、调试过程说明 . 32 6.1 软件开发工具 . 29 6.2 现场调试 . 33 第七章 模型车的主要技术参数说明 . 32 7.1 模型车技术参数统计. 32 第八章 结 论. 33 8.1 设计特点 . 33 8.2 系统存在的问题. 33 8.3 改进方向 . 33 参考文献 . 354 - VII - - 1 - 第一章 引 言 1.1 赛事介绍 全国大学生智能汽车竞赛是在统一汽车模型平台上，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、设计电 机驱动电路、编写相应软件以及装配模型车，制作一个能够自主识别道路的模 型汽车，按

6、照规定路线行进，以所需时间最短者为优胜。该竞赛是涵盖了控制、 模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械及车辆工程等多个学科的科 技创意性比赛。 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，推荐采用飞 思卡尔16 控制器MC9S12XS128 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， 车模改装完毕后，尺寸不能超过：350mm 宽和 400mm 长，高度无限制，跑道表 面为

7、白色，两边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 在方案设计的过程中，我们参阅了很多院校的往届大赛技术报告，特别是 清华大学、北京科技大学等。在国内，他们对智能车研究起步的比较早，例如 清华大学首创记忆算法、北京科技大学创先使用激光管。对于LED 组来说，提 高小车的速度和稳定性，核心问题是如何更早且更准确的提取到赛道信息，并 作出相应的动作和判断。所以我们采取的策略是激光传感器加人工调参，共同 实现我们的目标。这样大大提高赛车的前瞻性，使赛车的稳定性提高，从而提 高总体速度。 1.3 技术报告内容安排 本技术报告的正文分为四个部分。第一部分是对整个系统实现方

8、法的一个 概要说明，主要内容是对整个技术方案的概述；第二部分是对系统机械结构的 说明，主要介绍系 PCB 板的固定和安装、前轮参数调整和舵机的升高等；第三 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 2 - 部分是对硬件电路设计的说明，主要介绍系统传感器的设计及其他硬件电路的 设计原理、创新点和实现过程等；第四部分是对系统软件设计部分的说明，主 要内容是智能模型车设计中主要用到的控制理论、算法说明及代码设计介绍以 及开发工具的应用等 在这份技术报告中，我们小组通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆 参数的介绍，比较详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设 计，以及算法控制方面的创新想法，

9、在单片机的实际调试中我们克服了很多难 题，付出了很多心血。这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后 的成果。 在准备比赛的过程中， 我们小组成员详细学习研究了控制策略、模式识别、 传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的知识，这次磨练对我 们书本所学知识的一次大检验，充分发挥了队员各自的特点，很好的锻炼了我 们的实际动手能力和创新能力，这必将在以后的学习工作中受益。 - 3 - 第二章 智能车总体技术概要 赛车制作的主要思路是利用激光管来提取赛道前方的信息， 并将信息采集到S12 单 片机的I/O 口， 并进行滤波等处理。在 S12 单片机中利用一定的算法来控制模型车的运 行

10、状态。 赛车的控制系统包括电源管理模块、MCU 模块、路径识别模块、电机驱动模块、舵 机控制模块、转速测量模块等。在整个系统中，由电源管理模块实现对其他各模块的电 源管理。其中，对单片机、传感器、测速电路、数字舵机提供5V 电压，对模拟舵机和 电机提供7.2V 电压。赛车模型车是由四轮驱动的，路径识别模块则采用激光管传感器 寻迹方案。路径识别电路由24 个激光管发射与8 个接收管组成。由于赛道中存在轨迹 指示黑线，落在黑线区域内的光电接收管接收到反射的光线的强度与白色的赛道不同， 进而在光电接收管两端产生不同的电压值， 由此判断行车的方向。路径识别模块会将当 前采集到的一组电压值传递给MCU

11、模块。转速测量模块则安装在电机下方， 它每个周期 反馈一次模型车行驶过程中的瞬时速度。 人机模块会设定模型车在行驶过程中一些较重 要的参数，如：直道速度、弯道速度，一些重要的P,I 参数等。测量出的瞬时速度将输 入到单片机中， 以帮助分析确定模型车与给定速度进行对比通过PID 算法来确定下一步 的速度、 转角等。无线串口传送模块会同LABVIEW 显示传感器检测值和模型车的速度等 参数，以方便对整车进行调试。MCU 模块会根据按键的设定值，路径识别模块采集到的 电压值以及转速测量模块反馈回的瞬时速度值等综合分析， 采用一定的算法对舵机和直 流电机进行控制。以上即是技术方案的概要说明。 全国大学

12、生智能汽车邀请赛技术报告 第三章 赛车机械结构的调整 3.1 转向舵机的安装调整 转向舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过 改变舵机的安装位置， 而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。 分析 舵机控制转向轮转向的原理可以发现，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端 的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。这相当于增大力臂长度，提高线 速度。 但是力臂也不能无限增大， 这是因为舵机输出的力矩是一定的， 力臂越长力越小， 过长的力臂反而会引起转向迟钝，因此力臂的长度必须取一个最合理的值。 经过反复的 实验，我们发现力臂在3.6cm 左右时转

13、向效果较好，并且将舵机卧着放置在车头位置， 这样既可以方便地增长力臂， 而且架设的重心较低，又为车模上电路板的安装腾出了空 间。 图 3.1 转向舵机的安装 - 3 - 3.2 前轮参数调整 调试中发现，在赛车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为 了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。 前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前 轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等 4 个项目 决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。 （1） 主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度， 它的

14、作用是使前轮自动回正。 角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角 度越小前轮自动回正的作用就越弱。 主销内倾 - 7 - （2）主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转 弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自 动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性 也愈好。 主销后倾 （3） 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 速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。 （4）前轮外倾角对汽车的

15、转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转 向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字” ，如果车轮垂直地面 一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。 所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1左右。 （5）所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中 心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎 的磨损。前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮 胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 车轮前束 经过与赛道的磨合，我们将内倾角调整为 5 度，

16、可以在一定程度上增加车 模在过弯时的摩擦力，前束约为3 度，以配合内倾角。 3.3 测速模块安装 我们采用的是增量式编码器测速，编码器旋转一周回产生300 个脉冲，这 已经充分满足赛车的检测精度，能够较好地完成车速的闭环控制。我们除了用 编码器测电机转速，还增加了“第五轮”来测车模的实际行驶速度，以解决车 轮在打滑时测速不准的问题。安装方式如图3.3。 - 9 - 图 3.3 测速模块安装方式 3.4 随动摇头舵机及主传感器的安装 我们在车模上增加了一个带动主传感器转动，随时跟踪黑线的舵机，俗称 为摇头舵机。这样做的好处是使得激光光点能够时刻照在黑线上，很大程度上 减少了丢线情况的发生。这个舵

17、机我们使用的型号是 S3010 ，相比于 SD-5，它 的力矩更大，用作摇头舵机较为合适。摇头舵机安装的重点是要牢固，且转动 平面一定要与车底盘平行，这样才能保证转动时的稳定性。我们将摇头舵机用 铜柱支撑起来，配合一片有机玻璃支架将其固定，为了降低重心，我们仅仅将 舵机支撑起了较小的一个高度。安装方式如图3.4。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 3.4 随动摇头舵机的安装 主传感器通过一个金属支架与摇头舵机相连，其俯仰角可以调节。主传感 器上有 24 个激光发射管， 分别排列在传感器电路板的上下两面，比起仅仅排列 在一面，这样做可以使得电路板做得比较短，减小了转动惯量，在转动跟踪黑 线时

18、将更加灵敏。安装方式如图3.5。 - 11 - 图 3.5 主传感器的安装 3.5 辅助传感器的安装 由于车在行驶到坡道时主传感器无法正常寻线，我们增加了一排激光专门 在坡道上辅助寻线，它固定地安装在车的前部，上面安装有8 个激光发射管。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 3.6 主动悬挂 我们在参阅其他学校技术报告时了解到了这个技术， 结合车模的实际情况， 我们研究并制作出了这样一套装置，它能够主动地调整施加在两侧轮子上的压 力，以适应赛车在各种路况中的需要，我们通过大量实验发现，如果能够合理 控制，这套装置对于过弯是有较大帮助的。如图 3.6 所示。 图 3.6 主动悬挂 - 13 - 3

19、.7 主板的安装 我们为了使车模上电路尽可能简洁，将除传感器外的所有电路全部集成在 一块主板上，其尺寸为10CM*6CM，紧贴底盘安装，使得重心做到最低。其安 装方式如图 3.7 所示 图 3.7 电路板的安装 3.8 差速器调整 差速器的作用是使车在转弯时内外侧后轮转动速度不同，满足转弯时内侧 轮转速慢，外侧轮转速快的需要。良好的差速器可以使过弯更加顺畅。今年 B 车上的差速是双滚珠结构，实际上只需简单调节固定后轮的螺母松紧度，就可 获得较理想的差速效果。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 3.9 车模整体重心调整 在垂直方向，车模的重心要尽可能低。为做到这一点，我们首先放低底盘， 车模原装

20、底盘高度约为 2CM，这显然不满足车模竞速的需要，我们通过增加垫 块等方式，把车轮相对于底盘的位置提高，以把底盘放低，最终车模底盘离地 高度约为 0.7CM。此外，激光传感器也放到允许的最低高度，整个车高度不超 过 15CM，使得车模拥有极低的重心，行驶更加稳定。 水平方向，重心的调整则没有一个固定原则，调整应该以行驶效果为准。 重心靠前，则后轮抓地力较弱，表现出的效果是过弯时易甩尾，车子不好控制。 重心靠后，则前轮抓地力较弱，表现出的效果是过弯时，速度一定的情况下， 车子的最小转弯半径过大，易被后轮推出赛道，无法以高速通过某些半径较小 的弯。最终通过实验，我们将整体重心放在原装车模电池的位置

21、。整车效果如 图 3.8 所示。 - 15 - 图 3.8 车模整体 3.10 本章小结 车模机械结构调整是非常重要的，它极大地影响了车模在赛道上行驶的实 际情况。因此我们在机械调整上花了大量的时间和精力，可以说车模上的每个 部件安装的方式都是经过了我们深思熟虑和反复实验的。 第四章 硬件电路设计 硬件电路是系统的基础，为了给整个智能车系统提供一个稳定、可靠的硬 件平台，遵循在满足要求的前提下，电路设计尽量简单的原则。以期达到减少 故障率、减少经费投入的目的。 4.1 电源模块设计 B 车模由于有一个功率极大的电机，在电机驱动电路较好的情况下，它在 加速的瞬间电流超过 10A，会对电路系统造成

22、非常大的冲击。因此，电路尤其 是电源电路的设计必须非常讲究，抗干扰能力一定要强，保证单片机和传感器 的稳定工作，车模才能行驶得稳定。 在整个系统中我们一共使用了 3 片电源芯片，对赛车各个模块进行供电如框图 4.1。 图 4.1 电源设计框图 电源原理图如图4.2。 7.2V 镍镉电池 TPS7350 （5V） 激光管 TPS7350（5V） MCU 编码 器 UCC283 （5V） 数字 舵机 电机及模 拟舵机 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 4.2 电源模块 4.2 S12 最小系统 以 MC9S12XS128 为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部 分：时钟电路、电源电

23、路、BDM 接口1。其中各个部分的功能如下： （1）时钟电路给单片机提供一个外接石英晶振。 （2）电源电路主要是给单片机提供5V 电源，并对电源进行退耦和滤波。 (3) BDM 接口让用户可以通过BDM 头向单片机下载和调试程序。 我们将最小系统集成在主板上，原理图如图4.3 所示。 - 19 - 图 4.3 S12 最小系统 4.3 电机驱动模块 由于 B 车模上使用的电机功率较大，我们在使用传统的大功率半桥芯片 BTN7970 驱动电机时发现，BTN7970 发热严重，经常过热保护，无法负载起这个 电机，因此最终我们使用 MOS 管自行搭建全桥电路进行驱动，收到了非常良好 的驱动效果，不仅

24、解决了发热问题，而且电机的性能也得到了充分发挥，只需 给电机 60%占空比驱动就可以获得极高的加速度。原理图如图 4.4 所示。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 4.4 驱动模块 4.4 激光传感器电路设计 （1）激光检测原理 激光传感器检测道路的工作原理如图 4.2 所示。激光管处于黑线上方时，经 调制后的激光点打到黑色线上，黑色对光吸收强，接收管接收到的激光少，接 收管输出低电平；当激光管处于白色地面上方时，根据漫反射原理，一部分激 光被反射回接收管，通过透镜聚光，反射回的光强到达一定要求时，接收管输 出高电平。从而可以实现对道路情况的检测，进而引导智能车。 激光发射管 激光接收管

25、激光发射管 激光接收管 - 21 - 图 4.2(a) 激光照射到白色地面上 图 4.2(b) 激光照射到黑线上 图4.5 光电传感器工作原理示意图 （2）激光传感器电路设计 激光采用分时发射，即同一时刻只有左右两边各一个激光点亮，这样可以 降低功耗，并且防止激光发射管间互相干扰。我们使用译码器来选通不同的激 光发射管。另外，激光管上需要加一个 180KHz 的调制信号，这样接收管才能正 常接收，根据接收状态输出高低电平，这个调制信号是由一个专门的调制管产 生的。激光发射电路如图 4.6 所示。 图 4.6 激光发射电路 接收电路使用的是一个专用650nm 激光接收管，它接收到调制激光时输出低

26、电 平，接收不到时输出高电平，我们外接了一个指示灯指示其接收状态。 激光接收电路如图4.7 所示 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 4.7 激光接收电路 4.5 测速模块电路设计 由测速模块使用的是增量式编码器，它旋转一周输出 300 个脉冲，将它接 到单片机脉冲累加器引脚上，每隔固定周期读取累加的脉冲数，即可获得当前 车模的速度，使用非常简单。由于单片机只有一个脉冲累加器，我们却有两个 编码器分别测电机转速及车模实际速度，因此我们还外接了一个计数器。电路 如图 4.8 所示。 - 23 - 图 4.8 测速模块 4.6 本章小结 好的电路系统是智能车稳定行驶的根本。对每一个模块的设计及布

27、局布线 都应该经过慎重的考虑，并且需要得到实践的检验。电路板之间的连接线应尽 可能少，这样既简洁美观，又减小了连线接触不良等故障发生的概率。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 第五章 控制程序的设计 5.1 程序流程 在赛车的控制中主要用到 S12 芯片中的PWM 模块， ECT模块、 I/O 模块以 及 SCI 模块等模块化设计。PWM 模块主要用来控制舵机和电机的运转；ECT 模块主要是用在了测速模块和数据采集，捕捉中断并计算瞬时速度；I/O 模块主 要是用来分配给按键和激光管的触发和输入；SCI 模块主要用在无线串口传送 模块。 图 5.1 程序流程 周期定时 采 集路 面 信息 提 取

28、黑 线 位置 获取当前车 子状态 通电初始化 开始循环 综合处理 给出操作信 息 - 25 - 5.2 系统工作过程 开机后，对所有硬件进行初始化，完成后，开启 RTI 实时中断，对激光管 扫描发生，并对接收信号进行保存。 扫描完一轮后，开始处理采样数据，并计算出当前车身偏离跑道的程度， 单片机根据这个偏离程度计算出摇头舵机需要的转角以使传感器打出的光点始 终在黑线上，然后根据摇头舵机转动的角度及光点所得到的位置综合计算出打 角舵机的转角值。此外，根据采集的赛道信息，还要计算出当前期望速度，并 使用 PID 算法对速度进行闭环控制。 5.3 赛道信息采集子程序设计 今年光电组规则发生了较大的变

29、化，由原来赛道中间的一根黑色引导线换 成了赛道两边的两根黑色引导线，我们的思路是通过在两边分别呈一字排布的 两排激光光点检测到的黑线位置信息，综合计算出一条假想的引导线，根据它 相对于车身的位置来引导车子前进。其具体实现方法如下： 两边各分布 12 个光点，两两间距 2CM，每边都保证至少有一个点打在黑 线上，每个光点对应一个权值，如图 5.2 所示。我们把两边检测到黑线的光点 的权值相加，就得到当前激光光点整体与赛道中心的偏移程度，我们命名为 Line_Center。根据这个偏移程度来控制摇头舵机转动跟线以减小偏移，将摇头 舵机转动角度和光点整体偏离赛道中心的程度结合起来来计算出这条假想引导

30、 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 线相对于车身的位置，用它来控制打角舵机打角。 -12-11-10-9-8-7-6-5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 图 5.2 光点排布及权值 5.4 摇头舵机的控制程序设计 在车模整个行驶过程中，摇头舵机会不断的转动使得激光光点始终跟随着 黑线。在 5.3 中已经提到，通过检测到的光点整体相对于赛道中心的偏移程度， 控制摇头舵机转动减小这个偏移程度。假设当前摇头舵机PWM 值是 4200，且 两边检测到黑线的光点权值之和 Line_Center 为4，我们需要通过改变摇头舵机 PWM 值使得 Line_Cen

31、ter 接近 0，但是我们不知道需要改变多少 PWM 值能做 到这一点，这恰好就是控制系统要解决的问题，因此我们采用最简单的比例控 制，每个周期将当前计算得到的 Line_Center 乘以一个比例系数加到摇头舵机 PWM 值上，使得它向减小 Line_Center 的方向转动，这样经过数个周期后，摇 头舵机输出值将稳定，Line_Center 也将落到-1 到 1 之间，控制完成。这里我们 把 Line_Center 在-1 到 1 这个范围设为死区， 在这个范围内摇头舵机不动作， 这 样使得摇头舵机可以较容易地完成控制任务，否则舵机会在一个小范围内左右 晃停不下来。 - 27 - 5.4

32、打角舵机的控制程序设计 摇头舵机的转角 （PWM 值） 已经基本能够反应前方赛道中心与车身的偏移 程度，但是由于摇头舵机的转动总是落后于赛道方向的变化，因此总存在光点 整体相对于赛道中心的偏移的情况，必须要将这个偏移程度加入到计算当中以 补偿摇头舵机转动的滞后。我们将当前光点整体相对于赛道中心的偏移程度乘 以一个系数再加上当前摇头舵机的转角，就得到了前方假想引导线相对于车身 的偏移程度，将这个偏移程度作为控制目标，调整打角舵机的转角使得车身不 断跟随这条假想引导线，减小假想引导线相对于车身的偏移程度。这里我们使 用 PD 控制算法来控制打角舵机，使得车身能够较好地跟踪上这条线。 5.5 十字路

33、口的处理 今年的新规则中，十字路口变成了如图 5.3 所示的样子。在十字路口处， 激光将扫不到任何线，出现一段全白的情况。 图 5.3 十字路口 当连续 3 个周期出现全白时，我们就认为进入十字路口，给摇头舵机输出 中心值，使得车模向正前方前进，直到再次检测到黑线，就进入正常寻线状态。 这样，可以保证在十字路口处沿着正确的方向行驶，不至于在出现全白时走错 方向。但是这种方法也有它的弊端，即在正常弯道中由于被我们称为“赛道加 宽效应”的现象出现，也会出现 3 个周期以上的全白，与十字路口混淆，造成 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 正常弯道中车身出现抖动，甚至冲出赛道。 5.6 坡道的处理 由于

34、主传感器激光发射出的光线与地面夹角较小，因此当车模在上坡以及 位于坡顶时，主传感器均无法获得黑线位置信息，如果不予以处理，车模将处 于“盲跑”的状态，而这是非常不稳定的，因此我们增加了一排辅助传感器来 在坡道上辅助循迹。在上坡到 2/3 时，主传感器光线将全部照向空中，即认为 全部是黑，这种情况我们就判断为坡道，开启辅助传感器进行循迹。 5.7 速度控制子程序设计 速度控制可以说是智能车软件设计中最关键的部分，速度控制的好，车子 整体速度就可以非常快。它遵循的原则是：入弯减速，出弯加速，急弯设置速 度低，缓弯设置速度高。我们通过假想引导线偏离车身的程度及几个周期内这 种偏离程度的变化率，共同判

35、断车模是入弯，还是出弯，以及弯道的急缓程度， 以设置不同的目标速度，然后通过 PI算法控制电机转速达到设定值。 5.8 本章小结 软件设计的好坏，决定了硬件性能能够发挥多少，因此智能车想要速度快， 那么软件是必须花很大功夫来设计，调试的，某些参数的试凑更是需要足够的 耐心。 - 29 - 第六章 开发工具、制作、安装、调试过程说明 6.1 软件开发工具 此次智能车大赛的软件开发平台为 Metroworks 公司的 Code Warrior 5.1 开 软件。其使用界面如图 6.1 所示： 图 6.1 调试界面 CodeWarrior 的功能非常强大，可用于绝大部分单片机、嵌入式系统的开 发。用

36、户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中，工程文件 一旦生成就是一个最小系统，用户无需再进行繁琐的初始化操作，就能直接在 工程中添加所需的程序代码。在使用 BDM 的调试过程（如图 5.6）中我们能进 行很有效的一些操作如监视寄存器状态、修改 PC 指针、设置断点等，这样能 快速地帮助我们找到软件或硬件的问题。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 6.2 BDM调试 6.2 现场调试 程序下载进单片机后，我们就进入现场调试阶段，即让车模在赛道上跑 起来，并且通过无线模块让单片机实时的发送传感器的各种状态，包括误判时 传感器的值，上坡时，过弯时的一些参数，结合车体的状态进行参数或阀

37、值得 调节，这种方法大大简化了我们的工作，提高了效率。我们专门为调试编写了 一个上位机软件，使用的开发工具是 LABVIEW。软件界面如图 6.3 所示。 - 31 - 图 6.3 上位机软件 在赛车的运行过程中我们还针对不同的情况使人机界面上的 OLED 屏显示 不同的数值，从而判断赛车在整个行进过程中是否出现误判。 第七章 模型车的主要技术参数说明 7.1 模型车技术参数统计 车模的各项参数归类如下表7.1 表 7.1 赛车技术参数 项目 参数 路径检测方式 激光传感器 车模几何尺寸（长，宽，高）(mm) 344/212/148 车模平均电流（匀速状态） 2750mA 电容总容量（F） 1

38、900F 传感器种类及个数 3 种 14 个 新增舵机个数 2 个 赛道信息检测空间精度（mm） 20mm 赛道信息检测频率（次/秒） 250 次/秒 主要集成电路种类/数量 5 种/6 块 车模重量（带电池） （Kg） 1.5Kg - 33 - 第八章 结 论 8.1 设计特点 （1）使用了激光传感器，使得车模前瞻可以达到55CM，大大提高了车模 对前方赛道的预判性。 （2）主传感器可以转动随时跟随黑线，提高了传感器的视野，抑制丢线情 况的发生。通过双排固定激光的工艺，使得主传感器电路板长度仅 13CM，拥 有极小的转动惯量，转动十分灵活。 （3）增加了主动悬挂装置，使得车模能主动地调整两侧

39、车轮的压力，适应 不同路况，有着较高的智能程度。 （4）优良的电路及 PCB 设计，电路板体积小，重心低，工作稳定。 8.2 系统存在的问题 尽管在设计中我们作了很大的努力，但是由于时间紧迫以及缺乏经验等原 因，本系统仍然存在着一些问题，主要有以下几点： （1）摇头舵机由于使用的舵机型号受限，使用当前PD 控制算法滞后较严 重，在高速情况下 S 弯仍易出现丢线情况，如果能够使用更高级的算法，例 如史密斯预估控制算法，进一步发挥出舵机的物理极限。 （2）十字路口处理方法过于简单，影响正常弯道的行驶，这一点亟待改 进。 （3）受制于使用的激光管，前瞻没有达到理想程度。 8.3 改进方向 在条件允许

40、的情况下，本系统可以做以下几个方面的改进： （1）研究摇头舵机的数学模型，利用高级控制算法使得摇头舵机响应更 快。 全国大学生智能汽车竞赛技术报告 - 34 - （2）优化十字路口处理方式。 （3）使用大功率激光，使前瞻达到65CM 左右。 - 35 - 参考文献 1 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法M.北京：清华大学出版社，2004 2 康华光.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001 3 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998 4 张宇河，董宁.计算机控制系统.北京：北京理工大学出版社，2002 5 谭浩强.C 程序设计M.北京：清华大学出版社，2001 6

41、侯国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1 编程与虚拟仪器设计M.北京：清华大学出版社， 2005 7 HCS12 Serial Communication Interface(SCI) Block Guide V02.05S12SCIV2/D 8 Metrowerks.IDE Help for Code Warrior Plug-in for Motorola.Metrowerks Semiconductor, Inc.，2005 9 周斌，李立国，黄开胜. 智能车光电传感器布局对路径识别的影响研究. 电子产品世 界，2006.5 10 卓晴,黄开胜，邵贝贝，学做智能车M.北京:北京航天航空出版社,2007 11 江思敏等Protel 电路设计M北京.清华大学出版社2002