第六届全国大学生“飞思卡尔”杯
智能汽车邀请赛
技术报告
学校：西北工业大学
队伍名称：飞豹队
参赛队员：廖文龙
付斌
单坤
带队教师：曲仕茹
2011年8月12日
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第六届“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：廖文龙
付斌
单坤
带队教师签名：曲仕茹
日期： 2011.8.12
目 录
第一章引言 (1)
1.1比赛背景 (1)
1.2 比赛规则 (1)
1.2.1分赛区、决赛区比赛规则 (1)
1.2.2硬件限制规定 (2)
1.2.3赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局） (3)
1.3本文结构 (3)
第二章总体结构设计 (5)
2.1比赛规则分析 (5)
2.2方案设计 (5)
2.2.1检测原理 (5)
2.2.2 激光传感器的设计 (6)
2.2.3速度检测方案 (6)
2.2.4速度控制方案 (6)
2.3硬件系统总体设计 (7)
2.4软件系统总体设计 (7)
2.5主要技术参数 (8)
2.6本章小结 (8)
第三章机械结构设计 (9)
3.1前轮的调整 (9)
3.2舵机的安装与舵机力臂的调整 (10)
3.2.1舵机的安装 (10)
3.2.2舵机力臂的调整 (10)
3.3差速器的调整 (11)
3.4激光管阵列的安装 (11)
3.5电路板的固定与安装 (11)
3.6本章小结 (12)
第四章硬件系统设计与实现 (13)
4.1主控模块 (13)
4.2光电检测模块 (13)
4.3速度检测模块 (14)
4.4舵机驱动模块 (15)
4.5电机驱动模块 (15)
4.6电源模块 (15)
4.7调试模块 (17)
4.8本章小结 (17)
第五章算法设计与实现 (18)
5.1模型建立 (18)
5.1.1基于后轮差速的运动模型 (18)
5.1.2基于速度和前轮转角的运动模型 (20)
5.2控制算法 (24)
5.2.1 PID控制介绍 (24)
5.2.2 模糊控制介绍 (25)
5.3 转向控制算法 (26)
5.4速度控制算法 (26)
5.5本章小结 (27)
第六章软件系统设计与实现 (28)
6.1系统初始化 (28)
6.2赛道信息采集 (28)
6.3赛道信息处理 (29)
6.4决策控制 (29)
6.5本章小结 (29)
第七章开发与调试 (30)
7.1软件开发环境介绍 (30)
7.2赛车整体调试 (31)
7.2.1舵机调试 (31)
7.2.2电机调试 (31)
7.2.3 整体调试 (31)
7.3本章小结 (32)
第八章结论 (33)
8.1总结 (33)
8.2不足与展望 (33)
参考文献 (34)
附录源程序代码 (35)
第六届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告
第一章引言
1.1比赛背景
教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办的全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大竞赛的基础上，经研究决定，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛，并成立了由教育部、自动化分教委、清华大学、飞思卡尔半导体公司等单位领导及专家组成了组委会。
此项赛事，在韩国已经举办过多届，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、机械等诸多学科，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。
本次是第六届比赛，比赛规定参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购的竞赛车模套件，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、动力电机驱动、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。与第二届比赛相同，各参赛队须先参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，方可参加全国决赛区的场地比赛。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，技术报告、制作工程质量评分为辅来决定。值得注意的是，本届大赛首次将参赛队伍划分光电与摄像头两个赛题组分别进行比赛，在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电赛题组。
1.2 比赛规则
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参与。秘书处将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。1.2.1分赛区、决赛区比赛规则
分赛区和决赛区的比赛规则相同，都具有电磁组、光电组和摄像头组比赛。三个赛题组比赛在各自赛场进行，所遵循的比赛规则是相同的，但分别独立进行成绩排名。
比赛要点如下：
1．赛车前两次冲出跑道时，由裁判员取出赛车交给比赛队员，立即在起跑区重新开始比赛，该圈成绩取消。选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛；
2．比赛过程中出现下面的情况，算作模型车冲出跑道一次：裁判点名后，1分钟30秒之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备；
i.比赛开始后，赛车在30秒之内没有离开出发区。
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3．比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败：
i.赛车在离开出发区之后120秒之内没有跑完两圈；
ii.赛车冲出跑道的次数超过两次；
iii.比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车；
iv.决赛前，赛车没有通过技术检验。
4．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；
5．选手进入赛场后，除了可以更换电池之外，不允许进行任何硬件和软件的修改；
6．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；
7．不允许其它干扰赛车运动的行为；
8．不允许车模设计方案抄袭，同一学校参赛队伍的车模设计的硬软件需要相互之间有明显的不同。
1.2.2硬件限制规定
一、车模限制
1）须采用统一指定的车模；
2）禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；
3）禁止采用其它型号的驱动电机，禁止改动驱动电机的传动比；
4）禁止改造滚珠轴承；
5）禁止改动舵机，但可以更改舵机输出轴上连接件；
6）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；
7）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；
8）车模改装完毕后，尺寸不能超过：250mm 宽和400mm长。
二、电路器件及控制驱动电路限制：
1）须采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位处理器(单核)作为唯一的微控制器，每台模型车的电路板中只允许使用一种型号微控制器。8位微控制器最多可以使用2片，16位微控制器限制使用1片；不得同时使用8位和16位微控制器；
2）参加光电赛题组中不允许使用透镜成像进行路径检测，参加摄像头赛题组可以使用光电管作为辅助检测手段。
3）伺服电机数量不超过3个；
4）传感器数量不超过16个(红外传感器接受单元计为1个传感器，发射单元不计算，CCD传感器记为1个传感器)；
5）直流电源使用大赛提供的电池；
6）禁止使用DC-DC升压电路直接为驱动电机以及舵机提供动力；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。
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三、可以选择参数：
1）开发软件可以选择CodeWarrior调试软件，也可以另行选择；
2）开发调试硬件可以选择秘书处统一提供的 BDM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）种类与数量都可以自行设计选择。
1.2.3赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局）
1）在分赛区以及决赛区进行初赛阶段时，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）赛道直线部分可以有坡度在15度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路；
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。
1.3本文结构
本文系统的介绍了制作本智能模型车的各项技术。具体章节安排如下：
第一章引言介绍了本次比赛的背景，引出下文。
第二章总体结构设计从比赛规则入手，通过分析任务要求，论证了检测和控制方案，同时介绍了硬件和软件系统总体结构，并给出了赛车的主要技术参数。为了确定方案我们查找了很多文献，有关于传感器和传感器技术的，如参考文献[3,4]；还有关于机器人技术的，如参考文献[5]；以及关于去年比赛的论文，如参考文献[6]。
第三章机械结构设计介绍了光电管阵列、舵机、测速电机和电路板等的安装，以及对前轮、舵机力臂、差速器等的调整。其中应用了一些相关的汽车理论知识，如参考
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文献[8]。
第四章硬件系统设计与实现分析智能车系统各组成部分为实现特定功能应采用什么样的电路，能达到最好效果同时产生的噪声和对其他电路的干扰最小。参考的主要资料是芯片的datasheet，如参考文献[7,9-12]。
第五章算法设计与实现从建模的角度分析车的运动形式，最后得出控制算法。其中，数学基础理论参考了文献[13]。在控制算法上，我们对比了模糊控制和PID控制。主要参考文献有[14-16]。
第六章软件系统设计与实现介绍了智能车的系统初始化、赛道信息采集、赛道信息处理和决策控制。
第七章开发与调试介绍了软件开发的环境，以及对各部分的调试方法。我们软件开发环境为Metrowerks公司开发的软件集成开发环境Codewarrior，因此，我们仔细研究了Codewarrior使用指南 [17]。
第八章结论总结了几个月来制作智能车的整体工作，并分析了目前的不做，最后对未来的工作进行了展望。
第二章总体结构设计
2.1比赛规则分析
第三届竞赛首次将参赛队伍划分光电与摄像头两个赛题组分别进行比赛，这样一来，光电组就摆脱了以前与摄像头组相比竞争力不强的劣势，同时光电传感器稳定频率较高，所以光电检测具有一定的潜力空间。综合考虑，我们选择使用光电检测。
智能车比赛考验的是各个赛车跑完单圈的最短时间，同时要求赛车能识别起始线并在通过起始线后三米范围内自动停止。由此可知，要取得好成绩关键是在保证稳定性的前提下最大的提高赛车的速度。简单地说，我们所要做的就是处理好赛车的转向和速度控制。具体看来，需要考虑以下方面：
第一， 提高速度需要赛车“看”的更远，以便能够预知前方更远路况，提前加速或者减速，从而达到速度最优；
第二， 对于直道、弯道等不同的赛道应采用不同的转向和速度策略。由于对车模的机械性能和改装有严格限制，因此如何更大程度地发挥舵机的转向能力和提高转向的灵敏程度十分重要。同时，需要测速装置随时反馈赛车当前速度，才能更好的提高速度；
第三， 稳定性方面，应尽量减少使用的元器件数量，在满足要求的基础上尽量简化电路，合理布局电路并印刷电路板等；
第四， 软件上，程序应模块化以方便调试与修改，并且具有灵活性和可选择性以适应未知的赛道情况以及比赛时的突发状况。
2.2方案设计
2.2.1检测原理
在确定智能车总体方案时，我们选择光电传感器的方案。为了获得更大前瞻距离，为控制系统后续处理赢得更多的时间，在从众多光电传感器中选择了大前瞻的激光传感器，前瞻距离可以达到普通光电传感器的数倍甚至十几倍，完全满足竞赛的要求。
光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的光线，经地面反射到接收管。如图2.1，由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来。
然而实际上，由于环境光的干扰，我们可以进一步对光进行调制处理，接收管只接收相同调制频率的光。
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图2.1 光电传感器原理 2.2.2 激光传感器的设计
发射部份由PWM 信号发出180KHz 频率的振荡波后，经达林顿管ULN2003放大，激光管发光；接收部份由一个相匹配180KHz 的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入S12单片机的PA 与PB 口，检测返回电压的高低。由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响，如图2.2所示。
图2.2 激光传感器发射与接收电路 图2.2 激光传感器的控制电路
为了简化14路激光传感器的控制，减少激光传感器相互之间的干扰，传感器的控制采用了分时发光的策略，使用74HC238作为分时控制器，如图2.3。由S12的3个IO 口来控制7组传感器的开断，同一时间控制每组相隔最远的两路传感器发光，这样接收管就接收不到相邻传感器发射的激光了，因而达到了防止相互传感器之间干扰的目的。
2.2.3速度检测方案
常用的速度检测传感器有测速发电机、光电测速传感器、霍尔传感器和光栅编码器等。比较来看，测速发电机的体积和质量较大；光电测速传感器容易受到外界光线干扰；霍尔传感器精确度不高；而光栅编码器体积小，不受外界干扰，且精度较高，所以我们选择光栅编码器作为速度检测传感器。
2.2.4速度控制方案
大赛组委会规定使用的后轮驱动电机型号为RS-380SH ，工作在7.2V 电压下，空载电流为0.5A ，转速为16200 r/min 。在工作电流为3.3A ，转速达到14060 r/min 时，工作效率最大。
由于单片机输出的脉宽无法驱动大赛提供的直流电机，因此需要通过电机驱动芯片
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BTS7960驱动电机正转、反转。由于单片机带有PWM输出端口，PWM波获取方便，为了加强灵活性，能实时改变控制量，所以我们利用PWM脉宽与速度的对应关系对电机进行控制。
2.3硬件系统总体设计
我们的赛车共包括：主控芯片MC9S12XS128、光电检测模块、速度检测模块、舵机驱动模块、电机驱动模块、电源模块和调试模块。
单片机MC9S12XS128是赛车硬件系统的核心，它通过接受光电采集过来的赛道信息和赛车的速度信息，经过一定的算法处理，对舵机和电机提供合适的控制量。
光点检测模块相当于是赛车的眼睛，它是由单片机的IO模块、外围芯片和电路，以及7个激光管组成的。它的功能就是给单片机提供前方赛道信息以供其分析处理。
速度检测模块是通过记录编码器反馈脉冲的时间间隔来计算当前赛车的行驶速度，从而为算法提供依据。
舵机驱动模块是单片机通过分析前方赛道信息之后，给舵机提供PWM波来控制其转向。
电机驱动模块也是单片机通过信息处理之后给电机提供PWM波来控制电机的转速。
电源模块是将电池电压进行转换向整个赛车各部分电路提供相应的不同电压，以满足各模块需求。
调试模块主要用于赛车系统程序烧录和运行策略的设置。
2.4软件系统总体设计
硬件系统是整个赛车系统的基础，而软件系统则是整个系统的大脑和灵魂。
软件系统大体上可以分为四个部分：系统初始化、赛道信息采集、赛道信息处理和决策控制。
系统的初始化主要是对MC9S12XS128内部各寄存器，各端口进行设置，并定义自变量，分配存储空间，使之满足系统要求。
赛道信息采集是通过单片机的IO模块对接收管的输出数字信号进行检测。在采集过程中激光二极管发射出激光，在赛道上经过反射由接收管接收。当赛道是白色时，接收管反馈出的电压为高，而当是黑线时，电压则为低。按照这个电压的高低就可以识别出黑线的位置。
赛道信息处理是对采集回的传感器值进行滤波，以及起跑线、坡道、虚线的识别。
决策控制即由赛道信息分析的结果经特定算法给出控制量。本车对舵机是PD控制，对电机的控制则是根据舵机的转角结合当前速度反馈采取了模糊控制，当转角较大时对电机的限速就比较大，而在直线上则加速。
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2.5主要技术参数
主要技术参数见表2-1，赛车整体结构如图2.4所示。
表2-1 赛车的主要技术参数
项目参数路径检测方法（赛题组）光电
车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）250×170×110
车模轴距/轮距（毫米） 114
车模平均电流（匀速行驶）(毫安) 1150
电路电容总量（微法） 1031
传感器种类及个数编码器1个，接收管7个
新增加伺服电机个数1个
赛道信息检测空间精度（毫米） 20
赛道信息检测频率（次/秒） 300
主要集成电路种类/数量主控制板1片，光电板2片、驱动电源一块
车模重量（带有电池）（千克） 0.93
图2.4 车模整体图
2.6本章小结
本章从比赛规则入手，通过分析任务要求，论证了检测和控制方案，同时介绍了硬件和软件系统总体结构，并给出了赛车的主要技术参数。最终，我们选择了激光传感器作为路径检测传感器，并采用PD控制和模糊控制分别对舵机和电机进行控制。在下面的章节中，将对赛车的机械结构、硬件结构和软件结构给以详细的介绍。
第三章机械结构设计
在智能车比赛中，最主要的比赛内容是速度，而模型车的机械结构无疑是影响速度的关键因素之一。鉴于这个原因，我们对模型车的机械结构做了很多的工作，进行了大量的调整，达到了比较满意的效果。
3.1前轮的调整
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，并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，叫做车轮定位，其主要定位参数包括：主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。对于模型车的前轮四项定位参数均可调。
1）如图3-1所示，主销后倾角是指主销装在前轴，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。因此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。但是过大的主销后倾角会使转向沉重，容易造成赛车转弯迟滞。我们希望赛车能够转向灵活，故把主销后倾角设定为1~5°。
图3-1 主销后倾纠正车轮偏转原理图
2）主销内倾角是主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角，它也有使车轮自动回整的作用。主销内倾还会使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面的距离减少，同时转向时路面作用在转向轮上的阻力矩也会减少，使得转向更轻便灵活。所以为了使得赛车转向更加灵活，我们将主销内倾角控制在0度左右。
3）如图3-2，前轮外倾角对赛车的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。所以事先将前轮外
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倾角设在1°左右。
图3-2 前轮外倾角示意图图3-3 前轮约束示意图4）当车轮有了外倾角时，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。如图3-3，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。
3.2舵机的安装与舵机力臂的调整
3.2.1舵机的安装
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，可以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就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。故我们将舵机架在车的前端部分的较高位置，这样舵盘较小的转幅就能够满足前轮较大的转角要求。这样安装的优点是：1.改变了舵机的力臂，使转向更灵敏；2.舵机安装在了正中央，使左右转向基本一致。
3.2.2舵机力臂的调整
相对于S12单片机的处理速度，舵机的响应存在着较大的延时，对舵机的改造着实需要。在相同的舵机转速条件下，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，本模型车中通过用转向盘代替舵机上的曲柄来增大舵机的上连接点到舵机中心的距离，增加了输出转动力矩，使得前轮在转向时更加灵敏。其机械结构如下图3.4所示。
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图3.4 舵机力臂机械结构
3.3差速器的调整
差速器的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动，并保证在轮胎抱死时不损害电机。
差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。
3.4激光管阵列的安装
由于激光管是用来探测近处的路面信息，而且还需要具有一定的前瞻性。因此需要将光电管阵列架设的有一定的前瞻角度。我们最终选择激光管间距8mm，14个激光管呈一字等间距排列。但是，我们发出的光在赛道上为2cm间距。如下图3.5所示。
图3.5 激光管阵列
3.5电路板的固定与安装
设计时，考虑到底盘已有孔洞及电路板的布局，有选择地在电路板上打孔。用尼龙支柱将电路板支起一定高度，电路板应尽可能水平，并且紧贴底盘。
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3.6本章小结
本章详细介绍了如何安装激光管排列、舵机和电路板等，同时在满足比赛规则的前提下，我们对前轮、舵机力臂、差速器等进行了适当的调整，目的是使赛车的转向更加灵活，加速更加迅速。
第四章硬件系统设计与实现
为了使得电路更加紧凑、外部引线更少，我们独立设计了一块核心控制电路板，并在此基础上增加了一些接口电路板组成整个硬件系统。下面将对硬件系统中各个模块的设计进行详细介绍。
4.1主控模块
根据比赛规则对选择主控芯片的要求，我们选择使用MC9S12XS128B作为处理芯片。主控模块即由单片机和使单片机正常工作所必须连接的外部电路组成。我们省去了复位按钮等一些不常用的电路，如图4.1所示。
图4.1主控模块
4.2光电检测模块
检测路面信息的原理是发射管发射一定波长的激光，经地面反射到接收管，由于黑白反射系数不同，所以接收到的反射光强不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化的程度不同，经过锁相环及比较器达到输出数字量的目的。单路光电检测的电路如图4.2所示。
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图4.2 激光传感器电路原理图
4.3速度检测模块
速度检测模块是由光栅编码器和单片机的增强型定时捕捉模块组成。编码器通过齿轮与赛车后轮轴进行传动，编码器每转动一周都会输出一定个数的脉冲，将其输出端连接在单片机的增强型定时捕捉模块端口上，单片机就能捕捉到反馈脉冲，计算两次脉冲的时间间隔就能得知当前赛车行驶速度。
本设计中选用100线编码器，5v 供电，单相输出，每圈输出100 个脉冲。编码器与驱动轮的齿数比为31/76，速度控制周期设计为20ms，电路如图4.3所示，J1为三芯插座与编码器相连并为编码器提供5V电源，信号输出端为PT7。
图4.3 速度控制电路
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4.4舵机驱动模块
舵机驱动模块是由舵机和单片机的脉宽调制模块（PWM）组成。MC9S12XS128B 内部有8个带周期占空比可程控的PWM独立通道，每个PWM通道有专用的计数器，PWM每个通道脉冲极性可以选择。我们利用的是PWM1口对舵机进行控制。如图4.4所示，J6为三芯插头与舵机相连并为舵机提供7.2V电源，PWM1即脉宽调制控制信号。
图4.4 舵机驱动电路原理图
4.5电机驱动模块
随着PWM脉宽调制方式成为直流电机速度控制的主流，在当前的电机驱动控制设计中，集成驱动芯片逐渐取代了传统晶体管驱动电路，以其精确的数字控制、较强的输出能力等特点得到了广泛的应用[22]。本文采用英飞凌公司的BTS7970直流电刷电机驱动芯片，其具有大电流MOSFET半桥结构。芯片具有很高的集成度和足够的输出能力，并在能耗方面具有优势。在集成化和小型化的电机控制系统中，适合作为理想的电机驱动芯片。BTS7970的芯片特性如下：
高达68A的驱动能力；
内阻低至16毫欧；
PWM支持频率高达25KHz；
静态电流低至7A
μ；
片内低压检测与高压、热停机保护电路；
图4.5所示为BTS7970与S12单片机组成的电机驱动单元。由于所采用驱动芯片是半桥，因此需要采用两片该芯片构成全桥以实现正反转。单片机产生2路PWM输出作为两片BTS7970的控制信号，当然该电路要求PWM0、PWM1不能同时为高电平。采用定时器输出硬件PWM脉冲，使得单片机CPU只在改变PWM占空比时参与运算，大大减轻了系统运算负担和PWM软件编程开销[24]。
4.6电源模块
稳定的电源电路时整个系统良好工作的基础，针对本系统的供电要求，采用线性稳压器对系统不同部分进行供电。
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图4.5 驱动单元原理图
根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的稳压电源。而在开关电源中则不一样，开关管是工作在开关两种状态下的。开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点，但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。而线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源，其特点是输出电压比输入电压低、反应速度快、输出纹波较小、工作产生的噪声低，但是LDO通常效率较低、发热量大（尤其是大功率电源）[23]。
图4.6 电源单元结构
由于在该系统中功耗较低，且无需过多考虑电源效率问题，因此在设计中本文使用了低压差线性稳压源。电源单元结构如图4.6所示，由电池组输入+7.2V电压，经过LM2940
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
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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：
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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)
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，
RT，留下一点不算成功的经验吧。 先说说个人认为要取得好成绩的两个最重要的先决条件。 1. 人，这个是大前提，对于一个好的队伍，判别标准其实很简单，就是队员3个人是玩伴关系还是领导和下属关系。前者，大家都是来玩这个智能车的，自然主观能动性就会很高，能自主学习。不会总是“等着所谓队长分配任务”。这样效率就会很高。成绩自然不会低，后者，如果“队长”个人能力很强的话，就会出现到最后只有“队长”一个人在干。其他的队员就会因为自己技术不行，渐渐退出。而不会因为自己不会而去主动的学习。如果“队长”能力一般，再没有一些强力指导老师的情况下，这样的队伍一般会悲剧掉。所以，新人在参加这个智能车比赛的时就要明确动机。参加智能车确实是来学习知识的，但不会有人真正的来教你。一切都靠自己。 2.跑道，这个是客观条件中最重要的，一条污浊、破损、不符合规则的跑道，是不可能出成绩的。我们学校的赛道就是因为当初制作和后期保养不到位，导致赛道诸多永久性污浊、破损。一开始车刚能爬的时候，问题还不明显，后来在测试让车能平滑过S弯时问题就来了，由于赛道污浊，远处的跑道在CCD看了是错误，导致S弯和普通弯看起来一样，致使S弯策略根本没有启用，当时一直到修改S弯策略，到后来调出图像来看才发现是采集的问题。至于赛道污浊破损带来的干扰要不要处理，答案是肯定的，因为就算是比赛用的跑道也会有擦不掉，补不了的地方。但处理这些问题，应该是放在车辆原先行驶策略都调试正确的情况下，再人为的加入这些干扰。这样修改程序起来就有的放矢。 下面再以个人的观点介绍一下3个组别的特点，给新人选择做一个参考。 摄像头：有点像开卷考试，能得到的东西很多，但是如何把这些东西用好就是一个学问。摄像头的关键就是如何从采集回来的图像所包含的诸多信息中，选出一些高效方便的信息来控制车辆。至于控制策略，个人觉得一个能根据不同赛道类型而变化比例系数的比例控制器就能很好的满足控制需要。 光电组：想象起来很容易，其实很累的一个组，原理最简单，但是为了能有30CM以上的前瞻，和比较连续的偏差变化，就要下大功夫，先不说别的，让你装15个激光管，而且要保证不焊烧并要把光点打在一条线上，就是很繁琐的事情。总得来说，光电组拼的就是电路和传感器结构。不过对于看客来说，光电组是最好“看”的组，一排壮观的激光加上摆头的机械~ 电磁组：听起来有点复杂，其实比前两个组都轻松的组，电磁组又可分为数字和模拟两个类别。数字传感器就是和光电一样弄一排的传感器，看看哪个传感器接收到的信号最强以判断中线位置。模拟的就是比较两个传感器之间信号强度的差值来判断。电磁组好处就是不容易受到干扰，比赛上也见的，电磁车跑完的成功率是很高的，而且很容易判别起跑线。基本不用懂脑筋。而且如果选用是模拟传感器的话，能得到比较平滑的控制。 先说这些，想到再继续 关于摇头激光车的一点个人理解：为什么光电的车，要多花一个舵机去让传感器摇头呢？因为。为了能获得赛道上一个比较宽范围的信息，就必须把传感器做的很长。这样的后果 就是重量。折中的办法就是摇头，通过摇头，可以使一个小尺寸的传感器检测到大范围 DEMOK工作室淘宝小店
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。
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
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
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。
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
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。
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 (11) 第一章方案设计 (11) 1.1系统总体方案的选定 (11) 1.2系统总体方案的设计 (11) 1.3 小结 (22) 第二章智能汽车机械结构调整与优化 (33) 2.1智能汽车车体机械建模 (33) 2.2 智能汽车传感器的安装 (44) 2.2.1速度传感器的安装 (44) 1 / 26
2.2.2 线形CCD的安装 (55) 2.2.3车模倾角传感器 (55) 2.3重心高度调整 (55) 2.3.1 电路板的安装 (66) 2.3.2 电池安放 (66) 2.4 其他机械结构的调整 (66) 2.5 小结 (66) 第三章智能汽车硬件电路设计 (77) 3.1主控板设计 (77) 3.1.1电源管理模块 (77) 3.1.2 电机驱动模块 (88) 3.1.3 接口模块 (99) 3.2智能汽车传感器 (1010) 3.2.1 线性CCD传感器 (1010) 3.2.2 陀螺仪 (1010) 3.2.3 加速度传感器 ............................ 错误!未定义书签。错误!未定义书签。 3.2.3 编码器 (1111) 3.3 键盘，数码管....................................... 错误!未定义书签。错误!未定义书签。 3.4液晶屏 (1212) 3.5 小结 (1212) 第四章智能汽车控制软件设计 (1313) 4.1线性CCD传感器路径精确识别技术 (1313) 4.1.1新型传感器路径识别状态分析 (1414)
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。
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：
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"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
飞思卡尔智能车激光调制电路 文章开始，自己想先说飞思卡尔智能车光电组的车子越跑越快，大有超越摄像头的架势。自己参加第五届飞思卡尔智能车大赛获得华北赛区一等奖。名次并不想说明什么问题，只是想说自己亲自做过，对此有一些看法，在这里与各位分享，希望对大家有用。 光电组要想跑的的快，大的前瞻是必要的，其中的道理也不用我说了。但是用以往的红外或是其他什么光敏电阻之类的都不能达到要求，最好的选择就是调制激光。调制激光虽然有很大的优势，但是由于其新，所以相关方面的资料并不多，一些高校更是对此讳莫如深，应为这对于他们来说就是一张非常有价值的底牌，使用调制激光前瞻和抗干扰方面有非常大的优势，所以能够使用调制激光，在起点上已经领先很大一部分了。虽然调制激光正在不断的普及，但是普及还不够，技术还是掌握在一部分人手里。不利于智能车整体水平的提高。自己做光电组的车子，也是从光敏电阻过渡到调制激光，在这里把自己所了解的一些知识和自己的一些见解与大家分享一下。首先是调制激光的电路图，电路图如下，可以看出电路并 不复杂，其中C11为胆电容，容值为1uf，JP11和jp12可以到电子市场买到，单价差不多5元一个，jp11为调制管，jp12为接收管，他们长的差不多，都是三条腿，但是需要注意的是，在购买的时候调制管和激光管一定要买相配的，应为他们之间必须频率必须匹配才可以正常工作。L11就是激光发射管，用5mw就够了。图中的OUT1为控制信号，控制激光发射管是否工作，IN1为信号输出，当有光线反射回来也就是激光点照在白色底板上面，IN1输出为低电平，当没有光线返回，也就是激光点照在黑线上，IN1输出为高电平。 调制管和接收管如下图所示，其实调制管也是3只引脚，知识因为第三只引脚无用就剪去了。