一. 毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）
1.研究内容：
*1.智能车控制策略的理论分析和研究
通过阅读相关文献和资料，了解有关智能小车方面的控制策略和类型，并结合本课题的设计指标要求，给出自己的智能小车控制策略的总体方案。
*2.智能车控制电路设计
根据智能小车的控制策略总体方案，设计出合理的智能车驱动控制电路：小车路径识别模块电路、角度控制模块电路，车速传感和控制电路。
*3.智能车控制软件设计
根据智能小车的控制策略总体方案，给出智能小车路径识别算法、起点识别算法和车速控制程序流程图。
【给出的成果形式为】
毕业设计论文1份，电路图一套。
2.研究意义：
本设计是以汽车为研究背景的科技创意性制作，是一种具有探索性的工程实践活动，其本质也是人类创造有用人工物的一种训练性实践，其过程属性是综合，而结果属性很可能是创造。迅猛发展的智能车技术以汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科，这对进一步提高学生的综合素质，培养创新意识，培养学生从事科学、技术研究能力有重要意义。
通过本设计，不但培养了对已学过的基础与专业理论知识与实验的综合运用的能力；为了解决制作过程中的各种新问题，学习控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科新知识，逐渐学会在学科交叉、集成基础上的综合运用；若是以实用为目的，还必须考虑考虑可靠性、寿命、外观工业设计、集成科学与非科学，在具体约束条件下融合形成整体的综合运用。这样的训练是很有意义的。
二.毕业设计（论文）研究现状和发展趋势（文献综述）
1.研究现状：
目前美国是对智能汽车最为关注的国家。除了美国交通部与各大汽车公司和高校的智能汽车研发项目外，美国国防部和各大学企业联合开展了全球领先的智能汽车竞赛。美国智能汽车比赛是实物竞赛类型，有很强的应用性和科研意义。所以现在许多国家举办智能车竞赛，如韩国大学生智能车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司的资助下举办的，这也正是中国大学生智能车竞赛的蓝本。中国大学生智能车竞赛自2006年至今已经成功举办了五届，每年有百余所有自动化专业的高校、五百余之队伍参加中国大学生智能车比赛。其影响力越来越大，技术越来越成熟，成为自动化这门学科领域的最为重要的比赛，同时该项比赛也为各行业领域培养了很多优秀的大学生，因为智能车的研究涉及各个学科，可以说万能宝库。
2.发展趋势：
随着科技化和智能化的发展，电子和机械产品更新很快，对智能车的研究可以是越来越深，智能控制越来越精确，从一开始的光电智能车发展到CCD智能车，又有了电磁智能车。对于光电式智能车其的发展也是越来越迅速，从单片机的更换、光电传感器的选择、路径的采取和记忆、控制电路的优化等等都有很大的进步，使得智能车在跑道上又快又稳，这也为真正的汽车的一个发展。未来还会有很大的潜力。
三.毕业设计（论文）研究方案及工作计划（含重点与难点及采用的
途径）
1.总体研究方案：
智能车系统采用飞思卡尔的16位微控制器MC9S12XS128单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。在选定智能汽车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方的光电传感器采集，经XS128 MCU的I/O口接收后，用于赛车的运动控制决策，同时内部ECT模块发出PWM波，驱动直流电机对智能汽车进行加速和减速控制，以及伺服电机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主巡线行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能汽车电机输出轴上安装光电编码器，采集编码器转动时的脉冲信号，经MCU捕获后定时进行PID
自动控制，完成智能汽车速度的闭环控制。所以有了总体的设计思路，以后便可以大概按照以下结构进行设计，如下图所示
根据以上系统方案设计，智能车共包括六大模块：MC9S12XS128主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。
各模块的作用如下：
MC9S12XS128主控模块，作为整个智能汽车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能汽车的控制。
传感器模块，是智能汽车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。
电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。
电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能汽车的加减速控制和转向控制。
速度检测模块，检测反馈智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制。
辅助调试模块主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。
2、重点与难点及采用的途径：
【1】重点与难点：
*1.智能小车各个模块的设计、优化以及衔接，
*2.智能小车路径识别、控制以及算法。
【2】采用的途径：
*1.掌握各个模块的原理。
*2.PID算法和模糊控制算法。
*3.C语言编程
3、工作计划：
日期周工作计划
2011.2.21-2011.2.27
1周查阅相关文献，进行光电智能车系统总体方案
设计。
2011.2.28-2011.3.6
2周从系统总体方案出发了解各个模块的原理以及
系统大概内容，并准备开题报告。
2011.3.7-2011.3.13
3周从硬件部分出发进行单片机最小系统的设计
2011.3.14-2011.3.20
4周电源管理模块的设计
2011.3.21-2011.3.27
5周路径识别模块的设计
2011.3.28-2011.4.3
6周车速检测模块的设计
2011.4.4-2011.4.10
7周舵机控制模块的设计
2011.4.11-2011.4.17
8周直流驱动电机控制模块设计
2011.4.18-2011.4.24
9周对硬件部分进行检测、优化
2011.4.25-2011.5.1
10周单片机初始化编写（包括I/O模块、PWM模块、
计时器模块、定时中断模块初始化）
2011.5.2-2011.5.8
11周路径检测程序的编写
2011.5.9-2011.5.15
12周数据处理程序的编写
2011.5.16-2011.5.22
13周控制算法程序、舵机输出及驱动电机输出程序
的编写
2011.5.23-2011.5.29
14周总体控制程序的调试和修改
2011.5.30-2011.6.5
15周对前期工作进行总结，归纳，并撰写一份完整
的毕业论文
2011.6.6-2011.6.12
16周撰写一份毕业答辩PPT文档，并准备毕业答辩。
四、主要参考文献（不少于10篇，期刊类文献不少于7篇，应有一定数量的外文文献，至少附一篇引用的外文文献（3个页面以上）及其译文）
[1] 邵贝贝. 嵌入式实时操作系统[LC／OS-Ⅱ(第2版)[M]. 北京,清华大学出版社．2004
[2] 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
[3] 张伟等．Protel DXP高级应用[M]．北京,人民邮电出版社．2002
[4] 王朝盛.基于16位单片机MC9S12DG128B智能车系统的设计[M]，2003
[5] 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
[6] 黄开胜等.基于光电传感和路径记忆的车辆导航系统[J]， 2006
[7] 徐科军.传感器与检测技术(第二版) [M].电子工业出版社，2008
[8] 孙同景. Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术.北京，机械工业
出版社， 2008
[9] 石振东等.基于红外路径识别的智能车控制系统设计[J]， 2006
[10]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用.北京,机械工业出版社，1998
[11] 沈长生．常用电子元器件使用一读通[M]．北京, 人民邮电出版社,2004
[12] 王明顺，沈谋全.传感器与智能车路径识别[J]，2007
[13] 杨国田，白焰.摩托罗拉68HC12系列微控制器原理、应用与开发技术.
北京,中国电力出版社，2003
[14] On the Vehicle Stability Control for Electric Vehicle Based on Control Allocation，2003
[15]Li, Y. and Ang, K.H. and Chong, G.C.Y. PID control system analysis and design. IEEE Control Systems Magazine. 2006
[16]Jinghua Zhong. PID Controller Tuning: A Short Tutorial. Mechanical Engineering, Purdue University. 2006
[17]ZHANG Fu-zeng，YANG Hong-yong. Flocking of mobile agents with fuzzy controller. School of Computer Science and Technology, Ludong University. 2009
[15] Traffic sign recognition and analysis for intelligent vehicles ，2004
Ⅲ毕业设计（论文）任务内容
1.智能车控制策略的理论分析和研究
通过阅读相关文献和资料，了解有关智能小车方面的控制策略和类型，并结合本课题的设计指标要求，给出自己的智能小车控制策略的总体方案。
2.智能车控制电路设计
根据智能小车的控制策略总体方案，设计出合理的智能车驱动控制电路：小车路径识别模块电路、角度控制模块电路，车速传感和控制电路。
3.智能车控制软件设计
4.根据智能小车的控制策略总体方案，给出智能小车路径识别算法、起点识别算法和车
速控制程序流程图。
要求给出的成果形式为：
毕业设计论文1份，电路图1套
指导教师（签字）
教研室主任（签字）
批准日期2010.12.20
接受任务书日期2010.12.23
完成日期2011.6.16
接受任务书学生（签字）
安徽工程大学机械与汽车工程学院毕业设计（论文）
光电式小车智能控制系统设计
摘要
“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车邀请赛属教育部主办的全国五大竞赛之一，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。根据大赛的技术要求，设计制作了智能车控制系统。在整个智能车控制系统中，如何准确地识别道路及实时地对智能车的速度和方向进行控制是整个控制系统的关键。
本文首先对智能车的硬件进行设计，达到了低重心、大前瞻、高稳定性的目标。其次对系统的软件部分进行设计，利用光电传感器根据路面反射回来光线的强度来判断赛道信息，从而得到智能车的偏航角和偏航距离。综合偏航角和偏航距离两个控制量对舵机进行控制，实现了入弯走内道，S弯直线冲过的目标，大大提高了智能车的弯道运行速度。用光电编码盘检测智能车的运行速度，再根据赛道信息给定智能车的运行速度，运用增量式PID算法调节驱动电机转速，实现了电机的快速响应。
整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略优化等多个方面。经过大量测试，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。
关键词：智能车；光电传感器；电机；路径识别；增量式PID算法
黄彬彬：光电式小车智能控制系统设计
Design of Smart control system of Optical Vehicle
Abstract
Freescale Cup National Undergraduate Smart Car Competition is sponsored by the National Ministry of Education, one of the five contests, their professional knowledge related to control, pattern recognition, sensor technology, automotive electronics, electrical, computer, machinery and many other disciplines. According to the technical requirements of the contest, we design the intelligent vehicle control system. In the entire control system of the smart car, how to accurately identify the road and real-time control the speed and direction of the Smart Car is the key to the whole control system.
This paper first introduces the hardware of the smart car, to achieve a low center of gravity, forward-looking, and high-stability target. The second part of the system is software design, photoelectric sensor according to the intensity of light reflected back from the road to determine the track information, yaw and the yaw angle. The steering gear is controlled by the yaw and the yaw angle, when through the turn, the smart car goes inside the road, and when through S bend, the smart car crossed as a goal line, greatly improving speed of the smart car. From the detection with encoder disk we get the speed of the smart car, and then from the track information, we set the expected speed of the smart car, the use of incremental PID algorithm for adjusting drive motor speed to achieve the rapid response to the motor.
The entire system is involved in mechanical models of structural adjustment, the sensor circuit design and signal processing, control algorithms and strategies for optimizing many aspects, such as. After extensive testing, and ultimately determine the structure of the system and various control parameters.
Keywords：Smart car; Photoelectric sensor; Motor; Road Identification；Incremental PID algorithm
安徽工程大学机械与汽车工程学院毕业设计（论文）
目录
引言 (1)
第1章绪论 (2)
1.1 智能车研究概况 (2)
1.2 本课题研究意义和主要研究内容 (3)
1.3 章节安排 (4)
第2章智能车总体系统概述 (5)
2.1 系统总体方案的选定 (5)
2.2 系统总体方案的设计 (5)
2.3.系统模块设计要求 (6)
2.4 小结 (7)
第3章机械结构的安装与调整 (8)
3.1 传感器模块位置调节结构 (8)
3.2 主控电路板安装结构 (8)
3.3 前轮参数调整 (8)
3.4 齿轮传动机构调整 (9)
3.5 光电编码器的安装 (9)
3.6 后轮差速机构调整 (9)
3.7 其他机械模块调整 (10)
第4章硬件电路的设计与实现 (11)
4.1 最小系统模块设计 (11)
4.2 电源管理模块 (12)
4.3 路径识别模块 (13)
4.4 直流驱动电机模块 (14)
4.5转向舵机模块 (15)
4.6 车速检测模块的设计 (17)
4.7 电路的连接 (18)
第5章软件的设计与实现 (19)
5.1 主程序设计 (19)
5.2 控制的工作原理 (19)
5.3 路面识别算法 (20)
5.4 舵机转弯控制策略 (20)
5.5 速度控制策略 (20)
第6章智能车系统调试 (25)
6.1 CodeWarrior 开发环境 (25)
6.2 智能车硬件系统调试 (26)
6.3 智能车软件系统调试 (27)
6.4 智能车整车调试 (27)
结论与展望 (30)
结论： (30)
展望： (30)
致谢 (31)
黄彬彬：光电式小车智能控制系统设计
参考文献 (32)
附录A 模块PCB板布置 (33)
附录C 英文文献及其译文 (34)
附录D 主要参考文献摘要 (57)
附录E 源程序 (59)
安徽工程大学机械与汽车工程学院毕业设计（论文）
插图清单
图2-1 系统总体结构方框图 (6)
图3-1 传感器的布局 (8)
图4-1 S12 最小系统原理图 (11)
图4-2 最小系统PCB板 (12)
图4-3 5V电源输出原理图 (12)
图4-4 6V电源输出原理图 (13)
图4-5 光电传感器原理 (13)
图4-6 采集路面信息电路 (13)
图4-7 33886 内部电路图 (14)
图4-8 33886 与单片机的接口连接 (14)
图4-9 电机驱动电路 (15)
图4-10 舵机实物图 (15)
图4-11 舵机工作原理示意图 (16)
图4-12 脉宽与转角的关系 (17)
图4-13 编码器与单片机的连接 (18)
图5-1 总体控制流程图 (19)
图5-2 PID的控制流程 (21)
图5-3 常用的PID系统回路 (22)
图5-4 控制框图 (22)
图 5-5 不稳定的控制系统 (23)
图6-1 智能车实物图 (25)
图6-2 CodeWarrior开发环境 (26)
图6-3 脉宽与转角的所测得的线性关系 (27)
图6-4 车速调节示意图 (28)
图6-5 允许误差不合理时系统响应示意图 (29)
安徽工程大学机械与汽车工程学院毕业设计（论文）
引言
智能车即轮式移动机器人，是一种集环境感知、决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统，智能车集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的知识。随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展，智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色。近年来，智能车在野外、道路、现代物流及柔性制造系统中都有广泛运用，已成为人工智能领域研究和发展的热点。目前，智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶，这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别，通过推理判断模仿人工驾驶进行操作[2]。本文所述智能车就是一种自动导引小车,能够在给定的区域内沿着轨迹自动进行行进。
1953年，美国Barrett Electric公司制造了世界上第1台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车”(automated guided vehicle，简称AGV)。这些自动导向车主要用于自动化仓贮系统和柔性装配系统的物料运输[3]。20世纪60年代和70年代初，AGV仍采用这种导向方式。但是，20世纪70年代中期，具有载货功能的AGV 在欧洲得到了应用并被引入到美国。这些自动导向车主要用于自动化仓储系统和柔性专配系统的物料运输。在20世纪70年代和80年代初，“智能车”的应用领域扩大而且工作条件也变得多样化，因此，新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发[4]。自动导向无轨行走车辆常用蓄电池作为动力源，它是机电一体化的典型[5]。AGV技术在汽车工业上有着广泛的用途，欧洲和美、日等国的汽车生产工业在80年代就开始大量使用AGV 技术，现已成为比较成熟的技术。
智能车有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适巡航并把车开得开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来撞车就不会发生了。
黄彬彬：光电式小车智能控制系统设计
第1章绪论
1.1 智能车研究概况
“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛是由摩托罗拉旗下飞思卡尔公司赞助并由高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办的全国性的赛事，旨在加强大学生的创新意识、团队合作精神和培养学生的创新能力。此项赛事专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和动手能力的培养，以及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。1.1.1 国外研究现状
韩国大学生智能模型车竞赛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HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会将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线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，跑完整个赛程用时最短，而且技术报告评分较高的参赛队就是获胜者。制作智能车，需要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件Codewarrior和在线开发手段，自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动以及微控制器MC685912DP256控制软件的编程等等。
随着赛事的逐年开展，将不仅有助于大学生自主创新能力的提高，对于高校相关学科领域学术水平的提升也有一定帮助，最终将有助于汽车企业的自主创新，得到企业的认可。这项赛事在韩国的成功可以证明这一点。2000年智能车比赛首先由韩国汉阳大学承办开展起来，每年全韩国大约有100余支大学生队伍报名并准予参赛，至今已举办5届，得到了众多高校和大学生的欢迎，也逐渐得到了企业界的极大关注。韩国现代公司自2004年开始免费捐赠了一辆轿车作为赛事的特等奖项。德国宝马公司也提供了不菲的资助，邀请3名获奖学生到德国宝马公司研究所访问，2005年SUNMOON大学的参赛者获得了这一殊荣[8]。
近年来，飞思卡尔半导体公司参与举办的智能车大赛有了进一步的发展。2008年12月13日飞思卡尔半导体在马来西亚UITM工程学院举办了首届飞思卡尔智能车大赛。共有26组，涉及约52工科学生来自10个地方大学参加智能汽车竞赛。该国竞赛由马来西亚科协举办。
1.1.2 国内研究现状
受教育部高等教育司委托，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。首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛于2006年在清华大学成功举办。此项赛事，在韩国已举办过多届，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。
在第一、二届的比赛中参赛选手必须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，以Freescale公司生产的16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元。第三届则要求参赛队伍除了X系列的微处理器不用以外，其他8位和16位微控制器可由参赛对自己选择（8
安徽工程大学机械与汽车工程学院毕业设计（论文）
位的单片机最多可选两块），这无疑给大家一个更位大的选择余地，此届比赛则准许使用官方推荐的MC9S12XS128双核芯片及以往的8位极16位单核微控核心。
2007年，中国大学生制作的智能车的速度已经打破了韩国智能车比赛连续七届的冠军速度。该项赛事现已在我国是成功举办5次，规模已经有刚开始的112支队伍增加到了600支队伍，竞争已经相当激烈。随着飞思卡尔智能汽车大赛的影响力加大，全国各类学校踊跃参加此项赛事，场面也越来越壮观，技术上也越来越成熟，各支队伍在技术上的创新也越来越多，对全国高校学子的各项能力发展起到很大的作用。
1.1.3 应用前景
城市公共交通是与人民群众生产生活息息相关的重要基础设施。然而，目前世界上许多大城市都面临着由私人汽车过度使用而带来的诸多问题，例如道路堵塞、停车困难、能源消耗、噪声污染和环境污染等，这些问题严重降低了城市生活的质量。优先发展城市公共交通是提高交通资源利用效率，缓解交通拥堵的重要手段。国务院总理温家宝于2005 年10 月做出重要批示，要求优先发展城市公共交通，这是贯彻落实科学发展观和建设节约型社会的重要举措。大容量城市公共交通，如地铁、轻轨等，其最大优点是空间利用率和能源利用率较高。然而，由于缺乏足够的时间、空间、运力灵活性，在客流量不足的情况下，系统效率将大大降低，运营成本过高，难以大力推广和应用。回顾汽车发展的百年历史，不难发现其控制方式从未发生过根本性改变，即由人观察道路并驾驶车辆，形成“路－人－车”的闭环交通系统。随着交通需求的增加，这种传统车辆控制方式的局限性日益明显，例如安全性低（交通事故）和效率低（交通堵塞）。最新调查表明，95％的交通事故是由人为因素造成，交通堵塞也大都与驾驶员不严格遵守交通规则有关。如果要从根本上解决这一问题，就需要将“人”从交通控制系统中请出来，形成“车－路”闭环交通系统，从而提高安全性和系统效率。这种新型车辆控制方法的核心，就是实现车辆的智能化。
智能车有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生了。
1.2 本课题研究意义和主要研究内容
本次课题是基于“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛的，所以所设计的内容和遵守的规则都是以大赛为主的，而为加强大学生实践、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)，高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛，已于2006 年8 月21 日在清华大学顺利结束。到现在为止该项竞赛已经进行了五届，今年将进行第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。比赛中参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞赛赛车，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128 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，必须采用统一提供的赛车，须采用限定的飞思卡尔16 位微控制器MC9S12XS128 作为唯一控制处理器，赛车改装完毕后，尺寸不能超过：250mm
黄彬彬：光电式小车智能控制系统设计
宽和400mm 长，高度无限制，跑道宽度不小于600mm，跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm。关于本次大赛的详细规则见附录。
本文将以参加本次大赛的智能车的实际设计与制作来展示简单的自动寻线智能车系统。最终确定了红外探测方案。对机械部分进行了详细的分析和调整。在分析了控制电路各模块的要求后，计算出了各模块器件的参数，设计了控制电路。针对赛道不同位置，采集了不通信号数据，在对数据进行分析后设计了控制算法并编写了控制软件。最终经实道调试，赛车实现预期功能。
1.3 章节安排
本文内容的安排如下所示：
第1章引言本章主要介绍了飞思卡尔车模竞赛的基本情况,智能汽车的发展状况。
第2章智能车总体系统概述本章对系统硬件模块方案和软件控制方法进行了选择与论证。
第3章机械结构的安装与调整本章对机械结构的安装与改进，各个模块的安装技巧作了详细的介绍。
第4章硬件电路的设计与实现本章主要介绍了自行设计的基于飞思卡尔单片
机的最小系统板的设计、电源模块、路径设别模块和速度传感器模块的设计与实现。
第5章软件系统设计与实现本章软件系统各模块的设计思路作了详细的介绍。
特别介绍了道路信息处理中的各种技巧、PID 控制策略的应用和起跑线识别算法的设计等问题。
第6章主要介绍智能车软件和硬件各个模块的调试。
结论对整个设计过程中的经验与教训作了总结。
安徽工程大学机械与汽车工程学院毕业设计（论文）
第2章智能车总体系统概述
本章主要介绍智能汽车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能汽车控制系统进行深入的介绍和分析。
2.1 系统总体方案的选定
通过学习竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到，路径识别模块是智能汽车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到智能汽车最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能汽车总体方案的关键。目前能够用于智能汽车辆路径识别的传感器主要有光电传感器、CCD/CMOS传感器和此次竞赛中新增加的电磁传感器。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快，但是其前瞻距离有限；CCD摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理却比较复杂；使用电磁传感器比赛是竞赛本届新增加的项目类别，主要通过对赛道中心导线产生的电磁场进行识别。在比较了三种传感器优劣之后，考虑到各种传感器的特点以及队员的知识积累和兴趣，决定选用应用广泛的光电传感器，相信通过选用大前瞻的光电传感器，加之精简的程序控制和较快的信息处理速度，传统光电传感器仍然可以达到极好的控制效果。
2.2 系统总体方案的设计
遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞思卡尔的16位微控制器MC9S12XS128单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。在选定智能汽车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方的光电传感器采集，经XS128 MCU的I/O口接收后，用于赛车的运动控制决策，同时内部ECT模块发出PWM波，驱动直流电机对智能汽车进行加速和减速控制，以及伺服电机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主巡线行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能汽车电机输出轴上安装光电编码器，采集编码器转动时的脉冲信号，经MCU捕获后定时进行PID自动控制，完成智能汽车速度的闭环控制。此外，还增加了键盘作为输入输出设备，用于智能汽车的速度和控制策略选择。系统总体结构方框图如图2-1。
根据以上系统方案设计，赛车共包括六大模块：MC9S12XS128主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。
各模块的作用如下：
MC9S12XS128主控模块，作为整个智能汽车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能汽车的控制。
传感器模块，是智能汽车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能汽车的加减速控制和转向控制。
黄彬彬：光电式小车智能控制系统设计
速度检测模块，检测反馈智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制。
辅助调试模块主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。
图2-1 系统总体结构方框图
2.3. 系统模块设计要求
制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，要求最快跑完全程而没有冲出跑道。智能小车要求跑的又快又稳，所以对于小车的控制系统来说稳定性和快速性是控制系统设计的两个重要指标。智能车控制系统从硬件上分为电源模块、传感器模块、信号处理模块、直流电机驱动模块、转向伺服电机驱动模块和单片机模块。各个模块设计有各自不同的要求：
直流电机驱动模块和转向伺服电机驱动模块是智能车控制系统的执行机构，好比人的四肢，设计良好的驱动电路是这两个模块的关键；
电源模块在智能车控制系统中好比人的心脏，向其他各个模块供电，保证它们的正常工作；
寻迹传感器模块在智能车控制系统中好比人的眼睛，怎样设计可以使小车看的更清楚，看的更远是传感器模块设计的关键；
单片机模块在智能车控制系统中扮演核心的位置，好比人的大脑，从硬件设计的角度来说，首先要保证其供电稳定，其次要对其部分功能模块如PWM通道，定时器通道的进行编程，写入驱动程序，使其工作。从系统考虑，此模块最重要的是控制算法和控制程序的编写。只有软硬件精密结合，系统才能稳定，良好的工作。
(1)电机驱动与电源管理模块
根据直流电机的特性和对其速度控制的要求，选择合适的控制方法，制作相应的驱动电路；针对转向伺服电机的输入信号要求，进行控制方法的试验，找到最精确的控制方法；向系统提供电源的关键是避免各模块之间的相互影响，尤其是直流电机启动瞬间，
安徽工程大学机械与汽车工程学院毕业设计（论文）
电压下降过大，会对其他模块供电产生影响。如何避免或者如何将此影响削弱是电源管理模块设计的难点。
(2)路径识别传感器模块
路径识别传感器模块中，首先要对传感器选型，即选择适合系统的视觉传感器。在此基础上要考虑传感器的分布位置及其安装方法，这些都是智能小车寻迹方案的硬件基础。这一模块工作情况是系统能否快速稳定工作的一个重点，而传感器及其信号处理部分的抗干扰设计尤其重要
(3)单片机模块
MC9S12XS128是一款飞思卡尔16位的单片机，其开发方法和工作特点都与常用的8051单片机有一定的区别。如何开发这款单片机，如何为单片机多个模块写入底层的驱动程序和编写优良的上层控制算法是这一模块的核心。
因此将智能车控制系统系统化设计，模块化制作，最后再进行系统级调试，可以收到较好的效果。
2.4 小结
本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设、总体结构，以及简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统的其他模块进行详细介绍。
黄彬彬：光电式小车智能控制系统设计
第3章机械结构的安装与调整
本模型车采用的是A车模G768。模型车机械设计的部分主要包括，传感器模块位置调节结构、主控电路板安装结构、前轮参数调整、齿轮传动机构调整、测速模块安装、后轮差速机构调整。
3.1 传感器模块位置调节结构
传感器的安装是一件非常棘手的事情，各个传感器的布局间隔对智能车的运行，有一定影响的。传感器的间隔是否合适，对过弯的精确性以及防止飞车有很大的影响。
尤其对于红外对光管的安装来说，既要考虑到合适的前瞻，又要考虑其对整车重心的影响。设定传感器间隔的原则是：既要满足一定的密度以保证走弯道时轨迹相对精确，又要尽可能拥有大的横向控制范围来防止飞车。若传感器间隔设置合适，当赛道有一点微小的变化时，小车的控制单元就能进行相应的反应（改变前轮转角），从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性好。
本次设计采用8个RPR220光电管，且呈一字型排布，通过一定手段使光点打在赛道上呈一字型排布，然后调整好角度，大概和地面成45度角，使光聚焦头，使之接受正常，然后采用铝架使之与智能车衔接，伸出的长度尽可能大些，增加其的前瞻距，但是还要同时兼顾车子的重心保持平衡，一边速度过快打滑翻车的事故，并且光电管之间的距离为20mm，其布局如下图3-1：
图3-1 传感器的布局
3.2主控电路板安装结构
由于设计的电路板集成度较高，体积小质量轻，因此安装方便，并使整个车的结构更紧凑，外观更美观简洁。主控板的形状设计为符合车体前端空间的形状，主控板放在车体的中部，利用车体底盘上本来的一个螺孔和两个条形孔，并另外钻一3mm孔，用四个尼龙将主控板固定在汽车底盘上。我们的安装原则是，既要保证电路板不震动不晃动，有要便于拆卸更换。
3.3前轮参数调整
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