毕业设计(论文)
基于飞思卡尔单片机的智能车控制系统设计
系别自动化工程系
专业自动化
班级5060418
姓名王皓明
指导教师赵一丁
2010年6月16日
基于飞思卡尔单片机的智能车控制系统设计
摘要
本文以第四届全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了智能赛车控制系统的软硬件结构和开发流程。该比赛采用组委会规定的标准车模，以Freescale半导体公司生产的16位单片机MC9S12DG128为核心控制器，在CodeWarrior 4.7开发环境中进行软件开发，要求赛车在未知道路上完成快速寻线。
本智能车采用双排光电传感器对赛道进行检测，工作电压能与最小系统工作电压相同，可共用一个电源模块。通过光电传感器提取获得黑线位置，用PID方式对舵机进行反馈控制。同时通过速度传感器获取当前速度，实现速度闭环控制，根据赛道类型预判信息和当前速度信息对速度进行合理控制。整个硬件系统包括车模机械结构调整、稳压电源设计、核心控制电路板设计、后轮电机驱动模块设计和上位机通信设计等等。经过查看各种相关资料，对硬件进行了大量的优化，如针对对各种稳压芯片的测试，确定最优电源电路；测试各种测速方式，最终选用光电管作为测速模块；并在智能车调试过程中不断改进机械结构，使小车运行更加稳定、迅速。软件系统包括程序初始化、数据采集和车体控制的算法。为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性，经过多次机械结构调整及电路板设计，并经过不断试验，最终确定了现有的系统机械结构和各项控制的PID参数。
关键词：MC9S12DG128 ，智能车，双排光电传感器，PID
Intelligent vehicle control system design based on freescale MCU
Author :Wang Haoming
Tutor :ZhaoYiding
Abstract
Based on the 4th China university of intelligent car race for background, introduces the hardware and software of the control system of intelligent car structure and development process. The game using the standards prescribed by the organizing committee to Freescale semiconductor company models, the production 16-bit single chip MC9S12DG128 for core controller, in CodeWarrior 4.7 development environment in software development and requirement on the road on unknown quick line.
This intelligent vehicle using double row of photoelectric sensor, voltage can work with minimal systems can share the same voltage, a power supply module. Through the intelligent vehicle, with black extracted on the way to the PID feedback control. And through the velocity sensor for current velocity, realize speed closed-loop control circuit, according to the type of information and the speed of anticipation to speed control information. The hardware system including mechanical models ,structure adjustment, manostat design, the core control circuit design, rear motor driver module design and computer communication design etc. After check all relevant information on the hardware, the large amounts of optimization, such as all kinds of pressure in the test chip and the optimum power supply circuit, Testing various ways, finally chooses phototube module as a type of cell, And in the intelligent vehicle commissioning process improvement, the mechanical structure is more stable operation, quick. Software system including the initial procedure, the data acquisition and control algorithm. In order to improve the speed of intelligent cars and reliability, and after many mechanical structure adjustment and circuit design, and finally determined through continuous test, the existing system of the mechanical structure and PID control parameters.
Key words:MC9S12DG128, intelligent vehicle, double row photoelectric sensor, PID
目录
1 绪论 (1)
1.1智能车的背景及意义 (1)
1.2智能车竞赛的研究现状 (2)
1.2.1 国外智能车竞赛现状 (2)
1.2.2 国内智能车竞赛现状 (3)
1.3本文的概况及结构安排 (7)
2 智能车方案设计 (8)
2.1智能车设计的基本要求 (8)
2.2智能车的双排传感器循迹策略方案设计 (8)
2.2.1 双排传感器的优势 (8)
2.2.2 传感器阵列布局 (9)
2.2.3 直道识别方式控制策略 (9)
2.2.4 直线稳定控制策略 (13)
2.2.5 弯道控制策略 (13)
2.2.6 实测结果和现象分析 (14)
2.3车模参数 (15)
3 硬件设计 (18)
3.1智能车整体结构 (18)
3.2MC9SDG128B的最小系统及接口设计 (19)
3.3电源管理及分布 (20)
3.4光电传感器布局 (21)
3.4.1 赛道识别传感器模块 (21)
3.4.2 测速模块 (22)
3.5电机驱动模块 (23)
3.6舵机驱动模块 (24)
3.7拨码开关模块 (25)
4 机械结构调整 (27)
4.1一些重要参数对赛车的影响 (27)
4.2车模底盘参数调整 (28)
4.3重心位置对汽车性能的影响 (30)
4.4汽车侧滑的处理 (31)
4.5底盘离地间隙 (32)
4.6齿轮传动间距调整 (32)
4.7后轮差速机构调整 (32)
5 智能车软件开发环境及软件设计 (34)
5.1智能车软件开发环境 (34)
5.1.1 软件调试软件Code Warrior (34)
5.1.2 无线调试模块 (36)
5.2软件设计 (37)
5.2.1 初始化模块 (37)
5.2.2 智能车系统的控制策略的设计及实现 (41)
5.2.3 PID参数的整合 (45)
结论 (48)
致谢 (50)
参考文献 (51)
附录 (52)
附录A：智能车硬件连接图 (52)
附录B：智能车最终实物图 (53)
附录C：PID CONTROLLER (54)
1 绪论
1.1 智能车的背景及意义
智能车系统以迅猛发展的汽车电子为背景,涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械、车辆运动学等多个学科;主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成。一般而言,智能车系统要求小车在白色的场地上,通过控制小车的转向角和车速,使小车能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶。
智能车辆，是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体.它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆致力于提高汽车的安全性、舒适性和提供优良的人车文互界面，是目前各国重点发展的智能交通系统中一个重要组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。
随着科学技术的发展，特别是计算机技术、信息技术、人工智能、电子技术的突飞猛进，智能车辆技术有了实现的技术基础。目前智能车辆技术在轿车和重型汽车上主要应用于碰撞预警系统、防撞及辅助驾驶系统、智能速度适应、自动操作等，其在军事上的应用更加广泛和重要。
车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势，也是人们对安全性要求越来越高未来汽车的发展方向。随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，人工神经网络技术、模糊控制技术、神经模糊技术、虚拟实现等新技术的出现，智能车辆技术的研究将会有突破性的进展。智能车辆系统的实用化是是智能车辆发展的前进方向，适应性强、环境适应性好的智能车辆将是研究的重点。
对智能车系统的研究在某种程度上讲是对于智能车辆自动驾驶系统研究的缩影。目前自动驾驶技术的发展水平已经能在相对简单的路况实现全自动驾驶。例如在高速公路上，所有的车辆都向同一个方向行驶，没有行人，没有急转弯路段，车道都有明显的标记，这样就为自动驾驶提供了较好的条件。高速公路自动驾驶的一个主要技术是车道跟踪。一种车道跟踪系统由摄像机和处理器测定车道标记，传感器测定驾驶员加在方向盘
上的扭矩；电子控制装置接收这些测量信息，驱动电机通过变速箱调整输送到转向机构的扭矩。
美国通用汽车公司计划在2015年前测试无人驾驶汽车技术，2018年左右将无人驾驶汽车推向市场。该公司正在联合零部件供应商、大学教授和其他汽车制造商共同研发这种无人驾驶汽车，给人们的长短途旅行带来革命性变革，大大减少交通堵塞和交通事故。为了减少交通事故，美国正在推广防止翻车的电子稳定性控制系统，要求2012年推出的新车型必须配备这种技术。接下来，美国还要实施车辆之间的通讯系统。
尽管与自然路况下的完全自动驾驶尚有一段不小的距离，人们已经研究出包含上述在内的许多自动驾驶辅助系统并成功地加以使用。随着科学技术的发展，我们相信不久的将来在市场上能够买到功能全面的自动驾驶汽车。不过，依笔者所见，汽车智能驾驶这种灵活而又复杂的操作，百分之百自动并不是最佳选择，在复杂的路段上还是宁愿相信人类自己[1,2]。
就目前情况看，智能车系统研究的重点是集中力量发展决定智能车控制成败的两大关键技术，即软硬件对于智能车稳定性和速度的提升。只有在这两大关键技术上获得突破性进展，才能实现“跟踪前沿，跨越发展”的目标。本文着重研究控制算法智能车控制系统的稳定性问题，兼顾硬件设计与机械调整，介绍一种基于HCS12单片机设计的智能车系统。硬件系统中的路径识别功能由双排红外光电传感器实现,车速控制主要由PID 控制器进行调节。软件设计中实时检测路况,并定时中断采集速度反馈值。
1.2 智能车竞赛的研究现状
1.2.1 国外智能车竞赛现状
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，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。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code warrior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
MC68S912DP256控制软件的编程，等等。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、机械等多个学科，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的长期的推动作用。
图1.1 韩国大学生智能模型车竞赛车模
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，图1.1为他们设计的智能车模型[3]。
此外，欧美国家也在进行智能车系统的研究。
1.2.2 国内智能车竞赛现状
我国在智能车系统方面的研究主要是指从2006年起历年举办的“飞思卡尔”杯智能
汽车竞赛：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。各分赛区预赛以及全国总决赛间，在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。
“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，委托教育部高等学校自动化专业指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。
全国大学生智能汽车竞赛与全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等四大竞赛一起被列为教育部主办的全国大学生五大竞赛之一。该大赛综合性很强，以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电器、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，对进一步深化高等工程教育改革据有重要意义，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。
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，有大赛组委会统一提供。参赛队伍通过设计基于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，跑完一圈的时间越小，成绩越好。
大赛分为光电与摄像头两个赛题组，如果车模利用道路图像信息进行路径检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电赛题组。
图 1.2 第四届“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛比赛赛道
1、 光电赛题组
图 1.3 光电赛题组车模 参加光电赛题组中不允许传感器获取道路图像信息进行路径检测。
“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛的赛题是控制比赛小车，使其按要求用尽可能短的时间完成比赛赛道，比赛允许选手自行设计传感器和控制电路，并编写控制程序，禁止改动舵机和轮胎等小车结构。针对这种要求，从控制系统的观点出发，按照设计跟随系统的思路设计车模的控制策略；从几何关系上讲，为了实现车模的寻线运动，控制器应当控制前轮转向，满足在车模运动中车身相对于线的位置偏差和车身纵向相对于线的夹角为0的控制目标。根据以上思路，寻线跟随系统应当有2个输入——位置偏差和角度偏差，1个输出——舵机转角，考虑了速度的因素后，系统便成为一个3输入2输出的复杂系统。在光电赛题组的方案中，位置偏差和角度偏差由光偶传感器检测得到，舵机转角由PWM信号控制。由于通常传感器检测得到的量是离散量，动作控制也只能针对离散量进行控制，并且根据单片机的处理能力，使用数字PID作为基本的控制器，但这只适用于低速情况，高速情况下过于离散的控制将造成系统控制缓慢、滞后，阶跃变化较大，甚至无法达到控制目标。由于这种原因，将小车速度提升之后，对小车进行连续控制是十分必要的，实际结果证明，传感器检测模拟量进行连续位置和角度的PID控制可以使小车具有很好的稳定性和跟随特性。
光电赛题组一般电路设计简单、信息检测频率高，但检测范围、精度有限且能耗较大。
2、摄像头赛题组
图1.4 摄像头赛题组车模
参加摄像头赛题组可以使用光电管作为辅助检测手段。
选择采用摄像头作为寻线传感器。一方面，摄像头所能检测的赛道信息远多于光电传感器构成阵列所能检测的信息，有利于区分各种道路类型；另一方面，摄像头检测范围调整灵活，可以提供足够远的预判距离（通常1m左右，光电赛题组前瞻通常为20～30cm）。实际上，通过“超频”和提高代码效率，并选择合适的图像处理算法，使用比赛规定的单片机完全可以对低线数黑白摄像头的视频信号进行采样和处理，有效识别出导引线的位置和相关几何信息[4,5]。
摄像头赛题组获取的赛道信息丰富，但电路设计和软件处理较复杂，且信息更新速度较慢
1.3 本文的概况及结构安排
本毕业设计共七章，以光电组智能车为实际研究对象，以随动系统为理论研究对象，以前馈控制技术、PID控制技术以及分程控制技术等作为研究工具，对智能车的控制方法进行了研究。本文的主要内容如下：
第1章阐述了本文的研究背景及研究意义，与智能车循迹控制相关的主要控制方法及所要解决的问题，给出本文的研究内容。同时介绍了智能车的国外竞赛进展，以及国内智能车竞赛的情况，指明研究环境。
第2章为智能车系统方案的设计，主要包括智能车系统模板设计的基本要求、循迹方案选择和车模参数；
第3章为为智能车的硬件系统设计，介绍了电源管理模块、传感器分布模块、转向舵机控制模块和直流电机驱动模块等；
第4章研究智能车模型的机械结构调整，并介绍了本设计中智能车模型在机械方面的改造；
第5章为智能车软件系统设计，包括小车的开发环境，软件设计的整体流程，各个模块初始化，以及控制策略的实现等；
第6章为智能车系统调试的总结，归纳出设计中发现的光电智能车自身的问题与不足，对后续的研究进行了展望。
第7章为结束语并致谢。
2 智能车方案设计
2.1 智能车设计的基本要求
比赛跑道表面为白色，中心用连续黑线作为引导线，黑线宽2.5cm。比赛规则先顶了赛道的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。车模自主识别引导线并控制模型车沿着赛道运行。在保证模型车运行稳定既不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小，成绩越好。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的前提下，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，同上应坚持充分发挥创新原则，以结构简单功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。
2.2 智能车的双排传感器循迹策略方案设计
本设计以循迹策略为主要研究对象，以采用双排传感器的智能车为例，辅以做了优化的直线、大弯、S弯等不同道路情况的循迹策略。经实验证明，此策略紧密结合双排红外的特点，发挥出了双排的优势，使智能车实现了以稳定为先，并追求极限速度的要求，适应能力强，能在各种赛道上均有出色发挥。
2.2.1 双排传感器的优势
目前，大多数光电智能车采用单排传感器的道路检测方式，这种方式获得的道路信息少，对智能车的状态和道路的状况都不能很好地区别，造成控制上的麻烦。为了弥补不足，形成了大功率大前瞻的单排传感器的道路检测方式，这种方式检测的距离更远，能够更早地判断出道路的走向，在一定程度上弥补了检测精度低的缺点，但也无法有效地区分智能车状态与道路状况[6]。
比赛的车模可选用摄像头或传感器的方式进行道路信息检测，我们的车模采用的是双排红外的循迹方式，采用大前瞻双排传感器可以得到更多的赛道信息，更早地采取策略处理，形成更好的行车轨迹。是采用复杂的摄像头方案的一种替代方式。
可以在直道中实现稳定控制，加速顺畅的能力；在S弯中以小曲线的方式前进，减少行进路线和舵机调整次数。在大弯中实现提前转弯，切内弯的效果。尤其是在转弯方面，通过前后排共同对弯道的预测，达到延伸物理识别距离的能力，从而做出提前的动
作，减少由于检测距离近而带来的负面影响，达到上述效果。
2.2.2 传感器阵列布局
图2.1中仅以接受管示意传感器位置。
图 2.1传感器阵列布局
布局方式说明：
前排传感器伸出距离较远，小车中心偏离黑线后，会在前排传感器上产生较大偏移量。
后排传感器伸出距离较近，小车中心偏离黑线后，会在后排传感器上产生较小偏移量。
利用前后排传感器对小车偏移时不同的敏感度对小车进行控制。
为了使前后排体现出更明确的分工和采集到更远处的信息，我们把前排传感器倾斜约50°角，使前排的前瞻距离更大（28cm），更能体现出前排的优势和特点。
2.2.3 直道识别方式控制策略
1直道识别方式
(1)采用此种方式布局双排红外，对于直道的判别方法可有以下5种物理方式，每种方式应用的时机列在表后。
第一种直道情况(图2.2)
图2.2第一种直道情况
在左转大弯后，出弯时最可能出现的前后排传感器检测到黑线时的组合情况。适用于左转90°弯、180°弯。提前得到出弯信息，舵机向左转动较小角度，并在此时采取加速动作，起到弥补前瞻不足的作用。此情况在赛道的s弯出现时，不满足直道的第二种识别方式，故不会加速。
第二种直道情况(图2.3)
图2.3第二种直道情况
此情况是对第一种情况的再确认，左转大弯并经过第一种情况后，再经历此种情况，可确认无误前方为直道，继续提升小车的加速能力。控制程序由弯道程序切换到直线稳定程序。
第三种直道情况 (图2.4)
图2.4第三种直道情况
此时采取直线稳定控制。由于前两种情况已经明确识别为直道，此种情况只是增加直道识别的成功率。
第四种直道情况(图2.5)
图2.5第四种直道情况
与第二种情况类似，对第五种情况的再确认，右转转大弯并经过第五种情况后，再经历此种情况，可确认无误前方为直道，继续提升小车的加速能力。控制程序由弯道程序切换到直线稳定程序。
第五种直道情况(图2.6)
图2.6第五种直道情况
在右转大弯后，出弯时最可能出现的前后排传感器检测到黑线时的组合情况。适用于右转转90°弯、180°弯。提前得到出弯信息，舵机向右转动较小角度，并在此时采取加速动作，起到弥补前瞻不足的作用。在赛道的s弯出现时，不满足直道的第二种识别方式，故不会加速。
(2)直道识别，程序辅助确认
进入弯道后，随着小车的行进，会发生振荡，致使出弯时不一定满足上述5种情况。为了提高直道的识别成功率，增加第二种直道判别方法。两者同时起作用，满足第一种后经过最多15ms确认是直道。
程序是循环执行，我们的程序执行频率是2KHz。采用定时中断(15ms)的方式，对前排中间3个传感器(编号为3、4、5)使用3个计数器分别计数，每次执行程序若是其中一个检测到黑线，相对应的计数器加1。经过计算，15ms内所能计数的最大值为31。我们设定计数的最大值，若在15ms内达到所要求的计数值，就认为是直道，切换直道程序并将计数器清零；若15ms内没有达到所要求的计数值，计数器清零，重新计数。例如小车为2m/s的速度，小车行进3cm。我们只要判断2~2.5cm内为直道即可。所以设最大计数值为20~25即认为是直道，跳出弯道程序。
当然也可以采用更严格的方法来判断，只需调整定时中断的时间和计数值即可。此条件在进入直道后总能满足，所以作为第一种直道判别方式的补充，保证直道的稳定可靠识别[7]。
2.2.4 直线稳定控制策略
小车出弯后，由于舵机的反应不灵敏，智能车会发生振荡，随后才能达到稳定，为了尽早减小振荡，采用如下方式控制小车出弯后的动作：
在弯道策略中设置标志位，进入直线程序后，识别标志位，对控制舵机转向的公式采取修正设置。公式为：q=K1q1+K2q2；其中q为最终送给舵机的控制量，q1为前排光电传感器的返回转角值，q2为后排红外返回转角值。K1、K2分别为前后排传感器的加权比例值。通常情况下K1、K2为定值1，需要时则改变赋值。
当小车从弯道进入直道并成功识别出直道后，减小K1的值，由于后排传感器距离小车的前轮(转向轮)很近，小车中心偏离黑线时，不会在后排传感器横向位置产生很大位移(相对于前排传感器)，故小车在直线上舵机调整的次数就会明显减少，直线的稳定性会好。同时，根据前后排不同传感器的组合，给出不同的转角策略(在程序中以列表的方式体现)，近一步提高直线的稳定控制能力。
2.2.5 弯道控制策略
PID算法在上述直道控制中效果很好，控制简单，在起跑加速时可设置前馈控制器，先全力加速到一个速度值，在加上PID调节，形成一个类似于分段的控制，即可较快地达到规定的速度。
但实验证明，双排光电控制时单纯用PID算法，智能车在大S弯上会出现抖动，降低车速，造成智能车在通过此类弯道时间的大大延长。为此，想出了5种解决方法：（1）延长控制周期：这样，智能车舵机的反映灵敏度降低，减少了在大S弯上会出现抖动的次数，缺点是延长控制周期，造成软件对车体控制延时的加长，最明显的劣势在于长直道加速后转大弯反应不及时，冲出赛道，为了不冲出赛道，只有降低直道最大速度，间接影响了智能车的速度性。
（2）改变PID参数：改变PID参数可以减小舵机在转弯时控制的PWM信号，即让车体转向变小，缩小了在大S弯上出现抖动的幅度，缺点是改变PID参数在缩小了在大S弯上出现抖动的幅度的同时，也缩小了智能车在于长直道加速后转大弯时的转向幅度，使车体在相同速度下，不能转过以往可转过的大弯，最后导致滑出赛道或直接冲出赛道，
也影响了智能车的比赛性能。
（3）做赛道标志位，对小S弯，大S弯，90°弯，180°弯，环弯进行数据采集，分类设成标志位，此后智能车运行时不断记录最近采集的5组数据，分析其符合那种弯道，进而加以控制。实验后知其缺点为标志位识别易出错误，可行性不高，这主要是因为双排光电传感器的前瞻不足（仅28cm），采集到的赛道信息也不像摄像头那样多，可以作出准确的识别。
（4）利用速度传感器返回的实际速度值，做标志位，变舵机PID参数对弯道进行分段控制：在软件中设一系列速度值，按智能车运行速度予以分段，在低速区（大S弯的情况多为低速），控制量给中等值，因车速不高，较小的控制量在控制周期相对多时可很好的调节车体，稳定过弯；在中速区（主要针对小S弯）。控制量给小，可在一定程度上实现S弯直线跑，节省时间，在大S弯之所以不这样跑，是由于双排光电的前瞻小和采集信息不足的缘故；在高速区（通常只在长直道车体加速后方速度值可达到此区域），控制量给大，防止高速时，转90°弯，180°弯不及时而冲出跑道。实验中，效果很好，但后发现当赛道结构（直道，各类弯道的不同组合）未考虑周全时，在两速度区衔接处会出现失控，例如直道直接接大S弯的赛道处，车体进入大S弯，而其速度尚未减下来，即在高速区，控制量给大，不能完成在大S弯上的正确控制，车体摆动2-3次后方可正常行进（此时是由于车速随摆动降低，符合低速区标准，控制量给的正确）。
（5）在（4）的基础上做类似（3）的标志位处理后以实验法确定给定参数值（主要是不同情况下改变舵机的控制量q大小与Kp值大小）：在设计期间，曾试着在软件对速度区间做细分，由原先的低、中、高三段改进为5段、7段、9段，进行控制，根据实验结果，随着细分段数的增加，可以减少减弱区间衔接处的车体摆动，但不能完全解决问题，而且算法执行时间受到一定影响。继而做标志位，并以实验法确定给定参数值后，智能车可充分发挥其双排可识别前方赛道的优势，识别后再进行速度分段控制，使车体在弯道上的控制得到了保证，控制效果比较满意。
2.2.6 实测结果和现象分析
下图为我们使用上述算法前后小车行进的实际轨迹。
图2.7 两种算法小车行进的实际轨迹对比
图2.7是使用实验法确定给定参数值前后小车在赛道上的实际轨迹,其中的红线是赛车行驶轨迹
注：这张图的绘制方法是这样的，先通过串口把误差值和速度通过无线串口发到上位机，然后通过在计算机上描点画出小车实际的轨迹，有偏差但是与实际情况非常近似。
可以非常明显的看到使用实验法确定给定参数值之后，小车虽然也有偏出赛道的情况存在，但是比用Kp参数恒定的算法情况就好多了。这主要是因为在弯道上Kp参数变大的缘故。Kp变大时，一旦检测到偏差，系统就能更快的恢复到平衡位置。从表中可以看到小车偏差的方差实际减小了，因而小车走的实际距离也减小了，自然跑完赛道的时间也减小了。
2.3 车模参数
此次比赛选用的赛车车模采用1/10的仿真车模。赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，后轮驱动方案。具体车模数据如下：
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
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：
II
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)
extern int left,w,top,h; extern HDC m_hdc; CBrush brush3(RGB(0,255,0)); CBrush brush4(RGB(255,0,0)); CBrush brush5(RGB(255,255,0)); #else #include
我的第一个LED程序 准备工作： 硬件：Freescale MC9S08JM60型单片机一块； 软件：集成开发环境codewarrior IDE； 开发板上有两个LED灯，如下图所示： 实验步骤： 1．首先，确保单片机集成开发环境及USBDM驱动正确安装。其中USBDM的安装步骤如下：?假设之前安装过单片机的集成开发环境6.3版本：CW_MCU_V6_3_SE； ?运行USBDM_4_7_0i_Win，这个程序会在c盘的程序文件夹下增加一个目录C:\Program Files\pgo\USBDM 4.7.0，在这个目录下： 1〉C:\ProgramFiles\pgo\USBDM 4.7.0\FlashImages\JMxx下的文件 USBDM_JMxxCLD_V4.sx是下载器的固件文件； 2〉C:\Program Files\pgo\USBDM 4.7.0\USBDM_Drivers\Drivers下有下载器的usb 驱动 所以在插入usb下载器，电脑提示发现新的usb硬件的时候，选择手动指定驱动 安装位置到以上目录即可。 ?运行USBDM_4_7_0i_Win之后，还会在目录： C:\Program Files\Freescale\CodeWarrior for Microcontrollers V6.3\prog\gdi 下增加一些文件，从修改时间上来看，增加了6个文件，这些文件是为了在codewarrior 集成开发环境下对usb下载器的调试、下载的支持。
2．新建一个工程，工程建立过程如下： ?运行单片机集成开发环境codewarrior IDE ?出现如下界面 ●Create New Project ：创建一个新项目工程 ●Load Example Project ：加载一个示例工程 ●Load Previous Project ：加载以前创建过的工程 ●Run Getting started Tutorial：运行CodeWarrior软件帮助文档 ●Start Using CodeWarrior：立刻使用CodeWarrior ?点击Create New project按钮，以创建一个新的工程，出现选择CPU的界面 如下，请选择HCS08/HCS08JM Family/MC9S08JM60，在右边的Connection窗口
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，
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。
关于Codewarrior 中的 .prm 文件 网上广泛流传的一篇文章讲述的是8位飞思卡尔单片机的内存映射，这几天，研究了一下Codewarrior 5.0 prm文件，基于16位单片机MC9S12XS128，一点心得，和大家分享。有什么错误请指正。 正文： 关于Codewarrior 中的.prm 文件 要讨论单片机的地址映射，就必须要接触.prm文件，本篇的讨论基于Codewarrior 5.0 编译器，单片机采用MC9S12XS128。 通过项目模板建立的新项目中都有一个名字为“project.prm”的文件，位于Project Settings->Linker Files文件夹下。一个标准的基于XS128的.prm文件起始内容如下： .prm文件范例： NAMES END SEGMENTS RAM = READ_WRITE DATA_NEAR 0x2000 TO 0x3FFF;
READ_ONLY DATA_NEAR IBCC_NEAR 0x4000 TO 0x7FFF; ROM_C000 = READ_ONLY DATA_NEAR IBCC_NEAR 0xC000 TO 0xFEFF; //OSVECTORS = READ_ONLY 0xFF10 TO 0xFFFF; EEPROM_00 = READ_ONLY DATA_FAR IBCC_FAR 0x000800 TO 0x000BFF; EEPROM_01 = READ_ONLY DATA_FAR IBCC_FAR 0x010800 TO 0x010BFF; EEPROM_02 = READ_ONLY DATA_FAR IBCC_FAR 0x020800 TO 0x020BFF; EEPROM_03 = READ_ONLY DATA_FAR IBCC_FAR 0x030800 TO 0x030BFF; EEPROM_04 = READ_ONLY DATA_FAR IBCC_FAR 0x040800 TO 0x040BFF; EEPROM_05 = READ_ONLY DATA_FAR IBCC_FAR 0x050800 TO 0x050BFF; EEPROM_06 = READ_ONLY DATA_FAR IBCC_FAR 0x060800 TO 0x060BFF; EEPROM_07 = READ_ONLY DATA_FAR IBCC_FAR 0x070800 TO 0x070BFF; PAGE_F8 = READ_ONLY DATA_FAR IBCC_FAR 0xF88000 TO 0xF8BFFF;
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
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。
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
智能车的制作中,看经验来说,舵机的控制是个关键.相比驱动电机的调速,舵机的控制对于智能车的整体速度来说要重要的多. PID算法是个经典的算法,一定要将舵机的PID调好,这样来说即使不进行驱动电机的调速(匀速),也能跑出一个很好的成绩. 机械方面: 从我们的测试上来看,舵机的力矩比较大,完全足以驱动前轮的转向.因此舵机的相应速度就成了关键.怎么增加舵机的响应速度呢?更改舵机的电路?不行,组委会不允许.一个非常有效的办法是更改舵机连接件的长度.我们来看看示意图: 从上图我们能看到,当舵机转动时,左右轮子就发生偏转.很明显,连接件长度增加,就会使舵机转动更小的转角而达到同样的效果.舵机的特点是转动一定的角度需要一定的时间.不如说(只是比喻,没有数据),舵机转动10度需要2ms,那么要使轮子转动同样的角度,增长连接件后就只需要转动5度,那么时间是1ms,就能反应更快了.据经验,这个舵机的连接件还有必要修改.大约增长0.5倍~2倍. 在今年中,有人使用了两个舵机分别控制两个轮子.想法很好.但今年不允许使用了.
接下来就是软件上面的问题了. 这里的软件问题不单单是软件上的问题,因为我们要牵涉到传感器的布局问题.其实,没有人说自己的传感器布局是最好的,但是肯定有最适合你的算法的.比如说,常规的传感器布局是如下图: 这里好像说到了传感器,我们只是略微的一提.上图只是个示意图,意思就是在中心的地方传感器比较的密集,在两边的地方传感器比较的稀疏.这样做是有好处的,大家看车辆在行驶到转弯处的情况: 相信看到这里，大家应该是一目了然了，在转弯的时候，车是偏离跑道的，所以两边比较稀疏还是比较科学的，关于这个，我们将在传感器中在仔细讨论。 在说到接下来的舵机的控制问题，方法比较的多，有人是根据传感器的状态,运用查表法差出舵机应该的转角,这个做法简单,而且具有较好的滤波"效果",能够将错误的传感器状态滤掉;还有人根据计算出来的传感器的中心点(比
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)
基于飞思卡尔单片机的智能汽车设计 摘要 本智能车系统设计以 MC9S12DG128B 微控制器为核心，通过一个CMOS 摄像头检测模型车的运动位置和运动方向，使用LM1881视频分离芯片对图像进行处理，用光电传感器检测模型车的速度并使用PID 控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。为了提高智能车的行驶速度和可靠性，采用了自制的电路板，在性能和重量上有了更大的优势，对比了各种方案的优缺点。实验结果表明，系统设计方案可行 关键词：MC9S12DG128，CMOS 摄像头，PID
The Research of Small and Medium-sized Electric Machines in Fuan City Author：Yao fang Tutor：Ma shuhua Abstract Fujian Fuan City industry of electric motor and electrical equipment is the one of the most representative phenomenon of industry cluster in Fujian Province mechanical industry. Its output value of small and medium-sized electric machines accounts for 20% of the whole province’s electrical equipment indu stry. The output amount of small and medium-sized electric machines from this region takes up 1/3 of that of the whole nation. Fuan electric motor and electrical equipment industry plays a significant role in the development of local national economy, being considered to be the main growth point of local economy and called "the Chinese electric motor and electrical equipment city ". This paper launched a research on small and medium- sized electric machines in Fuan city from two angles. The first one inferred the situation of Fuan electric machine industrial cluster as well as the analysis of the temporary existed problems, and then propose a few of suggestions on the part of local government. The second part focus on the improvement of the competitiveness of Fuan electric machine enterprises, through the application of Michael Porter's Five Forces Model into the local industry of electric machine, consequently carried out some strategies local enterprises should take. Key Words: small and medium-sized electric machines, Five Forces Model, industrial cluster
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。
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。
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