安徽理工大学-追风队

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：安徽理工大学队伍名称：追风队参赛队员：杨泰朋朱苗苗孙经伟带队教师：梁喆王宾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五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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：I目录第一章引言 (1)1.1赛事介绍 (1)1.2系统总体方案的选定 (1)第二章系统硬件电路设计 (3)2.1S12单片机最小系统 (3)2.2电源电路模块 (4)2.3传感器模块 (6)2.4电机驱动模块 (6)2.5速度检测模块 (8)2.6人工参数调试模块 (9)第三章机械结构调整与安装 (11)3.1传感器的安装 (11)3.2舵机的调整与安装 (12)3.3前轮倾角的调整 (13)3.4后轮的调整 (13)3.5其他部分的调整 (14)第四章系统软件设计 (15)4.1智能车整体软件设计 (15)4.2数据采集处理部分 (15)4.3起跑线的检测 (17)4.4舵机与电机控制部分 (17)4.5速度的观测 (19)第五章开发工具及调试工具 (20)5.1C ODEWARRIOR IDE功能介绍 (20)5.2BDM调试工具 (20)第六章模型车各项参数 (22)6.1车模基本尺寸 (22)6.2电路功耗及电容总容量 (22)6.3传感器及伺服电机数量 (22)6.4赛道信息检测精度、频率 (22)第七章总结 (23)参考文献 (24)II第一章引言1.1赛事介绍受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导分委员负责主办全国大学生智能车竞赛，是教育部为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革而设立的。

该竞赛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。

该竞赛与己举办的全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大专业竞赛不同，它是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、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。

至今飞思卡尔全国大学生智能汽车竞赛已成功举办四届。

本文是安徽理工大学追风队为参加第五届全国大学生智能车竞赛而撰写的报告，报告中详细介绍了我们车子的机械结构安装与调整方法、硬件电路设计与制作方法、软件系统的设计方法以及整个系统的开发工具及调试手段等。

1.2 系统总体方案的选定通过学习竞赛规则和参阅往届竞赛相关技术资料了解到，路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。

根据参加前几届比赛的经验，我们对关于光电传感器和CCD/CMOS 传感器用于智能车辆路径识别的方案比较熟悉，针对这两种不同路径识别方式我们作了测试和比较。

方案一：光电传感器寻迹。

优点：传感器信号处理速度快，可以更实时地对路况信息进行检测判别并作出相应控制处理。

缺点：前瞻距离短束缚了小车速度的提升。

方案二：CCD 摄像头寻迹方案。

优点：可以更远更早地感知赛道的变化。

缺点：信号处理比较复杂，不好把握。

1第五届全国大学生智能汽车大赛技术报告在比较了两种传感器优劣之后，考虑到前几届比赛的技术积累，我们决定选用光电传感器。

为了改善光电传感器前瞻距离短的弱势，力求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，我们采取的策略是用激光传感器加人工调参代替以往的红外传感器，这样大大提高小车的前瞻性，使小车的稳定性提高，从而提高总体速度。

2第二章系统硬件电路设计我们在电路设计上采用模块化的思想，既可以有效地防止因为某一种电路的损坏而使得整个PCB板子无法利用的现象出现，做到及时排查出损坏部件，同时还有利于规划各个模块板子的排列位置，使得小车的重心、结构更加的合适，更加的优化。

硬件电路系统主要分为主控电路、驱动电路、辅助电路。

主控电路为自行设计的S12单片机开发板。

驱动电路包括电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、等。

辅助电路包括传感器模块、人工参数调试模块等。

下面分别详细介绍各模块内容。

2.1 S12单片机最小系统以MC9S12X128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、电源电路、复位电路、BDM接口。

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的16MHz的石英晶振。

2、电源电路主要是给单片机提供5V电源。

3、复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。

4、BDM接口让用户可以通过BDM头向单片机下载和调试程序。

S12最小系统电路图如图2.1。

342.4 电机驱动模块6第二章系统硬件电路设计比赛最终比的是速度，需要小车能够以尽量快的速度跑完全程，这就需要有驱动电路对电机进行控制。

电机驱动电路我们选用两半桥驱动芯片BTS7960构建的全桥驱动电路，BTS7960是集成的大电流半桥驱动，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动。

其内部结构框图如下：BTS7960内部结构图其输入信号为标准的TTL电平，直接与单片机相连就可以了，减少电路布线的复杂性，降低系统的不稳定因素。

用两片BTS7960即可构成全桥驱动电路，控制电机的正反转。

实际控制电路如图2.4。

显示界面，由四个按键分别进行参数选择、速度控制和小车复位及启动。

调参电路如图2.6。

第三章机械结构调整与安装任何工程都是硬件与软件的组合，一个好的工程必然是二者的最佳组合。

由于硬件改动比较复杂，而软件修改相对简单许多，所以我们首先对小车做机械调整，力求机械做工最佳。

3.1传感器的安装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红外线，经地面反射到接收管。

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。

为了能使加大前瞻距离，我们选择了检测原理不变而前瞻能力远大于普通光电传感器的激光传感器。

传感器的布局我们选用传统的“一”字型排布，采用一对二的方式，共12个激光传感器，符合大赛规定传感器总数不超过16个的要求。

激光传感器由发射部分和接收部分构成，其固定参数如表3.1。

图3.1 一字排开的激光传感器第五届全国大学生智能汽车大赛技术报告3.2 舵机的调整与安装舵机是赛车转向的驱动装置，是整个控制系统中延迟较大的一个环节，我们希望减小这个时间常数，也就是要加快舵机的响应速度。

我们在舵机的调整上做了多次尝试，最终确定舵机改为竖立安装，竖放的舵机加大了两端的力臂，这样不改变舵机本身结构的也可以提高舵机的响应速度。

（如图3. 2舵机安装图）图3. 2舵机安装图竖立安装的舵机有改变了舵机的力臂，使转向更灵敏；舵机安装在了正中央，使左右转向基本一致;舵机固定时用四个铜柱支撑，增加了前轮下压力，从而提高了前轮的抓地力，当然这样也加重了舵机负载，不过因为转向连杆连接点和舵机轴心距离适中，所以不会烧毁舵机。

第三章机械结构调整与安装3.3 前轮倾角的调整前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾，主销后倾，前轮外倾和前轮前束决定。

1）主销内倾是指主销装在前轴向内倾斜的角度，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，但转向时也同时会费力，增大轮胎磨损。

2）主销后倾是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的角度。

它使车辆转弯时产生的离心力与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心位置上。

由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性越好。

主销内倾和主销后倾都能使模型车自动回正，不同点在于主销内倾回正与车速有关，而主销后倾与车速无关。

可以说，在高速时主销内倾起主要作用，而低速时，主要依靠主销后倾时模型车回正。

3) 前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。

在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。

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正外倾角度，一般这个角度约在1°左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。

4）前束是指两轮之间的后距离数值与前驱离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角，它能减少模型车的磨损，前轮滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎的偏斜方向会抵消，减少磨损。

在小车调试的过程中我们结合程序对前轮相应位置做了适当调整。

3.4后轮的调整差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动，并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。

当车模在过弯时，四轮的转速是不同的：外侧前轮>外侧后轮>内侧前轮>内侧后轮。

差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高。

第五届全国大学生智能汽车大赛技术报告以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。

差速机构太紧会导致差速器性能降低，起不到差速的作用，太松会导致打齿，增大了小车的加速时间。

好的差速机构，应该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近似相等，不会有迟滞或者过转动的情况发生。

齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。

齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，影响比赛成绩。

调整方法：两传动齿轮轴平行，齿轮咬合要适当，过松容易损坏齿轮，过紧又会加大传动阻力。

判断齿轮传动是否良好的依据是让车模空跑，听声音。

如声音闷，则齿轮咬合过紧；如声音过响，则咬合过轻。

调整好的齿轮传送噪音小，并且不会有杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递应十分流畅。

3.5 其他部分的调整除了以上部分的调整外，还对小车前后减震部分、底盘高度和重心位置进行了适当调整，改善了小车的行驶表现。

同时还在小车前桥和传感器部位加了防护调整。

调整后小车的整体效果如图3.3.图3.3 智能车整体效果第四章系统软件设计4.1 智能车整体软件设计系统采用了1个时钟中断，提供各种时钟服务，软件整体采用前后台的运行模式，各处理服务程序在主函数大循环中被执行。