第六届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
学校：洛阳理工学院
队伍名称：疾风速影（光电组）
参赛队员：韩玉飞严俊熊朝帅
带队教师：姚惠林陈伟
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：韩玉飞
严俊
熊朝帅
带队教师签名：姚惠林
陈伟
日期：2011-08-13
摘要
本文介绍了洛阳理工学院疾风速影队（光电队）第六届飞思卡尔智能车大赛的制作过程。采用激光和红外传感器采集路况信息后对摇头舵机和转向舵机赋予不同的打角，并给定驱动电机相应的速度，保证摇头舵机始终跟踪黑线，转向舵机能够迅速准确的转向。
智能车的制作的整个系统主要包括对机械结构的调整，硬件传感器电路的设计，控制算法等三个方面。机械部分主要是对车模的改装和调试，硬件部分包含传感器到驱动的一系列外围电路的设计，软件方面传感器寻迹，摇头舵机和转向舵机的打角和速度控制的配合。控制芯片我们采用飞思卡尔官网提供的MC9S12XS128(80pin)的16位单片机，以安装在随动舵机的激光传感器为主寻迹传感器，用红外检测起始线，并作为辅助寻迹传感器，以编码器为速度反馈传感器。
在调试的过程中我们将各种可能会出现的极端条件都考虑在内，使智能车有更好的适应能力。
关键词：智能车 MC9S12XS128单片机激光传感器编码器 PID算法
目录
第一章引言 (1)
1.1 概述 (1)
1.2系统整体构想 (1)
1.3 关联文献综述 (2)
第二章模型车的主要设计思路和技术方案综述 (3)
2.1 车体结构 (3)
2.2 硬件 (3)
2.3 软件 (3)
2.4 车模设计特色与创新 (4)
第三章系统硬件电路设计 (5)
3.1 硬件电路整体架构设计 (5)
3.2电源电路设计 (5)
3.3 激光传感器及其电路设计 (6)
3.3.1 激光发射与接收电路 (6)
3.3.2 激光探头接收创新点 (8)
3.4 红外传感器及其电路设计 (8)
3.5 电机驱动电路设计 (10)
3.5.1 BTS7960驱动电路连接 (10)
3.5.2 BTS7960散热设计 (11)
3.6 舵机驱动电路的设计 (11)
3.7 系统主控板电路的设计 (12)
3.8 核心控制板端口设置 (13)
3.9 硬件电路部分总结 (14)
第四章机械结构的设计 (15)
4.1 机械部分总体概述 (15)
4.2 前轮舵机的安装 (15)
4.3 光电编码器的安装 (16)
4.4 主动悬挂的安装 (16)
4.5机械部分调整 (17)
4.6 车模整体外形 (17)
第五章软件设计与实现 (19)
5.1 软件控制的总体思路 (19)
5.2 主程序设计 (19)
5.3 激光循迹程序设计 (20)
5.4 红外检测起始线程序设计 (21)
5.5 随动舵机控制程序设计 (22)
5.6 打角舵机控制程序设计 (23)
5.7 主动悬挂舵机程序设计 (23)
5.8 速度控制程序设计 (24)
5.8.1PID 控制算法介绍 (24)
5.8.2 速度的标定 (25)
5.8.3 加减速控制 (26)
5.9 软件设计总结 (26)
第六章开发工具调试说明 (27)
6.1 工程的创建 (27)
6.2 BDM 调试 (28)
第七章车模技术参数说明 (31)
7.1车模主要技术参数 (31)
7.2机械部分其它参数 (31)
第八章总结 (33)
致谢 (34)
参考文献 (35)
附录主要程序源代码 (36)
第一章引言
1.1 概述
全国大学生飞思卡尔智能汽车竞赛时由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的，以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，是以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技竞赛。该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，已成功举办五届。
第六届飞思卡尔智能车大赛是我们学校参加的第一届，今年我们真正开做车是在四月份，在没有上届经验的基础上我们搜集大量的资料，阅读了很多往届的技术报告，最终确定了整体系统结构。我们花了大量的时间寻找更好的的激光发射管与接收管电路，目的是尽可能的提高激光传感器的前瞻与稳定性。我们花了很多精力尝试不同的循迹方案，如电子摆头，舵机随动摆头以及两者的结合，目的是找出最优的传感器布局架构。最后基于今年的车模机械调教的复杂性以及保证前瞻的考虑决定沿用舵机随动摆头这种较普遍的激光循迹方案。硬件电路同样测试对比过不同的方案才最终确定下来。在后来的调试中不断在机械上有调整和改进，为小车的近一步提速打下了基础。为使小车能适应各种赛道，我们也不断的再增加跑道的难度，做出各种可能出现的赛道。
本报告将以我们测试过的最优的传感器布局架构方案为主体，从硬件电路芯片选型与设计，传感器的布局架构，机械部分调整，单片机控制软件的主要理论、控制策略及实现方法等方面阐述智能车的设计工作。
1.2系统整体构想
智能车以激光传感器采集路况信息，单片机摆头舵机上的激光打出一排整齐的激光点，以5ms的周期循环扫描路况信息，单片机根据激光传感器扫描的路况信息控制摆头舵机摆头，使一排激光点的中心恰好在赛道黑线上，从而时刻跟踪黑线，确保不丢线。
单片机通过激光采集的路况信息控制摆头舵机始终跟踪黑线，在根据摆头舵机的PWM值乘以一个P增量赋给转向舵机，从而控制转向舵机打角转向。在控制打角的过程中，通过判断摆头舵机PWM值得大小来判断当前的弯道大小和左右转弯，通过判断的结果来控制尾舵打角辅助转向。通过判断的结果还可以控制驱动电机的转速，在直道时转速快，弯道时转速慢。电机的转速通过编码器反馈给单片机，单片机再与期望值比较将误差再加到驱动电机上实现PID控制。程序中，我们将八路PWM 两两级联成四路从而提高了控制精度。我们通过红外辅助检测赛道信息，如坡道和起始线，并做相应的处理。
在单片机软件的编写上，就是让单片机的相关引脚在特定的时候输出高电平或低电平。但这在于什么时刻出现高电平或低电平，以及保持多长时间。控制系统采用 PID 算法。对前轮舵机值取了分段的 P 项D 项，而对于前轮舵机及速度控制，我们采用 PD 算法进行控制。
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1.3 关联文献综述
卓晴编辑的《学做智能车—挑战“Freescale杯”》，对于刚接触智能车的我们来说，这是入门必修课程，里面有很多控制策略、路径识别算法、传感器控制等方面的介绍，这些前人参赛的经验对我们队在车体和电路设计上有很大的参考价值。
其它参考书目作为辅助的资料，例如谭浩强著的《C语言程序设计》，主要参考了C程序的历程和一部分指令描述。
剩下的参考文献资料全部来自于网络，我们参考了智能车论坛里的大量文献资料。
第二章模型车的主要设计思路和技术方案综述
智能车设计的总体思路上分为三部分，即车体结构、硬件设计和软件编程。其中车体机械结构是最基本的层次，在机械结构满足一定条件的前提下，设计硬件电路，配合软件编程，力求达到环还相扣，不出差错的效果。软件结构上的设计即描绘驾驶员的驾驶水平，硬件结构和车体结构的设计统称车辆的性能，分别反映在控制的稳定性能和竞速性能上。
2.1 车体结构
今年光电组采用了A型车模。虽然轮胎、驱动电机、舵机和电池等车模主要结构不允许改动，但是机械结构上的细节仍会对小车性能产生影响。所以本组制作智能车的首要步骤就是把车况调整得有利于加速，例如更改舵机位置，降低重心，并制作防撞结构，避免小车在测试过程中冲出跑道而受到损伤。
2.2 硬件
本智能车的定位系统采用双排光电探头采集车辆前方的道路信息，上排为16个激光头，下排为6个红外管，其中上排探头通过舵机控制追踪黑线，下排探头固定用于检测停车线。电机驱动系统采用BTS7970全桥驱动，既节省了空间，又提高了驱动电压。单片机核心板采用MC9S12XS128的最小系统板，体积小且使用方便。舵机采用PWM波控制，通过占空比来确定舵机转向角度。安装编码器实时检测反馈智能车的当前速度。
2.3 软件
在符合大赛规则前提下，软件控制车模以最快的速度跑完整个赛道。不论哪种方案，软件的总体框架总是相似的，即路径识别—>舵机转向—>速度控制。
本队智能汽车竞赛的程序用C语言编写。在采集道路信息后，程序上以自动控制理论为基础，并加以具体处理，由速度传感器获知的当前信息对舵机和电机施以合适的控制。
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2.4 车模设计特色与创新
由于本届车模为A车模，在机械调整，电路设计等诸多方面进行了相对调整与创新。
1.信息采集：
对于黑线的探测，本组遵循采集点越密越好的原则，采用分时采集接收方式，解决了相邻的激光头互相干扰的问题，但是为了平衡重心高带来的弊端，发射管还是控制在一定的数量
2.电机驱动：
通过实验，本组采用BTS7970桥驱动模式作为电机的驱动，在节省小车空间的同时减少了电压压降。
3.舵机位置调整：
原厂车模舵机位置卧躺于底盘前部分，扭力小，速度慢，本组队员将原舵机竖立安装，加长舵柄，相比原来，舵机扭力减小，但转向速度加快。
4.跟踪探头：
为了提高小车的速度，需激光探头时刻不偏离黑线，所以将道路检测的电路板固定连接在舵机上，并保证连杆的竖直与电路板的水平且左右对称。舵机固定的机械结构纯手工制作，选用质地轻的铝板制作。
5.主动悬挂：
由于车模转弯的时候较高的激光时重心偏向转向外侧，利用主动悬挂可以使重心回正，利于转弯。
第三章 系统硬件电路设计
3.1 硬件电路整体架构设计
7.2V 电源
MC9S12XS128核心控制器编码器电机驱动电路转向舵机摇头舵机主动悬
挂舵机
激光收发模块红外收发模块
5V 稳压模块
6V
稳
压
模
块图 3.1系统结构图 系统整体结构如图 2.1所示，我们将电路分成几个模块——单片机最小系统，电源电路，传感器电路，舵机驱动电路，电机驱动电路，以及把它们连接在一起的系统主板电路。
由于我们的主控板采用组委会提供的核心板，所以在此略去其介绍。
3.2电源电路设计
电源电路是整个硬件电路能够正常运行的基本保障，因此设计稳定可靠的供电电路显得尤为重要。电源模块电路设计除需要采用相应稳压芯片对电路稳定供电以外，电容的布局也很重要。例如，在电源入口处加一个1000μF 电容，可提高整体电路供电品质。
小系统、红外板、大前瞻、光电编码器等模块均采用低压差稳压芯片LM2940-5.0供电，其具有大电流（最大能提供1A 电流）、低功耗、电路简单的特点。由于负载过大会增加芯片发热量和降低电源性能，为给单片机提供稳定无干扰电源，分别为其单独设计一片LM2940-5.0供电。其余部分则使用另一片LM2940-5.0供电。LM2940-5.0供电电路如图3.2 所示。
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图3.2 LM2940-5.0供电电路
由于本次指定转向舵机工作电压范围窄，不可以直接采用电池电压而需稳压6V，同时大前瞻旋转舵机，同样也需要稳压6V。故采用了1片LM1804以保证每个舵机都可得到稳定无干扰电源。其供电电流可达3A，LM1804供电电路如图3.3所示。
图3.3 LM1804-6.0V 供电电路
3.3 激光传感器及其电路设计
激光传感器也由两部分组成，一部分为发射管，一部分为接受管。发射管部分为市场山普通的激光二极管，发射红色可见光，波长为650nm左右，由5v 电压供电，同时使用一个调制管产生 180Khz的方波来驱动激光发射调制光，接收部分只接受特定频率的光波，返回的为数字信号，即0和1状态，通过单片机读取返回的状态即可获得路况信息。
3.3.1 激光发射与接收电路
对于激光发射管，我们采用分时发射模式，即每一时刻只有一个激光管在工作，激光管工作于脉冲大电流的方式下，这样可以最大限度的减少激光管之间的干扰，又可以降低智能车的功耗。接收管在合适的位置可以接收到两个或者三个发射管打出去的激光所返回的信号。本设计中，我们采用一对二的设计，
16个发射管对应8个接收管。
电路原理图见图3.4
图3.4激光驱动电路原理图
16个激光管采用74hc154 译码器驱动，调制管产生180Khz的调制光，防止外界光线的干扰。激光传感器电路PCB见图3.5
图3.5激光传感器电路PCB PCB 3D视图
由于改部分传感器主要用于道路的识别和转向的控制，不仅需要有较高的黑线识别精度而且要保证一定得探测宽度，最后我们确定两个发射管之间的距离为13mm，接收管之间的距离为26mm，最终布局与安装如下图所示。
激光传感器电路实物图3.6
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图3.6激光电路板实物
3.3.2 激光探头接收创新点
经过大量实验，本组得出一些经验如下：
1.激光头越多越好，但在数量和重量之间权衡。
2.激光头越密集越好，但要求相邻之间不允许有干扰。
3.激光头数量可以多，但接收传感器数量有限，最好一个接收管接收多个激光头。
4.激光头架高有利信号的反馈接收，但应在高度和车体平稳性之间权衡。
5.普通激光头是玩具级配置，容易被损坏，工业级的激光管为最佳选择。
依照经验，激光探头的发射点越密集，越有利于黑线信号的实时采集，但其相邻两个或三个激光管之间可能存在干扰，所以本组采用分时发射模式。其特点是，每一时刻只有1个激光管在工作，如此，接收管在合适的角度上可以同时接收两个甚至三个激光头的反射信号。
下面详细说明一个接收管接受多个激光头的原理：
假设1个接收管覆盖5个（或其他数量，以下以5为例）发射的面积，使用透镜收集反射光，接收探头放在透镜焦点上。在程序上，控制发射头的使能，以分时采点的方式控制探头。在同一时刻只有1个发射头发射激光，其余4个关闭。这时，接收到的信号就是这个发射头正对面的跑道信息。
在实际中，为了确保接收稳定以及提高前瞻，本组采用一个接收管接收2个激光信号，8个接收，一共16个激光管。
3.4 红外传感器及其电路设计
红外型传感器和激光型传感器的原理完全相同，只是用来探测的发射光波长不同，前者是红外光，波长范围在0.76到400um之间，而后者是红色的可见光，波长峰值在650nm左右，红外光由于其发散性，在上述发射原理下应用时不能离地太远，其优点是抗自然光干扰能力强。而红色可见光，由于是激光，功率较大，汇聚性强，所以适合远距离探测，但是容易受到自然光谱的影响。
由于在上坡的过程中，激光都会照到上方，所以在上坡的过程中，激光是采集不到路况信息的，这个时候要借助下排的红外传感器做辅助寻迹，另外红外传感器输出的为模拟量，这个时候可以利用红外传感器检测起始线。
经过比较后我们选用RPR220，其特点是发射管和接收管是封装在一起的，
这样抗干扰能力要强，而且体积小。六个红外传感器辅助激光传感器，用于检测起始线，并在上坡的过程中轻微的纠正方向，避免上坡的时候由于转向不正冲出坡道。如下图为实物图。
图3.7 RPR220实物图
上文中提到，红外路径识别传感器优势在于其发射光为红外光，如容易受到自然光的干扰。而其缺点在于发射的功率较小，且发散，不能离地面太远，所以我们决定用红外型作为起始线，其中左边为红外发射管，属于二极管，串联限流电阻后在5V电压下工作，右边为接受管，使用时也要串联电阻以产生电压用于检测，本设计中，接收管串联30K 的电阻。原理图如下图所示。
图3.8红外传感器原理图
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红外传感器电路板PCB见图3.9
图3.9 红外传感器电路板3D视图
红外传感器电路实物图3.10
图3.10红外传感器电路实物
3.5 电机驱动电路设计
对于电机驱动电路，我们用全桥驱动电路作为电机的驱动。主要是看好它控制简单，并且驱动能力也不错。用全桥可以让车模在高速入弯时顺利刹车减速入弯。两片BTS7970联立就可以组成全桥。这种方案较之其他常规的 MOS 管H 桥有多方优势。只两片芯片，硬件电路简单，并且减轻车模重量。我们就是采用两个半桥联立成的全桥作为电机驱动电路。用两路 PWM，控制方便；驱动电流可达 68A；内阻只有 7—9mΩ
BTS7960主要参数如表3.1所示。
表3.1 BTS7970主要参数
3.5.1 BTS7960驱动电路连接
本设计采用4片全桥驱动方式，每个半桥并联一片芯片，有效减小导通电阻。此方案电路设计简单、稳定，有效提高驱动能力，避免调试过程中芯片发热严重现象，但成本高。BTS7970驱动电路如图2.9所示。若采用半桥驱动方式，则智能车只能通过自由停车实现减速功能，试验证明在高速行驶的情况下只能
靠反转刹车来停车。采用全桥电路，由单片机的PE2和PE3作为片选信号，在检测到起始线停车时可以反转制动，从而快速停车。
电路连接如下图：
图 3.11 电机驱动电路设计
3.5.2 BTS7960散热设计
BTS7960内阻虽只有9mΩ，但驱动电流较大时发热也比较明显，为避免加装散热片，本设计在电路板上设计散热盘以达到良好散热效果。电路板散热盘如图3.12所示。
图3.12驱动电路的散热设计PCB 3D视图
3.6 舵机驱动电路的设计
舵机一般工作在 6V，由于我们的路径识别方案上，传感器是架在舵机上的，
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也就是车上有两个舵机，不同的是传感器下面的舵机是属于高速舵机，但同样工作在 6V。舵机驱动电路就是为舵机供电以及给舵机转角信号。舵机工作电流一般在1A左右，我们就设想用一片开关电源芯片同时为两个舵机供电。我们选用LM1804 3A 开关型降压稳压器，LM1804 最大可提供 3A 驱动电流，同时驱动两个舵机还有近 1A 的裕量，理论上是可行的，我们也通过实验验证这个设想是可行的。舵机的控制只要一路 PWM 波，模拟舵机以 20ms 为周期，不同的占空比会使舵机稳定在不同的角度上，具体如图 3.13所示。
图 3.13 不同的PWM对应的舵机打角及驱动电路
系统中用到三个舵机，分别用作传感器摆头、前轮打角和主动悬挂。采用MS9S12XS128 PWM级联，作为3路控制信号源。
3.7 系统主控板电路的设计
由于硬件是分模块设计的，最终要接在一起才能相互通信。主板电路主要有电源接口、单片机最小系统板插座、接红外管的 AD 端口、舵机及电机驱动接口，光点编码器接口等。同时，接口电路中号集成电源电路及激光管驱动电路。
考虑到重心问题，我们将PCB的形状设计跟智能车底盘形状相似，并将多余的部分打上过孔，这样当需要时可以将过孔处作为万用板使用。将主控板放于智能车前端与底盘充分接触，这样降低了智能车的总体重心。
3.8 核心控制板端口设置
各种控制端口具体管脚对应关系如下表3.2所示：
表 3.2各种控制端口具体管脚对应关系
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3.9 硬件电路部分总结
本章详细介绍了传感器的硬件设计、各种驱动电路和接口的设计。对于硬件电路部分，一定要做的足够稳定，这对于整个系统的稳定性占着至关重要的位置。而整个电路中，电源电路更加重要，特别是为单片机供，。不让，当电机启动的瞬间，或者舵机打角的时候，电机和舵机拉去很大的电流，这样会使电池电压瞬时拉到一个低电压状态，很可能会造成单片机供电不稳，而使单片机复位。对于提高电源稳定性，并上几个电容当然是好的，但是电容的最大电容量有限制。
在整个主板上，既有数字部分，又有模拟部分，所以，系统的稳定性与主的电路布局布线也有很大关系。为提高整板的稳定性，我们是自己设计电路，绘制 PCB 版图，然后到工厂投板。在整个电路板的制作过程中，我们是先从总体上考虑电路布局，电路实现的功能，电路总体性能，然后再分模块绘图制作，最后通过排针排母，排线或者杜邦线连接在一起，整体构架稳定。