1、 第六屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生 智能汽車競(jìng)賽 技 術(shù) 報(bào) 告 學(xué) 校：中國礦業(yè)大學(xué)隊(duì)伍名稱：機(jī)電一隊(duì)參賽隊(duì)員：馬同 楊熙 盛超帶隊(duì)老師： 張有忠 王洪欣 關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第五屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。 參賽隊(duì)員簽名: 帶隊(duì)教師簽名： 日 期： 目 錄1 緒論01.1背景介紹01.2比賽規(guī)則11.2.1 器材限制規(guī)定11.2

2、.2決賽規(guī)則11.3研究?jī)?nèi)容21.3.1電磁引導(dǎo)信號(hào)選取21.3.2起止線檢測(cè)21.3.3控制算法21.3.4車模調(diào)整22 賽車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32.1賽車主要技術(shù)參數(shù)32.2硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)32.3軟件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)43 賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹和調(diào)整63.1前輪調(diào)整和舵機(jī)安裝63.1.1前輪調(diào)整63.1.2舵機(jī)安裝63.2后輪差速調(diào)整73.3車體重心調(diào)整73.4齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整74 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)94.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊94.2電源管理模塊94.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊104.4傳感器模塊124.4.1電磁引導(dǎo)原理124.4.2傳感器的選擇134.4.3選頻，放大，整流144.4.4起止線檢測(cè)方案154.5

3、速度傳感器164.6核心板174.7核心板接口板184.8顯示模塊的設(shè)計(jì)184.9賽道電源設(shè)計(jì)185 智能車軟件設(shè)計(jì)205.1程序整體設(shè)計(jì)205.2系統(tǒng)初始化205.3硬件初始化代碼215.3.1PWM初始化215.3.2A/D采樣初始化225.3.3PIT中斷初始化225.3.4光電編碼器初始化225.4電磁采樣信號(hào)處理與使用225.4.1數(shù)字與模擬信號(hào)采集對(duì)比235.4.2電磁采樣信號(hào)的處理與使用235.4.3使用不同角度的電磁傳感器識(shí)別賽道235.5電機(jī)控制策略245.5.1電機(jī)PID控制246 系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試296.1軟件調(diào)試平臺(tái)296.1.1 CodewarriorIDE功能介紹29

4、6.1.2 Codewarrior IDE基本使用方法296.1.3數(shù)碼開關(guān)316.2硬件仿真平臺(tái)316.3硬件開發(fā)平臺(tái)326.4調(diào)試及數(shù)據(jù)分析337 總結(jié)35參考文獻(xiàn)531 緒論現(xiàn)在半導(dǎo)體在汽車中的應(yīng)用原來越普及，汽車的電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。它包括了汽車電子控制裝置，即通過電子裝置控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身、制動(dòng)防抱死及動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，到車載汽車電子裝置，即汽車信息娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車音響及車載通信系統(tǒng)等等，幾乎涵蓋了汽車的所有系統(tǒng)。汽車電子的迅猛發(fā)展必將滿足人們逐步增長的對(duì)于安全、節(jié)能、環(huán)保以及智能化和信息化的需求。作為全球最大的汽車電子半導(dǎo)體供應(yīng)商，飛思卡爾公司一直致力于為

5、汽車電子系統(tǒng)提供全范圍應(yīng)用的單片機(jī)、模擬器件和傳感器等器件產(chǎn)品和解決方案。飛思卡爾公司在汽車電子的半導(dǎo)體器件市場(chǎng)擁有領(lǐng)先的地位并不斷贏得客戶的認(rèn)可和信任。其中在8位、16位及32位汽車微控制器的市場(chǎng)占有率居于全球第一。飛思卡爾公司生產(chǎn)的S12是一個(gè)非常成功的芯片系列，在全球以及中國范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于各種汽車電子應(yīng)用中。例如引擎管理、安全氣囊、車身電子、汽車網(wǎng)絡(luò)和資訊娛樂等。1.1背景介紹為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，受教育部高等教育司委托(教高司函2005201號(hào)文)，由教育部高等自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化分教指委）主辦全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽

6、。該競(jìng)賽以智能汽車為研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。該競(jìng)賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該競(jìng)賽由競(jìng)賽秘書處為各參賽隊(duì)提供/購置規(guī)定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺(tái)，競(jìng)賽過程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的

7、全過程。該競(jìng)賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競(jìng)賽規(guī)則透明，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)客觀，堅(jiān)持公開、公平、公正的原則，保證競(jìng)賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。該競(jìng)賽以飛思卡爾半導(dǎo)體公司為協(xié)辦方，得到了教育部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、飛思卡爾公司領(lǐng)導(dǎo)與各高校師生的高度評(píng)價(jià)，已發(fā)展成全國30個(gè)省市自治區(qū)近300所高校廣泛參與的全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。2008年起被教育部批準(zhǔn)列入國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目中科技人文競(jìng)賽之一（教高函200730號(hào)文）。全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽原則上由全國有自動(dòng)化專業(yè)

8、的高等學(xué)校（包括港、澳地區(qū)的高校）參賽。競(jìng)賽首先在各個(gè)分賽區(qū)進(jìn)行報(bào)名、預(yù)賽，各分賽區(qū)的優(yōu)勝隊(duì)將參加全國總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊(duì)伍和隊(duì)員情況，分別設(shè)立光電組、攝像頭組、創(chuàng)意組等多個(gè)賽題組別。每個(gè)學(xué)?？梢愿鶕?jù)競(jìng)賽規(guī)則選報(bào)不同組別的參賽隊(duì)伍。全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽組織運(yùn)行模式貫徹“政府倡導(dǎo)、專家主辦、學(xué)生主體、社會(huì)參與”的16字方針，充分調(diào)動(dòng)各方面參與的積極性。全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽一般在每年的10月份公布次年競(jìng)賽的題目和組織方式，并開始接受報(bào)名，次年的3月份進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，7月份進(jìn)行分賽區(qū)競(jìng)賽，8月份進(jìn)行全國總決賽。參賽選手須使用競(jìng)賽秘書處統(tǒng)一指定的競(jìng)賽車模套件，采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、

9、16位微控制器作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及控制算法軟件開發(fā)等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點(diǎn)參加各分賽區(qū)的場(chǎng)地比賽，在獲得決賽資格后，參加全國總決賽的場(chǎng)地比賽。參賽隊(duì)伍的名次（成績(jī)）由賽車現(xiàn)場(chǎng)成功完成賽道比賽時(shí)間為主，技術(shù)報(bào)告、制作工程質(zhì)量評(píng)分為輔來決定。大賽根據(jù)車模檢測(cè)路徑方案不同分為電磁、光電與攝像頭三個(gè)賽題組。車模通過感應(yīng)由賽道中心電線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)進(jìn)行路徑檢測(cè)的屬于電磁組；車模通過采集賽道圖像（一維、二維）進(jìn)行路徑檢測(cè)的屬于攝像頭組；車模通過采集賽道上少數(shù)孤立點(diǎn)反射亮度進(jìn)行路徑檢測(cè)的屬于光電組。競(jìng)賽秘書處

10、制定如下比賽規(guī)則適用于各分賽區(qū)預(yù)賽以及全國總決賽，在實(shí)際可操作性基礎(chǔ)上力求公正與公平。1.2比賽規(guī)則1.2.1 器材限制規(guī)定1).須采用統(tǒng)一指定的車模。本屆比賽指定采用兩種車模：2)型車模：廣東博思公司提供。限定電磁組比賽使用。2)型車模：北京科宇通博科技有限公司提供。限定光電組、攝像頭組使用。細(xì)節(jié)及改動(dòng)限制見附件一。3)須采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位處理器(單核)作為唯一的微控制器。有關(guān)細(xì)節(jié)及其它電子器件使用的限制見附件二；4)參加電磁賽題組不允許使用傳感器獲取道路的光學(xué)信息進(jìn)行路徑檢測(cè)參加光電賽題組中不允許傳感器獲取道路圖像信息進(jìn)行路徑檢測(cè)。；參加攝像頭賽題組可以使用光電管作為輔助

11、檢測(cè)手段5)其他事項(xiàng)如果損毀車模中禁止改動(dòng)的部件，需要使用相同型號(hào)的部件替換；車模改裝完畢后，尺寸不能超過：250mm寬和400mm長。6)賽道基本參數(shù)（不包括拐彎點(diǎn)數(shù)、位置以及整體布局）見附件三；比賽賽道實(shí)際布局將在比賽當(dāng)日揭示，在賽場(chǎng)內(nèi)將安排采用制作實(shí)際賽道的材料所做的測(cè)試賽道供參賽隊(duì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；1.2.2決賽規(guī)則參加決賽隊(duì)伍按照預(yù)賽成績(jī)進(jìn)行排序，比賽順序按照預(yù)賽成績(jī)的倒序進(jìn)行。決賽的比賽場(chǎng)地使用一個(gè)賽道。決賽賽道與預(yù)賽賽道形狀不同，占地面積增大，賽道長度增加。每支決賽隊(duì)伍只有一次比賽機(jī)會(huì)，在跑道上跑一圈，比賽過程與要求同預(yù)賽階段。計(jì)時(shí)由電子計(jì)時(shí)器完成并實(shí)時(shí)顯示。賽成績(jī)不記入決賽成績(jī)，只

12、決定決賽比賽順序。沒有參加決賽階段比賽的隊(duì)伍，預(yù)賽成績(jī)?yōu)樽罱K成績(jī)，參加該賽題組的排名。比賽過程規(guī)則按照比賽順序，裁判員指揮參賽隊(duì)伍順序進(jìn)入場(chǎng)地比賽。同一時(shí)刻，一個(gè)場(chǎng)地上只有一支隊(duì)伍進(jìn)行比賽。在裁判員點(diǎn)名后，每隊(duì)指定一名隊(duì)員持賽車進(jìn)入比賽場(chǎng)地。參賽選手有60秒的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備時(shí)間。準(zhǔn)備好后，裁判員宣布比賽開始，選手將賽車放置在起跑區(qū)，賽車應(yīng)在起跑區(qū)靜止兩秒鐘以上，然后自動(dòng)出發(fā)。賽車應(yīng)該在30秒之內(nèi)離開出發(fā)區(qū)，沿著賽道跑完一圈。由計(jì)時(shí)起始線兩邊傳感器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)時(shí)。賽車跑完一圈且自動(dòng)停止后，選手拿起賽車離開場(chǎng)地，將賽車放回指定區(qū)域。1.3研究?jī)?nèi)容本文研究的是電磁導(dǎo)引智能車，主要包括電磁導(dǎo)引信號(hào)獲取、起止線

13、檢測(cè)、控制算法三方面，此外，未使智能車擁有更好的性能還對(duì)車模進(jìn)行了一些調(diào)整。1.3.1電磁引導(dǎo)信號(hào)選取本設(shè)計(jì)中電磁信號(hào)獲取包括了兩部分：1) 探頭部分本設(shè)計(jì)中使用工字型電感作為探頭，利用它開放的磁芯作為感知交變磁場(chǎng)的媒介，為加強(qiáng)其抗噪性能，選取合適的電感與其串聯(lián)組成諧振頻率與信號(hào)頻率一致的LC振蕩回路。 2) 信號(hào)放大部分本設(shè)計(jì)中使用LM358運(yùn)放放大電路作為信號(hào)放大分，兩級(jí)放大電路均為帶通放大，參數(shù)一致，都具有10倍的增益、20kHz的中心頻率、4kHz的帶寬以及2.5V的偏置電壓。1.3.2起止線檢測(cè)考慮到起止線上會(huì)埋設(shè)表面磁場(chǎng)達(dá)上千高斯的磁鋼，本設(shè)計(jì)中的起止線檢測(cè)采用霍爾元件，為適應(yīng)不同

14、磁極，選型時(shí)選擇的是干簧管元件。1.3.3控制算法舵機(jī)控制采用P控制，為了加強(qiáng)信號(hào)可靠性，減小電機(jī)運(yùn)作時(shí)反電動(dòng)勢(shì)及噪聲的影響，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行了軟件濾波處理，通過去除最大最小值消除信號(hào)毛刺，通過取平均值的方法消減小波的影響。本設(shè)計(jì)中使用PID算法作為速度控制算法，通過光電編碼器實(shí)現(xiàn)速度反饋。在通過實(shí)驗(yàn)確定各項(xiàng)系數(shù)后，又在普通PID算法的基礎(chǔ)上做出了改良，引入了開環(huán)初始值：在實(shí)際速度與期望速度相差很大時(shí)不使用PID算法而是直接通過事先標(biāo)定的開環(huán)值對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，然后再采用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后達(dá)預(yù)期速度。1.3.4車模調(diào)整為了加快車模轉(zhuǎn)向響應(yīng)，設(shè)計(jì)中對(duì)車模上舵機(jī)的傳動(dòng)連桿進(jìn)行了加長使響應(yīng)速度提高

15、了32%。由于連桿的加長，舵機(jī)安裝方式也做出了相應(yīng)改變，由臥式改為立式。除此之外，還對(duì)車模進(jìn)行了一些小的調(diào)校，包括主銷內(nèi)傾角、主銷后傾、后輪差速機(jī)構(gòu)等。2 賽車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1賽車主要技術(shù)參數(shù)此次比賽選用的賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)只使用競(jìng)賽提供車模的底盤部分及轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇捎们拜嗈D(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)方案。具體車模數(shù)據(jù)如表2-1：表2-1賽車主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)車模幾何尺寸（長、寬、高）（毫米）510*250*130車模軸距/輪距（毫米）195車模平均電流（勻速行駛）(毫安)1500電路電容總量（微法）1820傳感器種類及個(gè)數(shù)LC諧振電路（8個(gè)），光電編碼器（1個(gè)），干簧管（4個(gè)）新增加伺服電機(jī)個(gè)數(shù)1

16、賽道信息檢測(cè)空間精度（毫米）10賽道信息檢測(cè)頻率（次/秒）100主要集成電路種類/數(shù)量BTS7960B*2,MC9S12XS128車模重量（帶有電池）（千克）1.82.2硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)此智能車通過電磁傳感器采集鋪設(shè)在賽道上的導(dǎo)線中攜帶的20kHz交變電流的磁場(chǎng)，并以此為依據(jù)進(jìn)行車體控制，利用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄗ屩悄苘囘_(dá)到沿導(dǎo)線前進(jìn)的目的?？刂扑惴ㄖ饕▋煞矫妫河糜隍?qū)動(dòng)智能車前進(jìn)的電機(jī)控制和用于控制智能車轉(zhuǎn)向的舵機(jī)控制。賽車結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如下：圖2-1 賽車結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖2.3軟件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)有了硬件機(jī)構(gòu)之后，必須要有一套合適的算法才能發(fā)揮出硬件的潛力，所以軟件對(duì)于智能車來說至關(guān)重要。在一個(gè)控制周期

17、中大致需要完成以下幾個(gè)步驟：首先是信號(hào)采樣，然后是一些有軟件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理，諸如濾波等。有了信號(hào)之后就是根據(jù)信號(hào)來對(duì)車輛進(jìn)行控制，控制包括轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩部分。舵機(jī)控制是根據(jù)信號(hào)直接確定的，對(duì)電機(jī)的控制則是只給出一個(gè)期望速度，由當(dāng)前速度到期望速度的變化過程由更為底層的控制程序來完成。程序流程簡(jiǎn)圖如下： 圖2-2軟件系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖軟件算法的編寫必須根據(jù)硬件條件，再好的算法如果跟硬件不兼容的話也是徒勞的，調(diào)試的過程就是讓其不斷適應(yīng)現(xiàn)有硬件的過程，智能車競(jìng)賽追求的不是最完美的程序而是最適合當(dāng)前硬件的程序。3 賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹和調(diào)整3.1前輪調(diào)整和舵機(jī)安裝3.1.1前輪調(diào)整在賽車過彎時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)

18、載會(huì)因?yàn)檐囕嗈D(zhuǎn)向角度的增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載，對(duì)前輪的安裝角度，即前輪定位進(jìn)行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，使轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4個(gè)項(xiàng)目決定，反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關(guān)系。主銷內(nèi)傾是指主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏

19、轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)到原來的中間位置上。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時(shí)后傾的回正作用大，低速時(shí)內(nèi)傾的回正作用大。前輪外傾角對(duì)賽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。前輪外傾角俗稱“外八字”，如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個(gè)外八字角度，這個(gè)角度約在1左右。所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前

20、束的心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力會(huì)自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。3.1.2舵機(jī)安裝舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個(gè)控制系統(tǒng)中延遲較大的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此要加快車的響應(yīng)速度，就必須加快舵機(jī)的響應(yīng)速度根據(jù)比賽規(guī)則，舵機(jī)由組織方給定不可變更，因而必須采用非改變舵機(jī)本身結(jié)構(gòu)的方法提高舵機(jī)的明顯響應(yīng)速度。分析舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)的向的原理可以發(fā)現(xiàn)，在相同的舵的舵機(jī)轉(zhuǎn)向條件下，轉(zhuǎn)向連桿在舵機(jī)一的端的連接點(diǎn)離舵機(jī)軸心距離越遠(yuǎn)，但轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快。這相當(dāng)于增以臂長度，提高線速度。但是這也同要時(shí)要求舵機(jī)擁

21、有更大的輸出扭矩，從表中可以看出，SD-5是一款大扭力舵機(jī)6.5kgcm的扭矩完全可以滿足本設(shè)計(jì)的需圖3.1.1前輪舵機(jī)照片求。針對(duì)上述特性，通過加長連舵機(jī)與轉(zhuǎn)向輪之間連桿加快轉(zhuǎn)向響應(yīng)的方案是可行的，改動(dòng)后實(shí)物照片如下圖所示：圖3-1舵機(jī)轉(zhuǎn)角修改示意圖3.2后輪差速調(diào)整差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，降低后輪與地面之間的滑動(dòng)，并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會(huì)損害到電機(jī)。當(dāng)賽車在正常過彎時(shí) (假設(shè)無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度)，4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速皆不相同，依序?yàn)椋和鈧?cè)前輪外側(cè)后輪內(nèi)側(cè)前輪內(nèi)側(cè)后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機(jī)構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)

22、，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越高。以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時(shí)，因外側(cè)后輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)后輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會(huì)使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時(shí)阻力小的車輪會(huì)打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速機(jī)構(gòu)，應(yīng)該在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度近似相等，不會(huì)有遲滯或者過轉(zhuǎn)動(dòng)的情況發(fā)生。3.3車體重心調(diào)整車體重心位置對(duì)賽車加減速性能、轉(zhuǎn)向性能和穩(wěn)定性都有較大影響。重心調(diào)整主要包括重心高度和前后位置的調(diào)整。理論上，賽車重心越低穩(wěn)定性越好。因此賽車各部件的安裝高度都盡量貼近底盤。除此之外，車輛重心前后方向的

23、調(diào)整，對(duì)賽車行駛性能也有很大的影響。根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，車身重心前移，會(huì)增加轉(zhuǎn)向，但降低轉(zhuǎn)向的靈敏度（因?yàn)榇蟛糠种亓繅涸谇拜?，轉(zhuǎn)向負(fù)載增大），同時(shí)降低后輪的抓地力，影響加減速性能；重心后移，會(huì)減少轉(zhuǎn)向，但增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會(huì)增加，提高加減速性能。因此，確定合適的車體重心，讓車模更加適應(yīng)比賽賽道是很關(guān)鍵的。3.4齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整車模后輪采用RS-380SH-4045電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由競(jìng)賽主辦方提供。電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為9:38（電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動(dòng)輪齒數(shù)為76）。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，從而影響

24、到最終成績(jī)。調(diào)整的原則與速度傳感器的安裝相同：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行，齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，影響加減速性能；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，容易轉(zhuǎn)動(dòng)，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否調(diào)整好的一個(gè)依據(jù)是,聽一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載加大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音小，并且不會(huì)有碰撞類的雜音。4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本智能車硬件系統(tǒng)追求簡(jiǎn)潔、可靠、穩(wěn)定，在有限的制板條件下極力做到極致。除了單片機(jī)最小系統(tǒng)板為雙面板外，其他電路一律采用單面

25、板或者萬通板制作。單片機(jī)采用MC9S12XS128MAA，電源芯片采用LM2596、LM1117，驅(qū)動(dòng)芯片采用BTS7970傳感器采用LM358運(yùn)放放大、二極管倍壓檢波原理,起跑線檢測(cè)采用干簧管。調(diào)試過程中我們也采用過NOKIA5110液晶、賽道計(jì)時(shí)系統(tǒng)來輔助調(diào)試，本章均有詳細(xì)介紹。4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)為本小車系統(tǒng)的核心。為了穩(wěn)定起見，我們購買了最小系統(tǒng)板。這個(gè)最小系統(tǒng)板引出所有功能引腳，板上自帶了晶振電路、單片機(jī)電源電路。電路圖如圖4-1所示。圖4-1單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖4.2電源管理模塊電源模塊相當(dāng)于房屋的基石，關(guān)系到整個(gè)小車是否穩(wěn)定運(yùn)行。因此，我們經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)選型，最終

26、設(shè)計(jì)好了合適的電源。比賽要求智能車電源只能使用指定型號(hào)的7.2V2000mAhNi-Cd電池供電。單片機(jī)需要5V電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要7.2V電池電源和5V電源，為了提高舵機(jī)相應(yīng)速度，我們給舵機(jī)提供7V電壓?？傮w來說，我們采用集成三端穩(wěn)壓芯片。集成三端穩(wěn)壓器主要有兩種：一種是線性穩(wěn)壓芯片，另外一種是開關(guān)型穩(wěn)壓芯片。線性穩(wěn)壓芯片輸出紋波小，電路簡(jiǎn)單，但是功耗較大，效率較低，典型芯片為LM7805；開關(guān)穩(wěn)壓芯片則功耗小，效率高，但是輸出紋波大，電路復(fù)雜。典型芯片為LM2596。對(duì)于單片機(jī)來說，單片機(jī)本身功耗低，但是它對(duì)電源要求相對(duì)較高。經(jīng)過選型實(shí)驗(yàn)比對(duì)，LM2940和LM1086性能較優(yōu)。LM1086

27、為低壓差線性穩(wěn)壓器件，最大輸出電流1.5A，并且有1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、3.45V、5V穩(wěn)壓輸出選擇。另外LM1117-ADJ為輸出可調(diào)穩(wěn)壓器件。LM2940為最大輸出1A低壓差線性穩(wěn)壓器件。最后我們選擇LM2940作為單片機(jī)主要供電穩(wěn)壓芯片，LM1086為備用穩(wěn)壓芯片。因?yàn)殡娐分写嬖诟行载?fù)載，存在大電流，為了最大限度降低各個(gè)部分對(duì)單片機(jī)的干擾，我們單獨(dú)采用一片LM2940對(duì)單片機(jī)和起跑線檢測(cè)模塊進(jìn)行供電。而其他需要5V供電的模塊則采用另一片LM2940進(jìn)行供電。對(duì)于舵機(jī)來說，需要7V電壓，我們選擇LM2596進(jìn)行供電。LM2596同樣是最大1A輸出線性穩(wěn)壓器件，并且輸出電

28、壓可調(diào)。實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)LM2596性能非常優(yōu)秀。電池電壓為7.5V時(shí)候，用LM2596可以穩(wěn)壓至7.3V以上。因此，在電池供電范圍內(nèi)，能夠給舵機(jī)提供足夠電流。另外，我們使用另一片LM2596給傳感器供電，具體情況之后詳細(xì)介紹。最終電源模塊電路圖如圖4-2所示。圖4-2電源模塊原理圖4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊賽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用的是英飛凌的BTS7960B半橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片負(fù)載電流可以達(dá)到43A，而內(nèi)阻只有16m。芯片框圖如下：圖4-3 BTS7960芯片引腳BTS7960是一款針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的完全集成的大電流半橋芯片。它NovalithICTM系列的成員之一，它的一個(gè)封裝中集成了一個(gè)P通道場(chǎng)效應(yīng)管

29、在上橋臂和一個(gè)N通道場(chǎng)效應(yīng)管在下橋臂以及一個(gè)控制集成電路。由于上橋臂采用的是P通道開關(guān)，對(duì)于電荷泵的需求也就不復(fù)存在了，因此電磁干擾減至了最小。由于集成在內(nèi)驅(qū)動(dòng)集成電路具有邏輯電平輸入，與微控制器的連接變得非常簡(jiǎn)單，且該驅(qū)動(dòng)集成電路還具有電流檢測(cè)診斷、轉(zhuǎn)換率調(diào)整、死區(qū)時(shí)間生成以及過熱、過壓、欠壓、過流和短路保護(hù)。BTS7960在較小的電路板空間占用的情況下為大電流保護(hù)的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供了一種成本優(yōu)化的解決方案。BTS7960特點(diǎn)如下：1)在25時(shí)導(dǎo)通電阻的典型值為16毫歐；2)低靜態(tài)電流，在25時(shí)的典型值僅為7A；3)與主動(dòng)續(xù)流相結(jié)合的脈寬調(diào)制能力高達(dá)25kHz；4)開關(guān)電流限制降低功耗的過

30、流保護(hù)；5)電流限制在典型的43A；6)具有電流檢測(cè)能力的狀態(tài)標(biāo)志診斷；7)具有鎖定行為的過熱關(guān)斷；8)過壓鎖定；9)欠壓關(guān)斷；10) 帶有邏輯電平輸入的驅(qū)動(dòng)電路；11) 用于優(yōu)化電磁干擾的可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換率驅(qū)動(dòng)芯片我們選擇BTS7960。BTS7960為英飛凌公司的大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)半橋，輸出最大電流可達(dá)63A，內(nèi)部帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC。BTS7970通態(tài)電阻典型值為16m。P溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求,因而減小了EMI(ElectroMagneticInterference)集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和

31、過溫過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。BTS7970應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，只需要向芯片第2引腳輸入PWM波就能控制。當(dāng)系統(tǒng)中只需要單向控制時(shí)，只需要讓電機(jī)一端接地，另一端接BTS7970第4引腳。如果需要電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)控制，則需要另一片BTS7970共同組成全橋。本小車系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)板共用4片BTS7970，共同組成了一個(gè)全橋。實(shí)際應(yīng)用中有可能只焊接了2片，那是因?yàn)槲覀冎恍枰霕蚩刂齐姍C(jī)單向旋轉(zhuǎn)。此外為了隔離驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)系統(tǒng)并且保護(hù)單片機(jī)，我們采用了74LS244隔離，74LS244集成8路三態(tài)門。具體的電路如圖4-4所示。圖4-4電源模塊原理圖4.4傳感器模塊4.4.1電磁引導(dǎo)原理傳感器設(shè)計(jì)關(guān)系整個(gè)項(xiàng)目

32、的成敗。電磁組的引導(dǎo)線為通有20KHZ、100mA電流的漆包線（線徑0.1mm0.3mm），因此導(dǎo)線周圍存在輻射電磁波。如何將電磁波能量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)供AD采樣成了本小車中最為關(guān)鍵的部分。以下詳細(xì)介紹了我們小車傳感器方案選擇、傳感器設(shè)計(jì)、硬件制作、傳感器優(yōu)化的各個(gè)過程。1）方案選擇我們主要涉及到電磁檢測(cè)的方法主要有以下三種：2) 電磁感應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：電磁線磁場(chǎng)傳感器，磁阻抗磁場(chǎng)傳感器。3) 霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。3) 各向異性電阻效應(yīng)（AMR）磁場(chǎng)測(cè)量方法。上述三種檢測(cè)方法我們都進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)，最終選擇方案1，因?yàn)榉桨?實(shí)現(xiàn)容易，需求的器件易找易用，檢測(cè)

33、靈敏度高。方案2選擇霍爾傳感器，主要因?yàn)殪`敏度低、器件不好選擇等原因，而對(duì)于方案3，我們選用霍尼韋爾公司的2維磁阻傳感器HMC1022，但是HMC1022外圍復(fù)雜，需要儀表放大器和置位復(fù)位電路，而且器件價(jià)格不菲。根據(jù)電磁知識(shí)，在通有交變電流的直導(dǎo)線周圍存在電磁場(chǎng)。智能車競(jìng)賽中路徑導(dǎo)航使用的交變電流為20KHZ，100mA電路，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF電磁波。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻電磁破中間，為3kHz30kHz，波長為100km10km。如圖4.5所示。圖4-5電流周圍電磁場(chǎng)示意圖由于賽道尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波波長，因此在導(dǎo)線附近能夠感應(yīng)到的電磁能量非常少并且可以將其視為緩變磁場(chǎng)，從而

34、按照靜態(tài)磁場(chǎng)的處理方法來獲取導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。根據(jù)畢奧-薩伐爾電磁感應(yīng)定律可知：在通有恒定電流I長度L的直導(dǎo)線周圍存在電磁場(chǎng)，距離導(dǎo)線r處P點(diǎn)（如圖4.6所示）電磁感應(yīng)強(qiáng)度為：圖4-6長L的直導(dǎo)線電磁分析延伸到無限長直導(dǎo)線上，上式1=0，2=無限長直導(dǎo)線周圍的電磁分布為一圈一圈的同心圓，并且強(qiáng)度隨r增加呈減小的趨勢(shì)。根據(jù)這個(gè)特性，我們可以計(jì)算出電磁傳感器距離中心直導(dǎo)線的距從而確定小車在賽道上的位置。4.4.2傳感器的選擇電磁傳感器以線圈最為合適。常用的電感線圈有色環(huán)電感、工字電感，并且可以按照需求進(jìn)行電感訂做。但是，為了簡(jiǎn)化起見，我們選擇工字電感和色環(huán)電感作為檢測(cè)線圈。我們

35、選用10mH電感作為檢測(cè)傳感器。10mH電感有多種規(guī)格，常見的規(guī)格有6x8、8x10、10x12，表示的意思就是電感直徑和高度。直徑越大高度越高，在直導(dǎo)線同一位置獲得的電磁能量就越大，傳感器獲得的信號(hào)就越強(qiáng)，但是太大的電感會(huì)增加傳感器重量，引起機(jī)械結(jié)構(gòu)問題。在經(jīng)歷眾多選型之后，我們選擇了6x8工字電感，100mA直導(dǎo)線電流時(shí)它能檢測(cè)到峰峰值為40mV左右的電壓值，能夠滿足我們的要求。另外，某些傳感器我們也使用了8x10的工字電感和10mH色環(huán)電感，這要視實(shí)驗(yàn)效果決定使用哪種電感。我們選用的電感如圖4-7所示。圖4-710mH電感樣品4.4.3選頻，放大，整流選頻方式我們選擇了組委會(huì)推薦方案，即

36、用10mH電感和6.8nF電容組成RLC并聯(lián)諧振回路進(jìn)行選頻，原理不再詳述。我們的重點(diǎn)在于放大部分，如何選擇放大方案成為任務(wù)的關(guān)鍵。三極管體積小，型號(hào)眾多易于選擇，價(jià)格相當(dāng)?shù)土?。方案開始時(shí)候，我們?cè)谶@方面下過許多工夫，但是取得的效果不太理想?；驹硎腔竟采浞糯笃髟恚诨竟采浞糯笃鞯幕A(chǔ)上，我們添加過許多擴(kuò)展比如引入反饋、引入濾波電路等，但是因?yàn)樽詈蟮碾娐份^為復(fù)雜，并且對(duì)電路質(zhì)量要求較高而放棄。之后我們便轉(zhuǎn)向采用運(yùn)算放大器。放大器的優(yōu)勢(shì)在于方便易用，放大效果較好。設(shè)計(jì)之初，我們?cè)诒姸鄰S商運(yùn)放中選擇出了一批運(yùn)算放大器。選型的基本標(biāo)準(zhǔn)為：?jiǎn)坞娫础⒌碗妷骸⒌驮肼晭?0KHZ。我們傳感器運(yùn)放

37、選型可謂一波三折，從常見的LM358到各大廠商的集成運(yùn)放，從通用運(yùn)放到儀表放大器，甚至昔日有“功放之皇”美稱的“大S”NE5532都有過涉及。但是經(jīng)過幾個(gè)月的選型測(cè)試，我們還是找到了合適的運(yùn)放。針對(duì)以上器件，我們選擇了TLC2272、AD8629、LM358、LM386進(jìn)行分別測(cè)試。下面我們僅對(duì)TLC2272和LM386的測(cè)試情況進(jìn)行說明。LM358為TI公司單電源軌至軌運(yùn)放系列，軌至軌輸出可以使運(yùn)放輸出最大達(dá)到幅度，因此能夠?qū)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)足夠放大，滿足AD采樣需求的精度。實(shí)驗(yàn)中我們采用的電路圖如圖4-8所示。當(dāng)輸入信號(hào)為20KHZ、20mV峰峰值，電源電壓6V的情況下，調(diào)節(jié)反饋電位器RV獲

38、得最大輸出電壓峰峰值4.6V。應(yīng)用到小車系統(tǒng)中時(shí)，則需要節(jié)放大倍數(shù)，使輸出峰峰值能超過5V。電壓能夠完美放大后，接著就是讓AD采樣。最為簡(jiǎn)便的方法就是讓AD接采樣輸出正弦波，但是這樣會(huì)給程序增加很大負(fù)擔(dān)，程序中需要進(jìn)行很多次采樣計(jì)算平均值才能控制小車。LM358放大后的仿真波形如圖：圖4.8更改負(fù)載電阻后電磁傳感器仿真波形上述測(cè)試可以表明LM358傳感器方案的可行性。實(shí)際硬件制作中，我們也成功制作出了一套傳感器。我們最終傳感器電路圖如圖4-9所示。圖4-9傳感器電路圖最終版4.4.4起止線檢測(cè)方案文中曾提到對(duì)于賽道起點(diǎn)的檢測(cè)，在起點(diǎn)處的黑線下面布有磁鐵。而干簧管的作用就是用來檢測(cè)磁鐵產(chǎn)生的固定

39、磁場(chǎng)。當(dāng)車體經(jīng)過起始線時(shí)會(huì)使干簧管瞬間導(dǎo)通一次，也就是產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，然后經(jīng)過對(duì)所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，我們可以得知當(dāng)前所經(jīng)過的圈數(shù)，當(dāng)比賽的圈數(shù)到達(dá)時(shí)，使模型車能夠自動(dòng)停止下來。圖4.10干簧管電路圖4.5速度傳感器從理論上說，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由單片機(jī)輸出到驅(qū)動(dòng)板上的PWM波的占空比決定的，但在實(shí)際情況中，這兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不那么明確，要受到電池電壓、電機(jī)傳動(dòng)摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等等很多因素的影響，這些因素會(huì)導(dǎo)致賽車車速處于與實(shí)際需求不同的情況中，這可能導(dǎo)致賽車因速度過快沖出賽道，也可能導(dǎo)致賽車速度過慢影響成績(jī)。為了對(duì)車速有一個(gè)準(zhǔn)確的概念，并借此對(duì)車速實(shí)行閉環(huán)控制，速度反饋環(huán)節(jié)

40、即速度傳感器是必須的，常用的車速檢測(cè)裝置包括：測(cè)速發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)角編碼盤、反射式光電檢測(cè)、透射式光電檢測(cè)和霍爾傳感器檢測(cè)等等。最后決定采用的速度傳感器是OMRON公司生產(chǎn)的E6A2-CW3型光電編碼器。它由5-12V的直流供電，100脈沖/旋轉(zhuǎn)，內(nèi)阻為0.5M，安裝方式如下圖所示：圖4.11光電編碼器安裝效果圖傳感器用螺釘固定在金屬片上，金屬片固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。速度傳感器通過后輪軸上的齒輪與電機(jī)相嚙合。為了得到脈沖數(shù)與賽車進(jìn)距離的關(guān)系，進(jìn)行了標(biāo)定工作，標(biāo)定方法是讓賽車前進(jìn)不同時(shí)間并記錄脈沖數(shù)n，在與前進(jìn)距離d（單位厘米）相除即得到每厘米對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)。測(cè)的數(shù)據(jù)如下

41、：表4.3歐姆龍光電編碼器數(shù)據(jù)一覽表、前進(jìn)距離（cm）脈沖數(shù)124511018678052259325238105432731140529512905由擬合結(jié)果可知，每厘米對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)約為42個(gè)。4.6核心板S12XS16位微控制器系列針對(duì)一系列成本敏感型汽車車身電子應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。S12XS產(chǎn)品滿足了用戶對(duì)設(shè)計(jì)靈活性和平臺(tái)兼容性的需求，并在一系列汽車平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了可升級(jí)性、硬件和軟件可重用性、以及兼容性。S12XS系列可以經(jīng)濟(jì)而且又兼容地?cái)U(kuò)展至XGate協(xié)處理器的S12XE系列單片機(jī)，從而為用戶削減了成本，并縮小了封裝尺寸。S12XS系列幫助設(shè)計(jì)者迅速抓住了市場(chǎng)機(jī)遇，同時(shí)還能降低移植成本。主要特

42、性：1）.S12XSCPU，最高總線速度40MHz2）.64KB、128KB和256KB閃存選項(xiàng)，均帶有錯(cuò)誤校正功能（ECC）3）.帶有ECC的、4KB至8KBDataFlash，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)4）.可配置8、10或12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時(shí)間3us5）.支持控制區(qū)域網(wǎng)（CAN）、本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）和串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議模塊6）.帶有16位計(jì)數(shù)器的、8通道定時(shí)器7）.出色的EMC，及運(yùn)行和停止省電模式核心板采用龍丘的XSMAL最小系統(tǒng)版，板上包括單片機(jī)相關(guān)的外圍電路如時(shí)鐘模塊和復(fù)位模塊，還有供燒錄程序及調(diào)試用的BDM接口。核心板實(shí)物圖如下：圖4.12單片機(jī)核心板實(shí)物圖4

43、.7核心板接口板為了使用方便，制作了一塊核心板開發(fā)板，將需要的管腳引出并加入了給單片機(jī)供電的5V穩(wěn)壓電路、撥碼開關(guān)、字符液晶等擴(kuò)展電路。4.8顯示模塊的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)用了一塊NOKIA5110液晶屏來顯示系統(tǒng)運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)。通過自己創(chuàng)建的字庫與參考的驅(qū)動(dòng)程序，編寫了與MCU兼容的驅(qū)動(dòng)程序。圖4.13液晶顯示模塊驅(qū)動(dòng)電路4.9賽道電源設(shè)計(jì)賽道電源設(shè)計(jì)我們參考了組委會(huì)參考設(shè)計(jì)方案3。根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則，20KHZ賽道電源技術(shù)要求如下：1）驅(qū)動(dòng)賽道中心線下鋪設(shè)的0.1-0.3mm直徑的漆包線。2）頻率范圍：20K2K。3）電流范圍：50-150mA。設(shè)計(jì)之初，我們采用了555+L298N方

44、案，但是設(shè)計(jì)出來的賽道電源頻率不太。ISENAOUT1OUT2VSIN1ENAIN2GNDVSSIN3ENBIN4OUT3OUT4ISENB穩(wěn)定，加之555振蕩頻率精度依賴于電阻電容精度，因此，按照現(xiàn)有5%精度電阻電容設(shè)計(jì)出來的賽道電源不是很理想。因此我們采用了單片機(jī)產(chǎn)生20KHZ信號(hào)前后設(shè)計(jì)制作了2款賽道電源，一款采用Atmega8單片機(jī)，預(yù)留了AD采樣口和數(shù)碼管顯示模塊；另一款則采用STC10F08XE單片機(jī)。這款單片機(jī)為中國宏晶公司的高速型51內(nèi)核單片機(jī)，引腳與AT89C51完全兼容，并且在51單片機(jī)的基礎(chǔ)上增加了系統(tǒng)時(shí)鐘輸出功能。我們正是使用此功能產(chǎn)生20KHZ信號(hào)的，最后經(jīng)過實(shí)際硬件

45、測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其完全滿足組委會(huì)要求，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)如表4.6所示。表4.6 STC10F08XE賽道電源性能參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)頻率（KHZ）200.2KHZ交流電流可調(diào)范圍（mA）10mA-424mA運(yùn)行一小時(shí)電流漂移（mA）9mA直流電流輸出（mA）2mA輸出信號(hào)電壓（V）111V5 智能車軟件設(shè)計(jì)本智能車軟件基于FreescaleCodeWarriorIDE5.9.0，該平臺(tái)帶有ProcessorExpert模式（PE模式），可以在這種模式下實(shí)現(xiàn)所有硬件初始化，使得單片機(jī)非常方便易用而不必過多考慮單片機(jī)內(nèi)部寄存器設(shè)置。本章詳細(xì)介紹了智能車軟件控制思路、算法，并附帶了某些函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法。在附錄里面附有小

46、車源程序供參考之用5.1程序整體設(shè)計(jì)圖5-1程序框圖5.2系統(tǒng)初始化在整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要用到了5個(gè)單片機(jī)基本功能模塊：時(shí)鐘模塊、PWM模塊、輸入捕捉模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、中斷模塊。在FreescaleCodeWarriorIDE5.9.0編譯環(huán)境中，運(yùn)用其中的ProcessorExpert模式（PE模式），在該模式提供的各類欄目中選擇需要的參數(shù)設(shè)定后，開發(fā)軟件就能夠自動(dòng)生成封裝好的函數(shù)進(jìn)行寄存器設(shè)置完成單片機(jī)硬件各個(gè)功能模塊初始化。PE模式設(shè)置如圖5.2所示。圖5-2 PE模式運(yùn)行界面針對(duì)智能車系統(tǒng)，我們需要盡可能地提高軟件運(yùn)行速度和效率。因此，我們通過鎖相環(huán)設(shè)置將系統(tǒng)總線頻率由8MHZ提

47、高到64MHZ，其次，我們提高了AD采樣周期至3.250微秒，最后測(cè)得軟件執(zhí)行周期為0.15ms。另外，為了提高控制精度，我們將兩個(gè)單路的PWM進(jìn)行了級(jí)聯(lián)，將輸出控制精度從原來的8位提高到了16位。通過以上設(shè)置，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，精確控制打下了重要基礎(chǔ)。5.3硬件初始化代碼5.3.1PWM初始化脈寬調(diào)制（PWM）模塊有8路獨(dú)立的可設(shè)置周期和占空比的8位PWM通道，每個(gè)通道配有專門的計(jì)數(shù)器。該模塊有4個(gè)時(shí)鐘源，能分別控制8路信號(hào)。通過配置寄存器可設(shè)置PWM的使能與否、每個(gè)通道的工作脈沖極性、每個(gè)通道輸出的對(duì)齊方式、時(shí)鐘源以及使用方式（單獨(dú)輸出還是合并輸出）。轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制方面，為了提高控制精度，

48、將PWM0、PWM1兩路8位通道合并為一個(gè)16位通道來控制舵機(jī)，這樣可使舵機(jī)的控制精度從1/255提高到1/65536。電機(jī)控制方面，使用PWM2和PWM3兩路PWM來進(jìn)行控制，其中PWM3用于正向速度控制，PWM2用于反向制動(dòng)，正常情況下PWM2的占空比應(yīng)為0%即輸出電壓恒為零，PWM3占空比越大車速越快。當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，提升PWM2的占空比就能得到相應(yīng)的制動(dòng)效果，但制動(dòng)時(shí)間不宜過長否則會(huì)出現(xiàn)反跑現(xiàn)象。初始化程序如下：voidPWM_initial(void)DDRM_DDRM3=1;PTM_PTM3=1;PWME=0x00;/關(guān)閉PWMPWMPOL=0x22;/輸出起始電平為高電平PWMCL

49、K=0x00;/時(shí)鐘來源選擇ClockA、ClockBPWMPRCLK=0x02;/PWM預(yù)分頻為總線時(shí)鐘/4PWMCTL=0x50;/通道0、1級(jí)聯(lián)/正向PWMPER3=0x9c;/設(shè)定PWM周期PWMDTY3=0x65;/設(shè)定占空比/反向PWMPER2=0x9c;PWMDTY2=0x9c;PWMPER01=39999;PWMDTY01=Duoji_Center;PWMPER45=39999;PWMDTY45=Duoji2_Center;PWME=0xFF;/PWM使能5.3.2A/D采樣初始化80pinS12單片機(jī)共有8個(gè)A/D口，賽車上使用8位精度，查詢方式訪問而非中斷方式，采樣數(shù)據(jù)右對(duì)

50、齊每次采樣使用4個(gè)A/D時(shí)鐘周期，具體函數(shù)如下：voidATD_init(void)ATD0CTL1=0x40;/7:1-外部觸發(fā),65:00-8位精度,4:放電,3210:chATD0CTL2=0x40;/禁止外部觸發(fā),中斷禁止ATD0CTL3=0xc0;/7:1右對(duì)齊無符號(hào);6543:0100每次轉(zhuǎn)換2個(gè)序列,/No FIFO,Freeze模式下繼續(xù)轉(zhuǎn)ATD0CTL4=0x01;/765:采樣時(shí)間為4期,ATDClock=BusClock*0.5/PRS+1ATD0CTL5=0x/6:0特殊通道禁止,5:1連續(xù)轉(zhuǎn)換,4:1多通道輪流采樣ATD0DIEN=0x00;/禁止數(shù)字輸5.3.3PI

51、T中斷初始化賽車上共需要兩個(gè)定時(shí)中斷，一個(gè)0.1s的用于轉(zhuǎn)向舵機(jī)的控制以及一個(gè)0.04s的用于車速的PID控制。其初始化函數(shù)如下：PITCFLMT=0x00;/關(guān)PIT中斷PITCE=0x03;/使能0,1號(hào)端口PITMUX=0x00;/ch0,ch1連接到端口0PITMTLD0=0x16;/微定時(shí)，0100時(shí)鐘循環(huán)PITLD0=0x1999;/定時(shí)時(shí)間=5*100PITMTLD1=0x2c;PITLD1=0x1999;PTINTE=0x03;/使能PIT端口5.3.4光電編碼器初始化用于速度反饋的光電編碼器會(huì)隨著車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖，使用PT7對(duì)其進(jìn)行脈沖捕捉即可推算出行進(jìn)路程，再與定時(shí)中斷結(jié)

52、合可算出車速。初始化函數(shù)如下：TIOS=0x00;TCNT=0X00;TSCR1=0X80;TSCR2=0X00;PACTL=0X40;TCTL3=0XC0;TCTL4=0X00;TIE=0X00;CTL3_EDG7x=1;5.4電磁采樣信號(hào)處理與使用5.4.1數(shù)字與模擬信號(hào)采集對(duì)比傳感器采集數(shù)據(jù)的方式有兩種：一種是數(shù)字采集方式，另一種是模擬采集方式。數(shù)字采集方式是傳感器把采集的電壓信號(hào)經(jīng)過比較器輸出給MCU的I/O口，而模擬采集方式是傳感器把采集的電壓信號(hào)經(jīng)過濾波處理后輸出給MCU的A/D輸出輸入端，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行計(jì)算處理。圖5-3數(shù)字采集與模擬采集比較數(shù)字采集方式實(shí)時(shí)性好，信號(hào)處理

53、速度快，但因?yàn)檫@種采集方式只能識(shí)別幾個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)，所以分辨率較低，線性度差，無法進(jìn)行精確控制。所以要進(jìn)行精確的控制，一般都選擇模擬采集方式。當(dāng)然這種方法也有它的缺點(diǎn)，比如數(shù)據(jù)采集周期長，易受外界干擾。這些不利因素可以通過硬件和軟件有效的改進(jìn)，能夠達(dá)到削弱或者避免的目的?？偟膩碚f，模擬采集方式的分辨率高，能夠精確地反映小車的當(dāng)前位置。本文在設(shè)計(jì)中采用模擬采集方式，并且在實(shí)踐中缺的了理想的控制效果。5.4.2電磁采樣信號(hào)的處理與使用賽車的A/D采樣在主循環(huán)函數(shù)中進(jìn)行，為了減小信號(hào)抖動(dòng)的影響，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的低通濾波處理即將10個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)取平均值作為一個(gè)數(shù)據(jù)，但這樣人不能避免突然出現(xiàn)的一個(gè)大幅

54、值尖峰對(duì)信號(hào)的影響，遂在此基礎(chǔ)上再加入一個(gè)步驟：在平均前大最小值去掉。這里需要說明一下，A/D采樣的頻率即使取十點(diǎn)平均也還有50kHz的采樣率，不會(huì)因?yàn)闉V波而使賽車在響應(yīng)上變慢。我們通過電磁傳感器獲得一組AD采樣信號(hào)，供單片機(jī)處理。磁場(chǎng)之間存在相互的影響，電感之間也存在干擾，因此，如何準(zhǔn)確進(jìn)行采樣成為必須解決的課題。為了獲取更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，我們對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的處理：將數(shù)據(jù)都存入一個(gè)數(shù)組中，當(dāng)采集到一個(gè)新的數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)刷新，即新的數(shù)據(jù)靠前，舊的數(shù)據(jù)排后，數(shù)組中最早采集的數(shù)據(jù)在每次刷新的過程就自動(dòng)丟棄。然后對(duì)該數(shù)組中的數(shù)據(jù)排序，去掉最大最小值，最后對(duì)剩下的數(shù)據(jù)求平均值

55、，這樣就獲得了一個(gè)相對(duì)比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。5.4.3使用不同角度的電磁傳感器識(shí)別賽道在前文中已經(jīng)提到過，利用位于同一直線上的相距7厘米的內(nèi)側(cè)傳感器與相距9厘米的外側(cè)傳感器之間的互補(bǔ)性可以使用分段線性擬合的方式得到信號(hào)差值與導(dǎo)線位置的關(guān)系，具體使用流程圖如下（設(shè)偏差為-5cm時(shí)外側(cè)傳感器差值為TH0，+5cm時(shí)差值為TH1，外側(cè)傳感器信號(hào)差值為diff_out，內(nèi)側(cè)傳感器。圖5-4導(dǎo)線位置計(jì)算程序流程圖使用四個(gè)X方向探頭時(shí)，判斷彎道的條件是當(dāng)偏離導(dǎo)線的距離達(dá)到一定程度，而這種情況在以較差姿態(tài)進(jìn)入十字道時(shí)也會(huì)碰到，因而會(huì)出現(xiàn)吧十字道誤判為彎道的情況，但是在Y方向上十字道與彎道的區(qū)別是很明顯的，當(dāng)賽車接

56、近十字道時(shí)兩個(gè)Y方向探頭信號(hào)都會(huì)迅速增大，因?yàn)榇藭r(shí)的磁場(chǎng)幾乎是垂直于電感截面的，而接近彎道時(shí)由于賽道的最小轉(zhuǎn)彎半徑也有50cm，所以Y方向的磁場(chǎng)變化是比較緩慢的且不對(duì)稱的即不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)快速增大的情況。綜上所述，只要把兩個(gè)Y方向探頭上的信號(hào)引入到彎道判斷中就可以解決十字道與彎道的混淆。由于判斷比較簡(jiǎn)單，此處略去流程圖。5.5電機(jī)控制策略5.5.1電機(jī)PID控制(1)比例(P)控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steadystateerror)在比例控制器中，控制器的輸出信號(hào)Uo與輸入信號(hào)Ui(即偏差)的大小成正比，即（5.6.1）即輸出信號(hào)Uo與