第三屆「飛思卡爾」杯全國大學生
智慧型汽車邀請賽
技術報告
學校：北京理工大學
隊伍名稱：傲雄車隊
參賽隊員：劉鑫楊磊韓立博
帶隊教師：張幽彤冬雷
關於技術報告和研究**使用授權的說明
本人完全了解第三屆「飛思卡爾」杯全國大學生智慧型汽車邀請賽關保留、使用技術報告和研究**的規定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄並公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的**、影象資料，並將相關內容編纂收錄在組委會出版**集中。
參賽隊員簽名：劉鑫
楊磊韓立博
帶隊教師簽名：張幽彤
日期：2008.8.20 摘要
本文介紹了北理傲雄車隊隊員們在準備第三屆freescale智慧型車大賽過程中
的工作成果。智慧型車的硬體平台採用帶mc9s12dp512處理器的s12環境，軟體
平台為codewarrior ide 4.6開發環境，車模採用大賽組委會統一提供的1：10 的
**車模。文中介紹了智慧型小車控制系統的軟硬體結構和開發流程。
整個系統涉及車模機械結構調整、感測器電路設計及訊號處理、控制演算法和
策略優化等多個方面。為了提高智慧型賽車的行駛速度和可靠性，試驗了多套方案，並進行公升級，結合labview **平台進行了大量底層和上層測試，最終確定了現有的系統結構和各項控制引數。
關鍵字：智慧型車，雷射管，pid控制
第一章引言 1
1.1 賽事介紹 1
1.2 方案介紹 1
1.3 技術報告內容安排 2
第二章技術方案概要說明 3
第三章機械設計 4
3.1 pcb板的安裝 4
3.2 前輪引數調整 5
3.3 舵機的公升高方案 6
3.4 齒輪傳動機構調整 7
3.5 速度感測器的安裝固定 7
3.6. 後輪差速機構調整 8
第四章硬體電路設計 9
4.1 s12微控制器最小系統 9
4.2 路線識別電路設計 12
4.3 電源管理電路設計 14
4.4 電機驅動電路設計 15
4.5 序列通訊介面電路 15
4.6 速度檢測模組 16
4.7 現場除錯模組 17
第五章軟體設計 19
5.1 主程式設計 19
5.2 總體控制流程圖 19
5.3 工作原理 20
5.4.1 pid控制 20
5.4.2 pid引數的整定 21
5.5 小車控制策略 22
5.6 軟體開發環境 22
第六章模型車各項引數 26
6.1 車模基本尺寸 26
6.2 電路功耗及電容總容量 26
6.3 感測器及伺服電機數量 26
6.4 賽道資訊檢測精度、頻率 26
第七章結論 27
7.1 本系統的所具有的特點 27
7.2 本系統存在的問題 27
7.3 本系統可行的改進措施 28
參考文獻 29
附錄a 模型車控制主程式** i
第一章引言
1.1 賽事介紹
受教育部高等教育司委託，高等學校自動化專業教學指導分委員負責主辦全國大學生智慧型車競賽。該項比賽已列入教育部主辦的全國五大競賽之一。2023年8月26日，在瀋陽東北大學舉行第三屆全國大學生智慧型車競賽。
本屆的比賽，首先是在全國四大賽區進行預選賽，之後將有104只賽車到瀋陽進行總決賽。在比賽中，參賽選手須使用大賽組委會統一提供的競賽車模，推薦採用飛思卡爾16控制器mc9s12dg128作為核心控制單元，自主構思控感測器訊號採集處理、控制演算法及執行、動力電機驅動、轉向舵機控制等，完成智慧型車工程製作及除錯，於指定日期與地點參加場地比賽。參賽隊伍之名次（成績）由賽車現場成功完成賽道比賽時間為主，技術方案及製作工程質量評分為輔來決定，車模改裝完畢後，尺寸不能超過：
250mm 寬和400mm長，高度無限制，跑道寬度不小於600mm，跑道表面為白色，中心有連續黑線作為引導線，黑線寬25mm，並且跑道有坡道。
1.2 方案介紹
在方案設計的過程中，我們參閱了很多兄弟院校的往屆大賽技術報告，如清華大學、北京科技大學。在國內，他們對智慧型車研究起步的比較早，例如清華大學首創記憶演算法、北京科技大學創先使用雷射管。但是，基於本次大賽的比賽要求，即車跑兩圈中只要有一圈結束後停車便算入成績，所以我們採取跑一圈停車的策略。
由車手根據車跑第一圈的狀況，通過按鍵，適當改變引數。這樣便捨棄了風險性很大的記憶演算法。對於led組來說，提高小車的速度和穩定性，其實際問題是如何更早且更好的提取到賽道資訊。
所以我們採取的策略是雷射感測器加人工調參，共同實現我們的目標。這樣不僅可以提高賽車的前瞻性，使賽車的穩定性提高。而且可以在第二圈中，對賽車狀態進行人工校正，提高成績。
1.3 技術報告內容安排
本技術報告的正文分為四個部分。第一部分是對整個系統實現方法的乙個概要說明，主要內容是對整個技術方案的概述；第二部分是對系統機械結構的說明，主要介紹系pcb板的固定和安裝、前輪引數調整和舵機的公升高等；第三部分是對硬體電路設計的說明，主要介紹系統感測器的設計及其他硬體電路的設計原理、創新點和實現過程等；第四部分是對系統軟體設計部分的說明，主要內容是智慧型模型車設計中主要用到的控制理論、演算法說明及**設計介紹等。
第二章技術方案概要說明
本模型車的製作的主要思路是利用雷射管來判別前方的跑道軌跡，並將資訊採集到s12微控制器中。在s12微控制器中利用一定的演算法來控制模型車的執行狀態。
模型車的控制系統包括電源管理模組、mcu模組、路徑識別模組、電機驅動模組、舵機控制模組、轉速測量模組、按鍵控制模組、無線串列埠傳送模組等。在整個系統中，由電源管理模組實現對其他各模組的電源管理。其中，對微控制器、雷射管、測速電路、按鍵電路提供5v電壓，對舵機提供6v電壓，對無線串列埠提供12v電壓。
本模型車是由後輪驅動的，路徑識別模組則採用雷射管感測器尋跡方案。即路徑識別電路由12對光電傳送與接收管組成。由於賽道中存在軌跡指示黑線，落在黑線區域內的光電接收管接收到反射的光線的強度與白色的賽道不同，進而在光電接收管兩端產生不同的電壓值，由此判斷行車的方向。
路徑識別模組會將當前採集到的一組電壓值傳遞給mcu模組。轉速測量模組則安裝在車尾部，它會測量出模型車行駛過程中的瞬時速度。按鍵控制模組會設定模型車在行駛過程中一些較重要的引數，如：
直道速度、彎道速度等。測量出的瞬時速度將輸入到微控制器中，以幫助分析確定模型車下一步的速度、轉角等。無線串列埠傳送模組會同labview顯示感測器檢測值和模型車的速度等引數，以方便對整車進行除錯。
mcu模組會根據按鍵的設定值，路徑識別模組採集到的電壓值以及轉速測量模組反饋回的瞬時速度值等綜合分析，採用一定的演算法對舵機和直流電機進行控制。以上即是技術方案的概要說明。
第三章機械設計
本模型車機械設計的部分主要包括，pcb板的固定與安裝、前輪引數調整和舵機的公升高
3.1 pcb板的安裝
對本模型車的訊號採集電路，我們設計了一塊pcb板。pcb板安裝在模型車的前方。綜合考慮雷射管的探測距離、模型車的行駛速度以及更好的配合軟體的控制演算法，我們將光電感測器訊號採集電路的pcb板安裝在距舵機的距離為8cm,距路面的距離為12cm的位置。
pcb板上均勻分布了12對光電發射管和接收管。
此外，我們還設計了另兩塊pcb板。一塊上面包含了電源管理模組電路，另一塊包含直流電機驅動電路。在組裝過程中，我們利用原有的模型車後部原有的兩個支架和兩個承接螺釘將其固定在車模的後部。
其固定的位置離地的高度為6.5cm。在其下方，放置著模型車的電池。
在車**，則固定著s12模組。
圖3.1 pcb板安裝實圖
3.2 前輪引數調整
除錯中發現，在賽車過彎時，轉向舵機的負載會因為車輪轉向角度增大而增大。為了盡可能降低轉向舵機負載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進行了調整。
前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩定性，轉向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉向輪，它的安裝位置由主銷內傾、主銷後傾、前輪外傾和前輪前束等4 個專案決定，反映了轉向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關係1）主銷內傾是指主銷裝在前軸略向內傾斜的角度，它的作用是使前輪自動回正。角度越大前輪自動回正的作用就越強烈，但轉向時也越費力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。
2）主銷後傾是指主銷裝在前軸，上端略向後傾斜的角度。它使車輛轉彎時產生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉方向相反，迫使車輪偏轉後自動恢復到原來的中間位置上。由此，主銷後傾角越大，車速越高，前輪穩定性也愈好。
3）主銷內傾和主銷後傾都有使汽車轉向自動回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內傾的回正與車速無關，主銷後傾的回正與車速有關，因此高速時後傾的回正作用大，低速時內傾的回正作用大。
4）前輪外傾角對汽車的轉彎效能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉向安全性和轉向操縱的輕便性。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生變形，可能引起車輪上部向內傾側，導致車輪聯接件損壞。所以事先將車輪校偏乙個外八字角度，這個角度約在1°左右。
5）所謂前束是指兩輪之間的後距離數值與前距離數值之差，也指前輪中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效能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動時，其慣性力會自然將輪胎向內偏斜，如果前束適當，輪胎滾動時的偏斜方向就會抵消，輪胎內外側磨損的現象會減少。
經過與賽道的磨合，本隊智慧型車前輪角度調整為前輪外傾角為-3°，其他皆為0°。
3.3 舵機的公升高方案
為了提高舵機的響應速度，可以考慮延長舵機的擺臂。在正常情況下，車輪從最左側轉到最右側，舵機需要轉動50。而將擺臂伸長之後，車輪從最左側轉到最右側，舵機只需要轉動30。
從理論上講，這樣可以在舵機效能一定的情況下，提高車輪轉向的響應速度。本隊擺臂長為4.5cm。
舵機公升高之後，直線行駛狀態下的車輪定位引數尤其是前束值會發生變化，這時需要稍微調整兩根轉向拉桿的長度，將前束值調整至合理的範圍內。擺臂加長後，舵機空程會明顯，但是差別不大，通過程式微調舵機最大轉角能夠休整，所以可以忽略。
圖3.2 舵機安裝實圖
3.4 齒輪傳動機構調整
賽車後輪採用rs-380sh-4045 電機驅動，由競賽主辦方提供。電機軸與後輪軸之間的傳動比為 9：38（電機軸齒輪齒數為18，後輪軸傳動輪齒數為76）。
齒輪傳動機構對賽車的驅動能力有很大的影響。齒輪傳動部分安裝位置的不恰當，會大大增加電機驅動後輪的負載，從而影響到最終成績。調整的原則是：
兩傳動齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過鬆容易打壞齒輪，過緊又會增加傳動阻力，白白浪費動力;傳動部分要輕鬆、順暢，容易轉動，不能有卡住或遲滯現象.判斷齒輪傳動是否調整好的乙個依據是,聽一下電機帶動後輪空轉時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現象；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，電機負載加大。
調整好的齒輪傳動噪音小，並且不會有碰撞類的雜音。
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