第一屆「飛思卡爾」杯全國大學生
智慧型汽車邀請賽
技術報告
學校： 西北工業大學
隊伍名稱： 西北工業大學二隊
參賽隊員： 張國超
牛彥明陳曦
帶隊教師： 王安
關於技術報告和研究**使用授權的說明
本人完全了解第一屆「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： 張國超
牛彥明陳曦帶隊教師簽名： 王安
日期： 2006-8-10
在首屆「飛思卡爾」杯全國大學生智慧型汽車邀請賽中，西北工業大學二隊按參賽要求使用大賽組委會提供的車模、晶元及開發平台歷時3個月製作完成了智慧型車模。期間小組成員對指定車模進行了合理的安裝和除錯，通過訊號採集檢測、資料處理和輸出控制等環節對模型車輛的路徑跟蹤、行駛速度和轉向角度進行程式設計控制，從而實現車模在運動中對賽道中心黑線穩、準、快的識別跟蹤，完成大賽提出的各項要求。
智慧型車的製作過程中隊員們參考學習了大量相關文獻，其中主要包括王錦標、方崇智編著的《過程計算機控制》[1]，這本書介紹pid控制演算法的應用，及如何合理設定比例、微分及積分係數。邵貝貝編著的《微控制器嵌入式應用的**開發方法》[2]，這本書主要介紹如何針對飛思卡爾的hcs12微控制器進行軟體開發。
本技術報告共分五個章節，其中包括引言、系統概述、系統硬體設計、系統軟體設計及結論等部分。其中第二章系統概述部分將從整體上介紹智慧型車設計製作的主要思路以及實現的技術方案；第三章系統硬體設計部分分別就模型車機械部分安裝改造、電路設計、感測器設計安裝以及系統電路板固定與連線等環節進行了簡要說明；在第四章系統軟體設計中，本文主要介紹了hcs12控制軟體使用、主要理論、演算法說明、**設計以及除錯過程；最後第五章結論
則系統總結了開發製作智慧型車的整體過程，並對智慧型車的優缺點進行了理論分析。報告結尾部分的參考文獻將列出本次參賽過程中隊員們所參考的所有資料。
本文按照功能將系統分為三大部分——訊號檢測部分、資料處理部分和輸出控制部分。
訊號檢測部分的首要任務是檢測車體相對於賽道中心黑線的狀態，由於賽道的材質是kt板且黑線由膠紙貼出，故只能用光學檢測的方法。對於在白色的底面上檢測黑線可以有兩種方法，一種是使用光電管陣列的方法，一種是使用影象感測器的方法。考慮到兩種方法中一些優缺點可以互補，故本系統對兩種方法進行綜合完成對黑線的檢測。
資料處理部分將檢測到的數字**訊號與乙個固定閾值進行比較，通過比較結果完成對路徑的識別。
對於輸出控制部分，本系統中兩個被控量是車輛的行駛速度和車輛的轉向角度，控制的兩個主要的執行機構是直流電機和舵機 (競賽要求使用規定的rs380型直流電機和sanwa的srm-102舵機)。直流電機調速和舵機轉角控制的完成均採用pwm波實現。
綜上所述，系統的總體方案為：使用光電管陣列和影象感測器綜合的方法對黑線進行檢測，得到車體相對於黑線的狀態資訊，送到mc9s12dg128b[3]內，經過微控制器處理，輸出pwm訊號控制電機和舵機，通過改變小車的速度和轉向，最終達到車模自主行駛的競賽要求。
模型車是根據大賽組委會提供的原裝模型車的安裝圖安裝而成，並在此基礎上進行了一系列的改造。舵機安裝在前輪之間，直流電動機被固定在車尾。模型車上電路板尺寸是依據車模上原有通孔的位置設計，由6厘公尺銅柱作為支柱固定在通孔上以架起電路板。
攝像頭也採用了固定安裝方式，利用車模前方的三個通孔用銅柱和角鋁將攝像頭安裝固定。同時，st178紅外光電對管陣列是整合在一塊電路板上並通過0.5厘公尺螺釘和螺母安裝在模型車的最前端，紅外光電對管頂端與地面距離6mm。
系統組成框圖如圖3.1。
圖3.1 系統組成框圖
st178紅外光電對管陣列將相應採集點的黑白狀況轉化為ttl電平訊號，此訊號直接可以輸入到微控制器的i/o埠被讀取。lm1881[4]可以將電視**訊號中的場同步、行同步等訊號提取出來，作為對**訊號採集的參考時序。微控制器根據參考時序，在有效**訊號期間按規律對已處理**訊號進行採集，
即可完成對路徑影象的識別。st178、lm1881組成了系統的訊號採集部分。
。電機的控制需要用到功率驅動電路，微控制器輸出pwm脈寬調變訊號經h橋整合晶元mc33886[5]功率放大後對電機進行控制。
硬體系統中需要用到5伏和12伏的工作電壓，但系統提供的電壓為7.2伏，這就要求有乙個降壓電路和乙個公升壓電路。本系統使用lm2576進行降壓和穩壓得到5伏電壓，使用mc34063a[6]進行公升壓得到12伏電壓。
lm1881**同步分離晶元支援標準的ntsc，pal和secam制式的**訊號，也支援非標準的快速行頻的訊號[7]。可以從模擬**訊號中提取時序資訊，包括復合同步訊號和垂直場同步訊號，消隱訊號，奇偶場資訊。本系統主要使用lm1881從ntsc制式黑白**訊號中提取到的復合同步訊號和場同步訊號[8]。
本系統中lm1881部分的設計使用其生產廠商national semiconductor給出的典型應用電路（圖3.2）。
圖3.2 lm1881典型應用電路
各輸出訊號中只用到復合同步訊號和場同步訊號，復合同步訊號作為中斷
連線在mc9s12dg128b的可遮蔽中斷輸入管腳pe1上，場同步訊號連線在mc9s12dg128b的普通i/o管腳ph2上，其它輸出管腳懸空不與微控制器連線。
本系統使用了6個st178組成紅外光電採集陣列，6個st178「一」字形排布，每兩個之間間隔25mm。如圖3.3所示。
圖3.3 st178陣列排布
本系統將st178的檢測距離定為6mm，即st178頂端距離地面6mm。這樣可以使檢測效率達到最高，使干擾減小。
本系統將h橋的兩個半橋併聯在一起使用，即向兩個輸入端輸入同一調速訊號，兩個輸出端併聯在一起作為乙個輸出。為了減少控制線數量，兩個控制訊號中乙個用微控制器控制，乙個接為永久使能。mc33886電路如圖3.
4。圖3.4 mc33886電路圖
電源使用大賽組委會提供的7.2v鎳鉻充電電池組。為提高充電效率節省充電時間，隊員自行設計了恆流充電電路板，實現了對電源的快速充放電。
lm2576是乙個開關式降壓穩壓晶元。可將輸入的7.2v電壓轉化為5v電壓輸出[9]。
lm2576電路圖如圖3.5。
圖3.5 lm2576電路圖
mc34063a是乙個dc-dc轉換控制器。
本文設計中是使用mc34063a搭建乙個由7.2v公升壓到12v的公升壓電路，根據廠商提供的典型電路和外圍器件引數計算公式，設計mc34063a外圍電路與其內部組成如圖3.6。
圖3.6 mc34063內部組成圖
圖中，r2的阻值應調到，因標準電阻系列無此阻值，故使用滑動變阻器在帶負載工作的情況下手動調整r2阻值使得輸出為12v。
本文設計的系統中同時含有易受干擾的**訊號和容易產生干擾的開關變壓和電機電路，在製作印刷電路板必須考慮到這些因素。
模擬**訊號容易受到干擾，故將lm1881及其外圍電路單獨製作一塊小的印刷電路板，攝像頭**訊號用盡可能短的導線接入此板，再將處理過的訊號通過接外掛程式連線到主要的印刷電路板上。這樣設計大大減小了**訊號在傳輸過程受到的影響，使採集到的資訊更為準確。
在製作主印刷電路板時，本文把易產生干擾的電壓轉換部分和電機驅動部分集中在一側布局，而訊號線比較多的**訊號處理和紅外檢測訊號介面部分則布局在另一側，這樣可以減少布局在一起時各模組之間引起的干擾（主要是對訊號的干擾）。
在佈線方面，由於微控制器模組使用的是mc9s12evkx模組，所需佈線的數量和複雜程度大大減少，佈線時訊號線的線寬可以放寬到12mil，其它的線寬可以達到40mil到50mil，這樣也可以減少干擾。另外，微控制器與其它模組之間的訊號線應盡量短，在選擇微控制器的io時應考慮到這一點，在相同功能的埠中應選擇距離最近的那個來傳輸訊號。
綜上所述，主電路板的大致布局如圖3.7。
圖3.7 主印刷電路板布局
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