第五屆「飛思卡爾」杯全國大學生
智慧型汽車競賽
基於電磁場檢測的自主尋跡智慧型車設計技術報告
學校： 合肥工業大學
隊伍名稱： 電磁隊
參賽隊員： 褚向華
楊冰劉丹
帶隊教師： 張陽
史久根關於技術報告和研究**使用授權的說明
本人完全了解第四屆「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
帶隊教師簽名
日期第一章引言1
1.1 研究背景介紹1
1.2 研究內容和意義1
1.3 章節安排2
第二章智慧型車跑道電源設計2
第三章智慧型車系統硬體設計6
3.1 硬體設計概述6
3.2處理器模組設計7
3.3 路徑探測模組設計8
3.3.1 感應電路設計10
3.3.2 放大電路設計12
3.3.3 濾波電路設計14
3.3.4 二值化電路設計15
3.3.5 電感的選擇16
3.4 直流電機驅動模組設計16
3.5 舵機驅動模組設計17
3.6 測速模組設計18
3.7無線通訊模組設計18
3.8電源管理模組設計19
第四章智慧型車系統軟體設計20
4.1 探測資料處理程式設計20
4.2 電機pid控制程式設計21
4.2.1 位置式pid演算法22
4.2.2 增量式pid演算法22
4.3 舵機控制程式設計26
4.4 通訊程式設計26
4.5 智慧型車系統流程圖27
第五章智慧型車系統除錯28
5.1 路徑探測模組除錯28
5.2 舵機除錯31
5.3 直流電機控制及測速除錯31
5.4系統除錯32
第六章模型車的各項引數32
第七章結論33
附件參考文獻34
程式35
第一章引言
1.1 研究背景介紹
本課題**於「飛思卡爾」杯全國大學生智慧型車競賽。「飛思卡爾」杯智慧型車競賽是教育部為了加強大學生實踐、創新能力和團隊精神的培養而舉辦的面向全國大學生的智慧型汽車比賽。「飛思卡爾」杯智慧型車大賽從2023年開始舉辦，今年是第五屆。
該競賽是為了提高大學生的動手能力和創新能力而舉辦的，具有重大的現實意義。在2023年至2023年舉辦的「飛思卡爾」杯全國大學生智慧型汽車競賽中，參賽的隊伍分光電組和攝像頭組兩個組別。2023年將要舉辦的第五屆飛思卡爾」杯全國大學生智慧型汽車競賽增加了新的組別——「電磁組」。
根據比賽技術要求，參加電磁組競賽的選手設計的智慧型車要能夠檢測到道路中線下導線中20khz 交變電流產生的磁場來導引小車沿著道路行駛。
1.2 研究內容和意義
本系統研究的內容有跑道電源設計、智慧型車系統硬體設計、智慧型車系統軟體設計和智慧型車系統除錯。
在平時除錯過程和比賽中，需要能夠滿足比賽技術要求的可以提供20khz 的脈衝訊號的電源驅動賽道中心線下的導線。本課題要求設計出能夠滿足比賽技術要求的電源。
智慧型車要能夠完成路徑識別、舵機驅動、直流電動機驅動、小車行駛速度測量、無線通訊和永磁鐵位置探測等功能。本課題要求設計出能夠實現這些功能的電路，完成相應程式的編寫，完成系統的整體除錯。
該競賽與其他全國競賽的不同之處在於：它是以迅猛發展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、感測技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉的科技創意性比賽，這對進一步深化高等工程教育改革，培養本科生獲取知識、應用知識的能力及創新意識有重要意義。
智慧型車的研究很有應用前景，對無人駕駛汽車控制的研究能起到引導的作用。同時對提高駕駛安全，提公升汽車功能等的研究具有重要意義。
為了滿足該組別的參賽要求，將對該項課題進行研究，使賽車具備參賽能力。
1.3 章節安排
本技術報告總共分為七個章節。
第一章節是引言，主要介紹研究背景、內容及意義等。
第二章節是智慧型車跑道電源設計說明，主要內容是對跑道路徑設計的概述。
第三章節是智慧型車系統硬體設計說明，主要對小車系統的各個模組的設計進行概述，包括處理器、路徑探測、直流電機、舵機、測速、無線通訊、電源管理等模組，其中重點闡述路徑探測模組。
第四章節是智慧型車系統軟體設計說明，主要內容是智慧型模型車設計中探測資料的處理、電機和舵機的控制理論、演算法說明和程式的框架等。
第五章節智慧型車系統除錯的說明，主要內容是路徑探測、電機、舵機、測速的除錯，以及系統的整體除錯。
第六章節是模型車的各項引數，包括車模基本尺寸，電路功耗以電容總容量等。
第七章節是結論，對本模型車的特點、存在的問題、可行的改進措施等。
第二章智慧型車跑道電源設計
在平時除錯的過程和比賽中，需要可以提供20khz的方波訊號的電源驅動賽道中心線下的導線。接通電源後，賽道中心線下的導線中有交變的電流流過。變化的電流在導線周圍產生變化的磁場。
小車能夠檢測到這種磁場來沿著路徑行駛。跑道電源的技術要求如下：
1）驅動賽道中心線下鋪設的0.1~0.3mm 直徑的導線；2）頻率範圍：20khz±2khz；
3）有效電流範圍：50~100ma。
跑道電源主要有振盪電路、功率放大電路、恆流控制電路等部分組成，如圖2.1所示。
圖2.1 跑道電源框圖
電阻r1、r2共同用於調節振盪電路輸出脈衝訊號的頻率和占空比。調節r1、r2的阻值可以使振盪電路輸出20khz的方波訊號。功率放大電路時被放大。
功率放大電路用於放大振盪電路的輸出訊號。r3用於調節流經輸出端所接導線的電流。
跑道電源的振盪電路是利用電容充放電原理設計的。振盪電路原理圖如圖2.2所示。
圖2.2 振盪電路原理圖
當net0端為低電平時，net1端為高電平，net2端為低電平。此時，有電流
流經r2、d1對電容充電，充電時間與r2、c1的值成正比關係。隨著充電過程的進行，net0端的電壓不斷公升高。當net0端的電壓達到一定值後，net1端的電壓開始降低。
net1端電壓降低到一定值後，net2端電壓開始公升高。當net2端的電壓公升高後， net0端的電壓進一步公升高。這又促使net1端的電壓進一步降低，促使net2端的電壓進一步公升高。
最後net0、net2端變為高電平。
當net0端的電壓變為高電平後，有電流從net0端經r1、d2流向net1，電容開始放電。電容放電時間與r1、c1的值成正比關係。隨著放電過程的進行，net0端的電壓不斷降低。
當net0端的電壓降到一定值後，net1端的電壓開始公升高。當net1端的電壓公升高到一定值後，net2端的電壓開始降低。net2端的電壓降低，促使net0端的電壓進一步降低。
這又促使net1端的電壓進一步公升高，促使net2端的電壓進一步降低。最後net0、net2端變為低電平。
電容c1的充電放電過程是重複進行的，因此net2端不斷有高低電平產生。非門not3將net2端的電平轉化為標準的邏輯電平，net4端有相反的邏輯電平產生。
振盪電路產生的訊號用l298n 驅動積體電路來放大。功率放大原理圖如圖2.3所示。
input1口、input2口分別接振盪電路的net3、net4端。en_a為使能端，高電平使能。se_a端接恆流控制電路。out1、out2端接導線。
圖2.3 功率放大原理圖
當input1端為高電平時，input2端為低電平。從圖2.4可以看出，此時
out1端輸出高電平，out2端輸出低電平。若用導線連線out1和out2，將有電流從out1流向out2。當input1端為低電平時，input2端為高電平。
此時，out1端輸出低電平，out2端輸出高電平。若用導線連線out1端和out2端，將有電流從out2端流向out1端。因此，out1端和out2端有矩形波訊號產生，矩形波頻率與振盪電路輸出的方波訊號頻率相同。
矩形波訊號有正電平和負電平，如圖2.4所示。
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