电磁组-上海电力学院电自二队技术报告

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：上海电力学院队伍名称：电自二队参赛队员：王博杨嘉骏徐凌波带队教师：杨宁黄云峰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：带队教师签名：日期：目录第一章引言 (4)第二章智能车整体设计思路 (5)2.1智能车硬件结构 (5)2.2 智能车软件设计思想 (6)第三章机械结构设计 (7)3.1 车模组装与改造 (7)3.2 传感器的安装 (8)3.3 编码器的安装 (8)3.4 电路板的固定与安装 (9)第四章硬件电路模块设计 (10)4.1 信号源模块 (10)4.3电源管理模块 (17)4.4 电机驱动模块 (18)4.5 测速功能模块 (19)第五章智能车软件设计 (20)5.1 Codewarrior简介 (20)5.2 程序主要算法介绍 (20)5.2.1 舵机控制 (20)5.2.2 电机控制 (21)第六章总结 (22)6.1 模型车的主要技术参数 (22)6.2 小结 (22)参考文献 (24)源程序 (25)第一章引言在这届智能车比赛中，新增加了电磁组，竞赛车模需要能够通过自动识别赛道中心线位置处由通有频率为20KHz，大小为100mA左右的交变电流的导线所产生的电磁场进行路径检测。

本智能车以飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XS128为核心控制器，利用电感线圈作为传感器采集路况信息，配合电机、舵机、电池等组成的驱动电路进行信息处理，以达到路径识别的目的，控制模型车高速稳定地在跑道上行驶。

硬件电路部分主要采用MC33886模块稳定、有力地驱动直流电动机和舵机。

所选用的低压差电源管理芯片TPS7350和MAX734，可使在7.2伏电池供电的条件下为系统的各功能模块提供了稳定、可靠的工作电源，为智能车的稳定工作提供了有力的保证。

赛道中心线通过的电流是由自己制作的信号源产生频率为20KHz、大小为100mA的交流电。

测速部分采用光电编码器完成对速度的及时测量和反馈。

软件系统部分主要包括以下与路径识别系统相关模块的算法：(1) 电感线圈检测到的磁场强度也即电压的处理；(2)舵机调节模块算法；(3)速度调节模块；(4)基于上述三个模块的路径识别算法；(5)相应的调试函数。

本系统利用开发工具CodeWarrior进行编程开发，用BDM进行程序下载，利用串口传输的数据进行在线调试。

这些工具的使用，使得软件的设计编程和调试工作得到了保证。

通过一系列的调试，本系统基本实现了路径识别的功能，在实际的测试中，小车也比较好的完成寻线行驶的任务。

第二章 智能车整体设计思路2.1智能车硬件结构本智能车采用MC9S12XS128单片机为主控制器，利用红电感线圈采集赛道信息，然后利用适合的算法进行控制赛车沿赛道中心线行驶。

整个系统的大致框架如下图所示：硬件结构包括智能车的机械结构与电路设计制版与安装。

2.1.1 机械结构本部分包括车模组装，前轮定位调整，后轮差速调整，光电编码器的安装，舵机安装，舵机输出臂的制作与传感器的安装等。

2.1.2电路设计、制板与安装本部分包括整车供电电源的电路设计，电机的驱动电路设计，信号采集电路设计，与单片机、电源的各个接口电路的连接设计，舵机、电源板、驱动板单片机和传感器在智能车上的安装。

由于考虑到损坏后便于更换，我们采用主办方提供的芯片主板与自己设计的外围电路板通过64芯双排插针进行衔接。

传感器与控制主板之间用插接件与MC9S12XS128传感器检测模块图1 系统框图电源模块舵机转向模块辅助调试模块测速模块电机驱动模块排线进行连接。

2.2 智能车软件设计思想对于智能车来说，讲究的是智能控制。

因此算法是其核心部分，相当于人的思维，负责按预先定好的流程处理传感器采集过来的数据。

首先，安装在车前的电感线圈检测到赛道中心线下铺设的交流电产生的磁场，将磁场强度大小转换为电压大小送往单片机进行AD转换。

转换后的数字量经过一系列的运算得出小车与中心线的位置，从而通过PWM波脉宽的控制使舵机转相应的角度。

其次，利用光电编码器负责采集电机的转速，可以得到赛车的实时速度，再结合小车当前的位置状况，利用PWM波脉宽的控制来控制电机的速度何刹车力度，以形成速度闭环控制。

第三章机械结构设计在智能车比赛中，最主要的比赛内容是速度和稳定性，而模型车的机械结构无疑是影响速度和稳定性的关键因素之一。

因此我们对模型车的机械结构做了大量的调整，使其达到理想的效果。

3.1 车模组装与改造拿到车子后要做的第一件事就是将车子组装起来，对于新手，组装车子之前得仔细阅读说明书，通过阅读模型车的装配图，了解各个不同零件的用途和安装顺序才好动手。

然后，根据模型车的装配图组装智能车模型。

由经验知，在组装过程中，除了要注意模型车的组装顺序外，还要注意不要把里面那些微小的零件丢失了。

而且由于模型车上的大部分零部件材质均为塑料，在拧螺丝以及对零件进行加工时要格外的小心，以免损坏。

3.1.1前轮定位调整在调试中我们发现，模型车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。

为了尽可能降低转向舵机负载，我们对前轮定位进行了调整。

前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。

前轮定位参数主要包括：主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。

主销后倾角是主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，能在车子偏移的时候产生一回正力矩，纠正车轮的偏转。

，通常后倾角值设定在1~3度。

主销内倾角是主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角，它也有使车轮自动回正的作用，小车转向时路面作用在后轮上的阻力矩也会减小，从而可减小转弯时驾驶员施加在转向盘上的力，使转向操纵轻便，通常其调整范围为0~10度。

前轮外倾角是汽车横向平面与车轮平面的郊县与地面垂线之间的夹角，它可以增加零件的使用寿命，提高汽车的安全性，一般为1°左右。

汽车两轮前边缘距离与后边缘距离之差称为前轮前束，一般前束值为0~12mm，它是为了消除车轮外倾带来的不良后果而调整的。

3.1.2差速的调整模型车的差速对转弯时的影响很大，差速太松不好会导致后轮空转，传动效果不好，容易发生侧滑现像；太紧又达不到差速的效果，使转弯性能下降。

我们通过添加润滑油的手段，改进差速装置，提高了差速的效果，进而也提高了小车的转向性能。

3.1.3舵机力臂的调整组委会规定使用的舵机的响应速度对于S12单片机的处理速度来说存在很大的延时，为了提高舵机的响应速度，我们对舵机的力臂进行了调整。

我们知道在相同的舵机转速条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快，本模型车中通过用自制的转向盘代替舵机上的曲柄来增大舵机的上连接点到舵机中心的距离，增加了输出转动力矩，使得前轮在转向时更加灵敏。

3.2 传感器的安装传感器的安装如右图所示：图1 传感器安装示意图3.3编码器的安装其在智能车上的安装方式如图所示： 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，这是目前应用最多的传感器。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

3.4 电路板的固定与安装为了使整个车子看起来轻巧灵活，结构简单，我们将电路板用长角螺钉支起来了，下面的空间可以用来放置电池。

如右图所示：图2 编码器安装图3电路板的固定第四章硬件电路模块设计4.1 信号源模块根据组委会要求，竞赛车模需要能够通过自动识别赛道中心线位置处由通有100mA 交变电流的导线所产生的电磁场进行路径检测。

信号源电路包括振荡电路、功率输出电路、恒流控制电路以及电源等组成。

根据技术要求，设计方案如下：图1 信号源组成框图4.1.1 震荡电路产生中心频率为 20KHz 的对称方波信号。

为了满足功率输出电路的需要，一般输出极性相反的信号。

可以使用普通的555 时基电路产生振荡信号，也可以使用简易的单片机产生振荡信号。

为了方便调试，信号频率能够在一定范围内进行调整。

4.1.2 功率输出电路由于输出驱动信号电压、电流、频率较大，需要一定输出功率驱动跑道线圈，因此最后需要功率输出电路。

可以采用分立大功率晶体管搭建输出电路，也可以使用的电机驱动桥电路集成模块。

选择时需要注意电路的频率响应应该大于20KHz，输出功率大于2W，在制作时需要注意电路的散热。

4.1.3 恒流控制恒流电路控制输出电流在 100mA 左右稳定，不随着电源的变化而发生波动。

根据比赛规则的要求，恒流输出控制不需要特别的精确。

一般要求不高的情况下可以使用限流电阻控制电流的稳定，也可以利用晶体管的在放大区集电极的恒流特性进行控制。

4.1.4 电源电源部分提供电路中所需要的各种低压稳压电源。

保证信号振荡电路和恒流控制电路的稳定性。

可以使用一般串联稳压集成电路实现4.1.5 整个方案的确立振荡电路选择基于555芯片方案，由于需要对频率进行改变，在使用单片机方案时，须利用电脑改变参数。

而基于555芯片的方案只需要改变电阻的大小即可，方便可行。

功率输出电路选择L298方案，集成电路的可靠性更高，并且减少设备体积，轻便可行。

恒流输出电路对于电流值的大小没有过高的要求，选择线路最简易的串联电阻方法。

4.1.6 实物图以及波形图2 整个信号源电路图由上图可看出，空载的波形良好，该波形为两个矩形波的反响错位叠加，所以在0V 跳变点有延时。

负载后的波形在跃变点波形会振荡，分析后认为是负载的非纯电阻性所造成的，所占比例小，在要求的范围内。

4.1.7 调试电源设计完制作完毕后需要进行如下的调试：1、输出电流调试：电源安装完毕后可以外接 10-100 欧姆的负载进行调整输出电流。

可以直接使用示波器测量阻性负载的外加电压的峰峰值，再除以电阻的阻值，便可以得到输出电流的数值。

也可以在电路的功率输出桥下外接一个直流毫安表来显示输出电流的大小。

图3 信号源实物图 图4 空载波形图5 负载波形2、输出频率调试：可使用的示波器或者具有频率测量的万用表测量输出电压的频率。

外接10 欧姆的负载进行测量负载上电压的频率。

调节频率设定电位器使得电源频率输出在 20±2kHz。

调试完毕后，使得电源在负载10 欧姆之下连续工作1 个小时，电源输出的电流、频率都不会漂移出要求的范围。