第八届飞思卡尔智能车竞赛光电平衡组南京邮电大学 SEA光电一队

第八届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
学校：南京邮电大学
队伍名称：SEA光电一队
参赛队员：顾佳俊
赵孔明
蓝晨曦
带队教师：江兵
高翔
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八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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：顾佳俊
赵孔明
蓝晨曦
带队教师签名：江兵
高翔
日期：2013.8.12
摘要
本文介绍了南京邮电大学光电一队队员们在准备第八届飞思卡尔智能车大
赛中的工作成果，智能车使用MK60DX256ZVLQ10处理器，使用IAR 开发环境，车模采用大赛组委会统一提供的D车模。

文中介绍了智能小车控制系统的软硬件结构及设计开发过程，整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略优化等多
个方面。

本文主要从硬件电路、机械设计、软件设计等方面阐述了小车的整体架构与设计思路。

车模以MK60DX256ZVLQ10单片机为控制核心，以线性CCD作为循迹传感器，以光电编码器检测速度信息。

车模的控制主要可分解为直立控制、速度控制、方向控制，而这三个方面又相互影响。

车模系统的简单工作原理是车体在保持平衡与适当速度的前提下，再由MK60DX256ZVLQ10单片机收集线性CCD 返回来的赛道信息对方向进行控制。

关键词：MK60DX256ZVLQ10单片机，线性CCD，陀螺仪，加速度计，PID
目录
第一章系统总体方案设计...................................................................................................... - 2 -
1.1系统总体框图................................................................................................................ - 2 -第二章系统硬件设计.............................................................................................................. - 4 -
2.1主控模块 ......................................................................................................................... - 4 -
2.2电源管理模块................................................................................................................ - 5 -
2.3电机驱动模块................................................................................................................ - 6 -
2.4倾角传感器电路............................................................................................................ - 8 -
2.5速度检测传感器电路.................................................................................................. - 10 -
2.6赛道信息检测（线性CCD）..................................................................................... - 10 -第三章机械设计...................................................................................................................... - 12 -
3.1车模简化改装.............................................................................................................. - 12 -
3.2加固电机引线.............................................................................................................. - 12 -
3.3拨码开关的安装.......................................................................................................... - 13 -
3.4电池的安装.................................................................................................................. - 14 -
3.5光电编码器的安装...................................................................................................... - 14 -
3.6 CCD的安装 ................................................................................................................ - 15 -
3.7陀螺仪与加速度计传感器.......................................................................................... - 16 -第四章系统软件设计.............................................................................................................. - 17 -
4.1 PID算法的应用 .......................................................................................................... - 18 -
4.1.1平衡的PD控制............................................................................................... - 18 -
4.1.2速度的PD控制............................................................................................... - 19 -
4.1.3速度的PD控制方向的PD控制..................................................................... - 19 -
4.2固定曝光时间，动态软件放大.................................................................................. - 20 -第五章开发工具、安装、调试过程说明.............................................................................. - 21 -
5.1ＩＡＲ集成开发环境................................................................................................... - 21 -
5.2上位机.......................................................................................................................... - 24 -
5.3示波器上位机.............................................................................................................. - 25 -第六章模型车的主要技术参数说明...................................................................................... - 26 -
6.1 智能车外形参数......................................................................................................... - 26 -
6.2 电路部分参数............................................................................................................. - 26 -
6.3 传感器个数以及种类................................................................................................. - 26 -
6.4 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量............................................. - 26 -
6.5赛道信息检测精度、频率.......................................................................................... - 26 -第七章总结.............................................................................................................................. - 27 -附录 ........................................................................................................................................... - 29 -附录A 核心算法子程序.................................................................................................. - 29 -
引言
在半导体技术日渐发展的今天，电子技术在汽车中的应用越来广泛，汽车电子化已成为行业发展的必然趋势。

汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。

汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。

“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车竞赛是由教育部批准并委托自动化分教指委主办，飞思卡尔公司协办，面向全国大学生的重要赛事。

它是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了自动控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。

根据比赛章程，全国大学生智能汽车竞赛是在统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、设计电机驱动电路、编写相应软件以及装配模型车，制作一个能够自主识别道路的模型汽车。

改装后的模型汽车按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。

竞赛集科学性、趣味性和观赏性于一体，吸引了大批同学参与其中，受到了广泛的欢迎。

第一章系统总体方案设计
本章主要简要的介绍智能车的总体设计思路与各个模块的分配，在后面的章节中将分为机械结构部份，硬件电路设部份，软件算法分析部份对智能车做再更一步的简介，各模块将会在各章节中详细论述。

1.1系统总体框图
车模的系统框图及各模块关系如图1.1所示
图1.1系统总图
电源管理模块：主要提供系统各模块正常工作所需要的电源。

稳定、高效的电源模块是系统正常工作的基础。

单片机控制模块：本系统采用由Freescale公司生产的MK60DX256ZVLQ10单片机作为系统的控制核心，它负责控制各个模块间的协调工作，主要接收来自赛道信息采集模块的赛道信息和速度检测模块反馈的速度信息，通过对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量对驱动电机进行控制。

赛道信息采集模块：该模块相当于智能车的“眼睛“，主要负责采集小车所
第一章系统总体方案设计
处位置当前或前面的赛道信息，输出相应的信号供主控芯片处理。

本次大赛光电组采用线性CCD来采集赛道信息。

速度检测模块：该模块主要检测小车的当前速度，作为速度反馈传至控制器，以实现速度的闭环控制。

精准的速度检测，是实现准确控制小车速度的前提。

电机驱动模块：驱动电路是整个系统的重要组成部分，也是高效的算法得以实现的硬件基础。

它主要作为控制电机转速的执行机构，要求能有很好加速和制动性能。

辅助调试模块：辅助调试模块用于构建一个良好的人车交互界面，如智能车调试时的一些重要信息的显示以及一些重要参数的设定等。

第二章系统硬件设计
设计车模控制系统的电路，首先需要分析系统的输入、输出信号，然后选择合适的核心控制嵌入式计算机（单片机），逐步设计各个电路子模块，最后形成完整的控制电路。

系统的输入输出包括：
1.AD转换接口（至少4路）
CCD ：一路，用来传送摄像头采集的信息。

陀螺仪：两路。

一路用于检测车模倾斜角速度，一路用于检测车模转动角速度。

加速度计：一路，测量加速度Z轴输出电压。

辅助调试：（备用）1到3路，用于车模调试、设置作用。

2.PWM接口（2路）
控制左右两个电极双方向运行。

由于采用单极性ＰＷＭ驱动，需要四路PWM 接口。

如果采用双极性ＰＷＭ驱动，可以使用两路。

3.定时器接口（1路）
测量两个电机转速，需要一个定时器脉冲输入端口，另一路用外扩芯片采集。

4.通讯接口（备用）
SCI（UART）：一路，用于程序下载和调试接口；
5.IO接口（备用）
4到8路输入输出，应用车模运行状态显示，功能设置等。

上述接口中，测量重力加速度传感器和车模转动速度的陀螺仪可以简化省略掉。

竞赛允许使用飞思卡尔公司处理器系列，绝大部分都能够满足上面的控制要求。

本参考方案中选择飞思卡尔的DSC 16位处理器MC56F8013作为核心的控制处理器。

2.1主控模块
图2.1 k60最小系统
单片机最小系统板：我们采用的飞思卡尔公司的kinetis系列的单片机MK60DX256ZVLQ10,它是系统的控制核心，具有丰富的资源，足以满足小车的控制。

由于是新出的单片机，基于Cortex-M4内核，对于我们来说，掌握起来难度不小。

2.2电源管理模块
图2.2电源模块
上图为整个小车的电源模块。

组委会提供可充电7.2V电池作为唯一电源，根据我们小车的需要，我们将电源模块分为以下几个部分:电机驱动模块 7.2V，
光电编码器5V。

其电路图为：
图2.3 电源模块pcb
2.3电机驱动模块
BTN7970是由Infineon(英飞凌)公司推出的智能功率驱动芯片，内含电流检测电路、控制驱动电路，以及1个P型和1个N型MOSFET管，可以灵活应用于2相或3相、直流有刷或无刷电机的控制驱动电路中，不仅可以简化电路设计，而且使得控制更加简单。

在过温、过压、欠压、过流和短路的情况下，芯片自动关断输入；当电流超过标定的最大电流时，通过MCU端的I／0使能引脚关断驱动芯片。

为了防止系统在工作过程中因为芯片保护而停止工作，在系统设计时要考虑散热、稳压、过流保护等情况并采取措施。

它所供电压为8～45 V，最大电流为50 A，驱动信号PWM频率为1～25 kHz。

图2.4 电机驱动
采用2片BTN7970组成一个完整的H桥驱动电路驱动l路有刷直流电机，如图所示。

其中，0UT端分别接电机的两端；IS端接下拉电阻，用于配置IS端输出电压的范围；MOTOR_PWM_A与MOTOR_PWM_B，分别输出非零占空比的PWM和零占空比的PWM，保证左右半桥上下背各有一个导通，组成一个回路电机驱动模块由桥构成，H桥具有工作电压范围大，导通电阻小，导通电流大的优点。

同时我们将PWM波控制信号通过与门接入控制端，这样通过这个信号我们可以将H桥的下半桥连接在一起，电机的两端接通，电机处于能耗制动状态。

能耗制动方式在减速性能方面和反转减速相差不大，但是对电机的损害较小，有利于电机的保护。

2.4倾角传感器电路
图2.5陀螺仪与加速度计电路图
图2.5中，将陀螺仪的输出信号放大了10倍左右，并将零点偏置电压调整到工作电源的一半（1.65V）左右。

而对于加速度计则不在放大。

以上电路只是将传感器的信号进行了放大处理，角度和角加速度的计算都是依靠单片机的软件来完成。

对于角度信号的处理也可以通过硬件电路来完成。

其中两陀螺仪和加速度计共占用3个AD口。

我们采用双轴的陀螺仪如图2.6：
图2.6双轴陀螺仪
双轴陀螺仪分别检测车体的倾角与转弯时摆过的角度。

其中对于车体倾角的检测我们用了加速度计与陀螺仪相结合的方式。

陀螺仪输出的电压曲线平滑，但由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。

如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差，所以静态特性差。

而用加速度计进行角度测量时。

由于车模倾角在两个角度位置过渡，除了角度变化信号之外，还存在由于运动引起的电压波动，这个电压波动随着车模运动速度增加会变得很大，这也导致了其动态特性差。

而若将俩信号以一定的比例进行补偿则能较好的解决这个问题。

图2.7 角度滤波曲线
如图2.7所示红线为用陀螺仪测量的角度，黄线为用加速度计测量的角度，蓝线为角加速度。

2.5速度检测传感器电路
测速采用光电编码器方案，并且通过一块金属支架安装在后轮齿轮处（如图3-9），与齿轮耦合。

通过测量齿轮速率，间接测量车体的运动速率。

光电编码器采用欧姆龙的E6A2-CS3C 小型光电编码器，其旋转一周可以输出500 个脉冲信号。

将此信号输入单片机的脉冲捕捉模块可以获得编码器输出脉冲数。

单位时间查看脉冲捕捉数值，并且清零即可获得车体运动速度。

例如：车轮直径为
53mm，可以计算得到车轮周长约为166.5mm，通过测试得到车轮选择一周光电编码器输出脉冲数为2138 个，可以计算得到车行走1mm 输出12.84 个脉冲。

如果1ms 查看一次脉冲捕捉寄存器数值为128.4，则可以计算得到在1ms 时间里车体行走了10mm，则车速为10m/s。

图2.8光电编码器
2.6赛道信息检测（线性CCD）
图2.9 CCD引脚
蓝宙电子TSL1401线性传感器是由蓝宙电子科技有限公司面向智能车竞赛推出的智能车专用传感器。

该产品采用TAOS公司的TSL1401芯片，自主设计电路，并选择适合于智能车竞赛赛道信息采集的镜头制作而成。

该产品具有体积小、重量轻、使用简单、易于固定、接口简单等优点。

本产品经过严格的赛道环境测试，经测试该传感器能够采集到稳定的赛道信号，前瞻较远，能在较远距离采集到赛道黑线，且黑线与背景压差较大，用简单算法即可提取黑线位置信号。

其部分特性如下：
● 体积超小，尺寸（长22mm，宽22mm，高16mm），重量轻
● 采用聚光透镜，成像清晰
● 安装方便，易于组合安装
● 三线接口，采用1mm间距排线
● 可更换不同参数镜头
● 可选偏振片，用于消除赛道反光
● 提供上位机调试软件及下位机测试代码
由于其电压信号无需放大，可直接连接主控芯片。

关于其在不同光线下曝光时间
的调节在软件部分会详细解释。

第三章机械设计
机械部分调校的好，对软件的编写有很大的促进。

有时软件上为达到某个目的，不得不编写大量的代码，而同样的问题，可能在硬件后机械上的稍加修改就能完美的解决问题。

同时，良好的车模机械设计与制作，对于车模稳定运行、安全调试都非常重要。

如下仅就车模简化改装与传感器安装两个方面进行讨论。

3.1车模简化改装
由于今年光电组车模采用了原来竞赛D型车模，它是双后轮驱动，前轮舵机转向的运动模式，而竞赛规定D型车模直立行走，因此车模前轮以及部分相关部件都可以进行简化。

具体可以参照以下改装步骤：
去掉前轮及其支撑部件，去掉后轮悬挂缓冲支架
拆卸后的情况如图3.1所示。

图3.1简化后的D型车模底盘
安装CCD用到包括碳纤杆、碳纤杆底座、CCD固定车模底盘与后轮支架：
3.2加固电机引线
D车模的后轮电机引线管脚非常单薄，多次晃动之后极易从根部折断，造成电机无法使用。

可以增加一个电机转接板，将电机的引线先焊接的转接板上，然后将
转接板固定在电机支架或者车模地板上，这样拆卸相关的电路板时则不会造成电机引线的折断。

图3.2电机引线
我们直接使用热熔胶或者复合胶水对于电机引线管脚进行封装固定，也可以起到保护电机引线的作用。

3.3拨码开关的安装
通过拨码开关我们可以现场进行一些参数的更改。

此外，由于我们共用到两个上位机（CCD上位机和示波器上位机），所以需要用拨码开关来选择使用哪种上位机。

图3.3拨码开关
3.4电池的安装
我们将电池设计在了车体的后方比车轮略高处。

这样有利于车体重心的降
低，使小车在转弯与过障碍时更加稳定，使得算法可以更加的简便。

图3.4 电池
3.5光电编码器的安装
光电编码器采用欧姆龙的E6A2-CS3C 小型光电编码器，其旋转一周可以输
出500 个脉冲信号。

用热熔胶初步固定住编码器，使编码器和电机的齿轮咬合
得恰到好处。

再用硬板以三角架构将其固定。

图3.5编码器
3.6 CCD的安装
主要有三个部分组成：底板安装支架，线性CCD通孔支架。

线性CCD通孔支架穿
过碳素杆用螺栓进行固定，与之相连接线性CCD安装支架可以方便的调节角度。

图3.6ＣＣＤ
底板安装支架可以直接利用原车自带的一字形长孔进行固定，不用自行打
孔，简单方便。

同时底板安装支架中间有直径为5mm的圆孔，固定在碳素杆支架
上。

3.7陀螺仪与加速度计传感器
车模倾角传感器包括陀螺仪和加速度计。

我们将这块带有陀螺仪和加速度计的电路板固定在车模的底部，这样可以最大程度减少车模运行时前后振动对于测量倾角的干扰。

安装角度传感器电路板时应保证陀螺仪传感器水平安装。

图3.7加速度计和陀螺仪模块
第四章系统软件设计
开发软件主要任务包括：
1.建立软件工程，配置DSC资源，初步编写程序的主框架；
2.编写上位机监控软件，建立软件编译、下载、调试的环境；
3.编写实现各个子模块，并测试各个子模块的功能正确性；
4.通过程序初步调试，验证控制电路板的正确性。

开发飞思卡尔公司56800/E系列DSC单片机应用程序环（CodeWarrior for 56800/E Digital Signal Controllers，目前版本v5.9）。

与其它版本的CodeWrrior一样，DSC版CodeWarrior也提供了Processeor Expert功能模块，可以通过工程配置非常方便地生成单片机的各个外设的初始化代码和接口程序，帮助开发者将精力集中在应用程序的开发上。

图4.1软件开发流程图
通过拨码开关我们可以现场进行一些参数的更改。

此外，由于我们共用到两个上位机（CCD上位机和示波器上位机），所以需要用拨码开关来选择使用哪一个上位机。

在上电之前我们预先设计好拨码开关。

在各模块初始化之后有2s 的直立时间，之后进入主循环。

程序在主循环中不停发送监控数据，通过上位机监测。

同时我们设计了一个1ms的定时中断。

在中断中通过循环计数来造成不同
的控制周期。

如CCD的控制周期为20ms，而角度控制周期为5ms。

由于1ms中断中CCD需要读取128个像素点用时较长，在40MHZ的频率下运行时间会超出1ms，时序也会因此紊乱。

为此我们将频率调整至80M以保证严格的1ms中断。

此外，在PWM的控制中我们加入了车模跌倒的判断，一但车模跌倒，则停止车模运行。

车模的直立控制、速度控制以及方向控制、AD的采样都是在中断程序中完成。

图4.2中断
4.1 PID算法的应用
4.1.1平衡的PD控制
图4.3角度控制框图
利用加速度计所获得的角度信息gθ与陀螺仪积分后的角度θ进行比较，将比较的误差信号经过比例1/gT放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进行积分。

对于加速度计给定的角度gθ，经过比例、积分环节之后产生的角度θ必然最终等于gθ。

只要比例1/gT合适则得到的曲线即光滑，有良好的动态
特性，又不会由于角速度积分而产生零点偏移。

4.1.2速度的PD控制
图4.4角度和速度控制框图
角度控制需要两个控制参数，分别是比例控制P参数和微分控制参数D。

速度控制同样也有两个参数，分别是比例控制参数P和微分控制参数D。

在这两个控制中都使用了微分控制，目的是增加车模的角度和速度的稳定性。

4.1.3速度的PD控制方向的PD控制
图4.5转向控制框图
方向控制算法根据车模检测到电磁感应电压来生成电机差动控制量。

通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模距离道路中心的偏差。

通过调整车模的方向，再加上车前行运动，可以逐步消除车模距离中心线的距离差别。

这个过程是一个积分过程，因此车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车
模方向控制。

但是由于车模本身安装有电池等比较重的物体，具有很大的转动惯量，在调整过程中会出现车模转向过冲现象，如果不加以抑制，会使得车模冲出赛道。

根据前面角度和速度控制的经验，为了消除车模方向控制中的过冲，需要增加微分控制。

4.2固定曝光时间，动态软件放大
如果竞赛环境各个方向的光线均匀一致，我们可以在赛车出发前根据环境光线调节一个合理的曝光时间，以得到合理的输出，这样赛车就能采用一个固定的曝光时间跑完全程。

但是这是最理想的情况，实际比赛环境远没有假设的这么理想，实际比赛场馆会有窗户，赛道顶上也可能有灯，因此我们在小车运行前需要根据现场情况对曝光进行调整。

如此反复进行调节就能达到适应环境光的目的。

需要大家注意的是实际曝光量并不是某一个像素的曝光量，因为单个像素是无法反应环境光强度的，实际曝光量应该是一段时间和一定像素点强度的函数。

我们取一次采集到的128个像素电压的平均值作为曝光量当量，设定的曝光量也就是设定的128像素点平均电压。

第五章开发工具、安装、调试过程说明
前面几章一直是在为系统制定方案以及方案的细化。

但整个系统的完善主要还是在系统的现场调试。

在细分的每个模块中，大部分都涉及有众多参数，对这些参数的确定就需要软硬件联合调试。

而这过程就需要一整套开发调试环境已工具。

包括程序源代码的编辑以编译环境，参数调节与设定工具。

5.1ＩＡＲ集成开发环境
IAR Embedded Workbench 是一套完整的集成开发工具集合：包括从代码编辑器、工程建立到C/C++编译器、连接器和调试器的各类开发工具。

它和各种仿真器、调试器紧密结合，使用户在开发和调试过程中，仅仅使用一种开发环境界面，就可以完成多种微控制器的开发工作。

如同Windows操作系统其它一般的软件安装一样，单击setup.exe进行安装，你将会看到如图5.1的界面。

图5.1 安装开始
图5.2 认证序列
输入的认证序列以及序列钥匙正确后，单击“NEXT”到下一步，如图4所示，在你将选择完全安装或是典型安装，在这里我们选择完全安装。

当进度完成后，它将跳到下一个界面，到此我们便完成了安装的步骤。

图5.3 安装完成
仿真调试编译好后接下来就是调试程序了。

首先你需要连接你的硬件平台才能进行调试。

在计算机与ZigBee硬件系统连接前，你需要确保你已在你的计算机上安装了必要的仿真器驱动。

安装完成仿真器驱动后，通过USB接口把ZigBee开发系统与计算机连接。

选择菜单Project\Debug 或按快捷键CTRL+D进入调试状态，也可按工具栏上按钮进入调试。

进入调试后，整体窗口如图5.5：
图 5.5 调试界面
设置并监控断点。

使用断点最便捷的方式是将其设置为交互式的，即将插入点的位置指到一个语句里或靠近一个语句，然后选择Toggle Breakpoint 命令。

在BK1KeyInit语句出插入断点。

在编辑窗口选择要插入断点的语句，选择菜单Edit\Toggle Breakpoint 。

或者在工具栏上单击按钮，如图：
图 5.6 调试
设置一个断点这样在这个语句设置好一个断点，用高亮表示并且在左边
标注一个红色的“X”显示有一个断点存在。

可选择菜单View\Bradkpoint 打开断点窗口，观察工程所设置的断点。

在主窗口下方的调试日志Debug Log 窗口中可以查看断点的执行情况。

如要取消断点，在原来断点的设置处再执行一次Toggle Breakpoint 命令。

5.2上位机
我们用到的上位机有两个（CCD上位机和“示波器”上位机）。

并且波特率均为9600.
CCDView 软件由CCDView.exe、ComDataHook.dll 组成。

CCDView主要用于显示用户CCD传感器采集的数据，并以图像的方式显示。

条形码：CCD采集的数据，以灰度的方式表示，每个竖条代表一个数据。

曲线图：横坐标为CCD数据的偏移，纵坐标为灰度值（0~255）。

图 5.7 CCD上位机
5.3示波器上位机
图 5.8 示波器上位机
该上位机共有4个通道，分别将数据用4种不同颜色的曲线表示出来。

第六章模型车的主要技术参数说明
6.1 智能车外形参数
车长：8cm
车宽：16cm
车高：36cm
车重：约900g
6.2 电路部分参数
我们小组所改造的智能车采用一块比赛标准7.2V电池供电，容量总计1469uF。

当模型车全功率开动时，功耗约为15W。

6.3 传感器个数以及种类
我们改造的智能车共使用1个CCD，2个测速编码器，2个陀螺仪和一个加速度计。

6.4 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量
除了车模原有的驱动电机、舵机之外没有使用伺服电机。

6.5赛道信息检测精度、频率
赛道信息检测精度是5.8mm，频率是7.5ms。