飞思卡尔 北航神箭一队技术报告

第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技术报告学校：北京航空航天大学队伍名称：北航神箭一队参赛队员：陈妮亚范成家郑敏带队教师：陈博、何勇灵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二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛关于保留、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)1.1 智能车制作情况概述 (4)1.2 技术报告内容框架安排 (4)第二章智能车机械改造设计 (5)2.1 光电支架和安装 (5)2.2 测速发电机安装 (5)2.3 舵机的安装 (6)2.4 车模参数调节 (6)第三章智能车控制电路设计 (7)3.1 激光扫描器检测基本原理 (7)3.2 硬件电路 (8)3.2.1 电路设计目的 (8)3.2.2 赛道引导线的基本检测原理 (9)3.2.3 激光驱动电路 (10)3.2.4 信号检测电路 (10)第四章智能车控制软件设计 (12)4.1 位置信息获取 (12)4.2 控制算法设计 (14)4.2.1 智能车系统软件设计思想 (14)4.2.2 软件构成 (14)第五章智能车设计总结 (15)第一章引言1.1 智能车制作情况概述全国大学生智能汽车竞赛是一个涉及控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的科技创意性比赛。

经过几个月的努力，我们使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器MC9S12DG128B单片机作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，完成了智能车的制作和调试。

飞思卡尔智能车比赛的赛道，由白色泡沫材料及其中心的黑色引导线组成，对赛道信息捕获的效果好坏，直接决定着智能车的速度及控制性能。

通常采用的路径检测方式，不外乎CCD与光电两种。

CCD方案具有先天的优势，不仅能得到前方赛道的丰富信息，而且可实现远距离的前瞻，对车模重量及稳定性的影响也很小；而光电方案受传感器数量、车模重量及稳定性所限，获得的赛道信息十分有限，前瞻距离也不足，使得使用光电管方案的队伍成绩普遍不如使用CCD 方案的队伍。

为得到大前瞻、连续性好的信息，我们在赛车中使用了激光扫描器，它利用快速摆动（或旋转）的镜面，反射能量高度集中的激光束，使激光束的出射角度随着反射镜的运动产生连续的变化，从而投射出一条扫描线。

虽然只有一个光电检测器和一个光源，但由于反射镜的高扫描频率，使得扫描器几乎可以同时得到一行的图像信息。

而控制算法中，速度控制采取分区间不同速度控制，舵机采取简单的PD控制1.2 技术报告内容安排说明此技术文档的正文部分主要包括三个部分：机械改造设计（第二章），控制电路设计（第三章）和控制软件设计（第四章）。

机械改造设计部分主要叙述我们在大赛允许范围内对智能车机械部分的改造；控制电路设计部分主要叙述各个模块的电路设计方案以及相关电路，其中包括了智能车的主要技术参数说明；控制软件设计部分主要叙述光电传感器的信号采集处理，以及智能车自主寻线的控制算法，其中包括了开发工具的介绍和调试过程。

第二章智能车机械改造设计根据比赛规则，我们对模型车进行了机械设计和改造，主要包括CCD支架和测速电机支架的设计、舵机的安装，以及车模底盘参数的调节。

图2.1 赛车整体图2.1 光电支架和安装光电支架的作用是合理的安装和固定好激光传感器的位置，为了保证获得稳定的赛道信息，支架必须有足够的强度和刚度，同时要求质量较轻。

安装的高度和角度在调试过程中可以根据需要方便地做出调整。

本文中光电支架及其安装如图2.1。

支架的两个长杆采用碳素纤维材料，质量轻，强度高。

2.2 测速发电机安装我们采用测速发电机实现对驱动电机转速的检测，可以实时地获得准确的运行速度，同时，也需要考虑测速发电机的安装和固定，保证小车机械上的可靠和灵活。

通过齿轮传动的方式将测速电机上小齿轮与差速齿轮啮合，并且改变传动比，让测速电机和驱动电机等速。

测速发电机安装如图2.2。

图2.2 测速发电机支架2.3 舵机的安装舵机响应时间很大程度上决定了小车的灵活性，从而决定着小车在一定赛道条件下的极限速度。

为了加快车轮转向响应速度，我们设计并安装了舵机转向机构。

在并非改变舵机本身结构的条件下，改变了舵机的安装位置，舵机安装高度的最佳值通过试验获得。

舵机支架如图2.3。

图2.3 舵机支架2.4 车模参数调节根据汽车理论对底盘参数进行了调节，具体包括车模前后轴的高度、差速齿轮的松紧和主销的角度等。

第三章智能车控制电路设计3.1激光扫描器检测基本原理将激光扫描器应用于路径检测，需要做许多额外工作。

激光扫描器的基本原理与基于红外路径探测的原理类似，但存在如下不同点：1、激光扫描器通常使用波长为650nm的激光管作为光源，能量高度集中，远距离时光束发散角仍然很小，检测距离远且分辨率高，而红外光电检测方案，其光源发射角大，检测距离有限且分辨率低。

2、激光扫描器增加一个可控的振镜或旋转棱镜，实现动态扫描检测，可以获得一维图像信息，利用多个（通常3个就足够了）一维激光扫描器，可以获得与CCD方案近似的图像信息，而一对红外光电传感器仅能获得一个“像素”信息，要想获得足够的赛道信息，必需足够多的光电传感器，受规则所限，同时还要考虑到车模重量及稳定性，相对于CCD方案，光电方案获得的信息十分有限。

我们应用的扫描器重量不足8g，大小与一块普通橡皮擦相当，经过适当的改造和增加附属电路，成功地应用于智能车路径检测。

光学部分：图1 激光扫描器光路原理图如图1所示，激光扫描器光学部分含如下装置：激光二极管、准直透镜、平面镜、凹面镜、滤光片、光敏二极管、振镜。

振镜由三部分组成：反射镜、固定于反射镜背面的永磁铁和用于固定反射镜的支架，支架可在一定角度内自由旋转。

由激光管发出的光经准直透镜聚焦后，成为平行光进入平面镜，经平面镜反射后穿过凹面镜中央的小孔，抵达振镜，由于振镜的周期运动改变其角度，故光束由振镜的出射角亦作周期变化，形成扫描线。

与此同时，出射光在赛道上的漫反射光线通过振镜镜面，进入凹面镜的聚焦范围，经凹面镜聚焦后的光线，通过中心波长为650nm的滤光片滤除干扰光后，由光敏二极管转换成与光强相对应的光电流，再由后续硬件电路处理。

电路原理：图2 激光扫描器电路框图如图2所示，激光扫描器包括以下电路：控制电路:用于控制和和监视各个模块电路工作，若发生故障，则立即关闭激光管的输出，以避免高能量的激光点光源对人眼造成伤害。

激光管驱动电路：用于驱动激光管发出激光束。

由于激光管的输出功率受温度影响较大，故通常在激光管内部设有一个光敏二极管，以监测激光功率。

驱动电路使用此光敏二极管的输出信号构成功率闭环控制电路，从而稳定激光管的输出功率。

振镜驱动电路：振镜驱动电路用于驱动电磁线圈产生大小、方向可控的磁力，作用在反射镜背面的永磁铁上，从而控制振镜的往复运行，形成扫描线。

同时，振镜驱动电路还输出一个用于指示扫描起始的同步信号，用于后续信息处理。

电流—电压转换电路（I/V转换电路）：光敏二极管所产生的是随光强变化的电流，为便于后续电路处理，设置电流—电压转换电路，将光强转换为电压信号。

二值化：由光强转换得到的电压信号，经过动态阈值比较器，转换成0或1的二值化数字信号，分别指示了条码中的黑线与白区，最后由外部条码解码系统得到条码信息。

3.2 硬件电路3.2.1 电路设计目的激光条码扫描器输出的信号并不能直接用于赛道路径检测，主要原因如下：1、为了准确检测到宽度为mil级的条码，激光扫描器的光源光斑直径非常小，其二值化输出信号对被测物十分敏感，以至于赛道上的黑斑、破损、缝隙等均可能导致错误输出，给后续的处理带来了困难，也大大降低了可靠性。

2、出于安全考虑，小型激光条码扫描器都使用小功率的半导体激光管，功率通常不会超过5mW，检测距离有限，并且使用时要求光束尽可能与条码面垂直，以获得足够的反射光。

为了使小车获得足够的前瞻，我们希望其检测距离能达到70cm左右（自车头开始计），并且为了稳定重心，希望扫描器的安装位置尽可能低，这势必增大扫描线与赛道垂直面间的夹角，扫描器的反射光将大幅减少，使扫描器的检测距离与要求相差甚远。

为了解决这些问题，我们仅利用扫描器的光学系统和振镜驱动电路，自行设计其它附属电路，主要设计如下：1、直接从扫描器中的I/V转换电路引出光强信号，结合其扫描同步信号，利用自行设计的电路完成赛道检测的硬件电路部分。

2、将原扫描器上的小功率激光二极管更换成相同波长、同种封装的大功率激光二极管。

我们使用的是50mW的激光二极管，但原先的驱动电路不能与之匹配，故自行设计了激光驱动电路，并稍稍调整激光二极管的安装位置，有意使其偏离准直透镜的焦点位置，从而使扫描线适当加粗，降低扫描器对干扰目标的敏感度。

3.2.2 赛道引导线的基本检测原理：图3 激光扫描器信号图如图3所示，示波器的CH1接扫描同步信号，同步信号一个周期代表着两个扫描周期：高电平部分为从左到右扫描，低电平部分反之。

通道CH2为I/V电路输出的光强信号波形，由实验可知，此波形中凹槽的宽度、位置与赛道中央黑色引导线的宽度、位置相对应，改变扫描线与引导线的相对位置，凹槽的位置也相应改变。

值得注意的是，随着同步信号的高低电平变化，凹槽的位置呈水平镜像翻转。

通过分析信号波形，我们可以发现引导线信号（即波形中的凹槽部分）的两个特点：1、电压变化率（du/dt）最大，分别出现在引导线的两侧；2、引导线信号的宽度与实际宽度呈对应关系。

由此，可以利用微分放大电路获得两个大幅度、方向相反的du./dt信号（如CH3所示），再利用两个比较器将两个信号检出（CH4），最后由DG128的输入捕捉模块测量出脉冲的宽度与位置。

3.2.3 激光驱动电路：大功率半导体激光二极管通常不带有光敏检测管（PD），因此，我们没有使用功率闭环电路，而是采取了一个可调恒流源控制电路，使激光二极管的输出功率能在合适的范围内调节。

如图4，电路的核心部分是由LM317L（三端可调稳压器）构成的恒流源电路，其最小输出电流：1.25V / (R22 + R10) ≈ 57mA；最大输出电流：1.25V /（R22）≈ 104mA恒流电路为激光二极管提供了稳定的驱动电流，保证激光二极管的输出功率符合要求。

此外，为了在待机状态下减少功耗，电路中设计了关闭激光管的功能（由Q2、R21、U3F构成）。

图4 激光驱动电路3.2.4 信号检测电路：考虑到激光扫描器内的光敏二极管输出信号十分微弱，而我们自行设计的电路与扫描器有一定距离，如果直接将光敏二极管引入到我们的测量电路，会产生较大的干扰，因此，我们从扫描器内的I/V电路的输出引出光强信号，I/V输出电路的阻抗较低，可以有效防止信号被干扰，如果读者无法找到这个信号，可以在离光敏二极管尽可能近的位置，使用微型封装的单运放电路实现一个I/V电路，参考电路如下图5。