飞思卡尔智能车竞赛设计方案

飞思卡尔智能车竞赛设计方案
“神马”队设计方案
摘要
本文以“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛为主题，介绍了智能赛车从机械结构设计到控制系统的软硬件设计流程。

本次比赛使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模及套件，采用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器作为核心控制单元，配合不同类型的传感器、驱动电机、转向舵机、直流电池、以及相应的驱动电路，使赛车能够自主识别路径，并控制模型车高速稳定地在跑道上运行，在规定时间内完成跑完赛道的任务。

第一章背景
1.1“飞思卡尔”杯背景介绍
“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以S12 单片机为核心的大学生课外科技竞赛。

使用大赛组委会统一提供的竞赛车模、转向舵机、直流电机和可充电式电池，采用飞思卡尔 16 位微控制器
MC9S12DB128B作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加场地比赛。

比赛成绩主要由赛车在现场成功行驶完赛道的时间为主。

全国大学生智能汽车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，它由大赛组委会统一提供。

参赛队伍通过设计单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。

在保证模型车运行稳定，即不冲出跑道的前提下，跑完两圈的时间越小成绩越好。

设计自动控制器是制作智能车的核心环节。

自动控制器是以单片机为核心，配合有传感器、电机、舵机、电池、以及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。

比赛跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽 25cm。

比赛规则限定可赛道宽度和拐弯最小半径等参数，赛道具体形状在比赛当天现场公布。

控制器自主识别引导线并控制模型车沿着赛道运行。

在严格遵守规则中对于电路限制条件，保证智能车可靠运行前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同时坚持充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。

比赛要求控制器必须采用MC9S12DB128B作为系统唯一控制处理器。

系统开发工具及在线调试工具可以自选(可选择使用CodeWarrior 3.1 作为开发软件，选择清华大学制作的 BDM 调试工具进行在线调试)。

车模可以改装，但改装部位，及改装后其长宽尺寸都有限制。

这就要求我们在有限材料和有限时间的条件下学习掌握S12 单片机的整套开发系统的使用方法，并能根据自身所学的有关力学、机械学、计算机技术、数模电和检测技术等知识自主设计开发一套完整的自助循线行驶系统。

这是对我们的将所学各学科知识综合运用和动手实践能力的很好的培养。

对我们这样在大学四年里很少有机会参加科技实践的学生来说是一次很好的锻炼机会。

在国外，相关赛事在韩国从2000年开始已经举办了近六届，每年韩国大约有100 余支大学生队伍报名并参赛，该项赛事在韩国取得了很好的成功。

深受高校及大学生的欢迎，并得到了企业界的极大关注。

参考韩国相关比赛中成功的案例，在关于路径识别的问题上，大都选用光电传感器作为自己的方案，但传感器在检测及处理信号方面和对其排布方面都有所不同。

他们在传感器的数量、排布方面，通常是将地面信息用数字量或是模拟量来完成数据采集，通过计算机进行数据处理，有些想法是比较新颖的，这些问题都值得我们借
第五章开发工具及制作调试过程鉴和进一步研究。

同时在韩国的方案里面，也有些是采用CCD，或者是将 CCD和光电传感器结合使用来完成车模循迹的，在这些方案里面也有很多成功的案例。

其他方面如车模的改装、动力驱动、转向控制，以及控制算法方面等，韩国选手的方案也都有各自的创新和值得我们学习和进一步研究的地方。

因其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机和机械等多个学科，培养了学生对知识融合和实践动手能力。

在国内， 2005年教育部成功将这项赛事引入中国。

由飞思卡尔公司资助，清华大学承办了这项赛事。

全国有五十多所学校共派出一百多支队伍参赛。

最终，清华大学二队获得第一名，交大之星队以 0.4秒之差屈居第二。

赛事的成功举办，引起了全国各高校和众多学生的兴趣。

今年的比赛将更加引人注目。

每年比赛将在七月中旬开始预赛，八月将进行决赛。

全国共分成五个赛区，先进行初赛，优胜者将进入全国总决赛。

1.2 第六届竞赛规则
参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加场地比赛。

参赛队伍之名次(成绩)由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定。

组委会制定如下竞赛规则，在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。

组委会将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。

比赛过程中，如果赛车碰到赛道两边的立柱并使之倾倒或移动，裁判员将判为赛车冲出跑道。

赛车前两次冲出跑道，选手可以申请恢复比赛，即将冲出跑到赛车重新放置在裁判指定的赛车冲出跑道的位置，恢复比赛。

整个恢复比赛过程中计时不间断。

选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。

比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败:
1) 裁判点名后，2分钟之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备;
2) 比赛开始后，赛车在30秒之内没有离开出发区;
3) 赛车在离开出发区之后10分钟之内没有跑完两圈;
4) 赛车冲出跑道的次数超过两次;
5) 比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车;
6) 决赛前，赛车没有通过技术检验。

如果比赛失败，则不计成绩。

比赛中禁止:
1) 不允许在赛道周围安装辅助照明设备及其它辅助传感器等;
2) 选手进入赛场后，不允许进行任何硬件和软件的修改;
3) 比赛场地内，除了裁判与1名队员之外，不允许任何其他人员进入场地;
4) 不允许其它影响赛车运动的行为。

对于智能竞赛车模
1) 禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎;
2) 禁止改动驱动电机的型号及传动比;
3) 禁止改造滚珠轴承;
4) 禁止改动舵机;
5) 禁止改动驱动电机以及电池，车模主要前进动力来源于车模本身直流电机
及电池;
6) 为了车模的行驶可以安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助
支架等。

电路器件及控制驱动电路限制
1) 核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以采用MC9SDG128自制控制电路板,除了DG128MCU之外不得使用辅助处理器以及其它可编程器件;
2) 伺服电机数量不超过 3个;
第五章开发工具及制作调试过程
3) 传感器数量不超过16个(红外传感器的每对发射与接受单元计为1个传感器，CCD传感器记为1个传感器);
4) 直流电源使用大赛提供的电池;
5) 禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力;
6) 全部电容容量和不得超过2000微法;电容最高充电电压不得超过25伏。

可以选择参数:
1) 开发软件可以选择CodeWarrior 3.1，也可以另行选择;
2) 开发调试硬件可以选择 BDM(清华大学制作)工具，也可以另行选择;
3) 电路所使用元器件(传感器、各种信号调理芯片、接口芯片、功率器件等)种类量
都可以自行设计选择。

赛道基本参数(不包括拐弯点数目、位置以及整体布局)
1) 赛道路面用纸制作，跑道所占面积不大于5000mm* 7000mm，跑道宽度不小于600mm
2) 跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm;
3) 跑道最小曲率半径不小于500mm;
4) 跑道可以交叉，交叉角为90?;
5) 赛道为二维水平平面;
6) 赛道有一个长为1000mm的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度
100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与结束时刻。

1.3 智能车整体简介
智能车系统是由几个不同功能的模块组合而成的控制系统。

系统完成从传感器采集信息、微控制器对信息处理并控制执行机构输出控制量的整个过程。

为了使赛车能够快速、准确的沿着赛道运行，要求微控制器能够将对赛道信息处理，转向伺服电机和直流驱动电机的控制紧密的结合在一起。

从传感器信息采集、信息处理、转向伺服电机控制、电机转速控制，任何一个环节出现问题都会导致赛车不能正确的跟踪赛道行驶甚至偏离赛道。

因此智能车各个模块之间的协调工作是其正常行驶的基础。

智能车系统在结构上包括以下模块:单片机模块、电源模块、电机及其驱动模块、舵机控制及驱动模块、车速测量模块和路径识别模块。

该方案设计的智能车是使用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器作为核心控制模块，通过设计相应的外围电路、编写驱动、控制程序以及安装、调整车模等，制作一个能够自主识别并沿赛道行驶的模型汽车。

智能车通过图像传感器感知赛道信息，控制赛车的行进方向和行驶速度。

以下将分章节详细阐述路径识别方案、机械调整方案、硬件设计方案以及软件设计方案的具体过程和结果。

第二章路径识别方案
路径识别功能即是在白底黑线的赛道上自动识别行驶的路线，检测赛车相对于赛道的偏移量、方向等信息使赛车自主沿着赛道运行。

为了提高赛车对赛场环境的适应能力，实现其自主沿着赛道快速而稳定的运行，必须选择合适的采集赛道信息传感器，设计合理的路径识别方案，以确保获取足够多、足够远、足够精确的赛道信息来提高赛车的运行速度。

路径识别的主要要求是准确、快速、尽量超前地采集路面信息，把它转变成点信号，传送
第五章开发工具及制作调试过程到单片机中处理，可见路径识别方案的好坏，直接关系到赛车的性能，影响着比赛的结果。

通过查阅历届竞赛的技术报告等有关资料，对通常使用的路径识别方案总结如下: 2.1 采用反射式红外发光管:
原理:通过红外发光管发射红外光照射赛道，白色的赛道表面与黑色的引导线表面具有不同的反射强度，利用红外接收管可以检测到这些信息，区别黑白色两种颜色。

通过合理安排红外发射/接收管一般安装在赛车前端，可以布置成一排，也可布置成多排。

优点:电路简单，信号处理速度快。

光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与控制方法密切相关。

缺点:感知前方赛道距离有限，受外界红外频段光线干扰，精度比较低。

光电管相对的感知距离较近并且只能提供非常少的前方车道走势信息。

传感器方式:
, 数字式
比赛组委会要求传感器个数最多为16个，除掉1个转速传感器，可用于探测路径的传感器为15个，而传感器允许布置的总宽度为25cm，采用数字式光电传感器均匀分布，对道路的探测精度只能达到17mm左右，使赛车在前进过程中很难达到很高的控制精度和响应速度。

从本质上讲，数字式光电传感器的劣势就在于它丢掉了路径探测中的大量信息。

, 模拟式
模拟式光电传感器从理论上可以大大提高路径探测精度。

模拟式光电传感器的发光和接收都是锥角一定的圆锥形空间，其电压大小与传感器距离黑色路径标记线的水平距离有定量关系:离黑线越近，电压越低，离黑线越远，则电压越高(具体的对应关系与光电管型号以及离地高度有关)如图2所示。

图2 传感器电压与偏移距离关系示意图
因此，只要掌握了传感器电压—偏移距离特性关系，就可以根据传感器电压大小确定各传感器与黑色标记线的距离(而不是仅仅粗略判断该传感器是否在线上)，进而获得车身纵轴线相对路径标记线的位置，得到连续分布的路径信息。

2.2采用电磁传感器:
原理:比赛赛道黑线下为电流约为20KHz、100mA的导线，通过电磁传感器整列来感应20KHz的磁场信号，经过放大电路放大后，得到正弦波，再用AD采样，得到正弦波的峰值，以判断电磁传感器距离导线的距离，从而定位车模路径所处位置。

特点:磁场是矢量，在空间的分布具有方向性，所以传感器检测到的信号也有特定方向性。

在实际检测中会发现，不同方向传感器的变化规律有很大不同，这与磁场的分量变化规律相一致。

比如，磁场垂直分量变化的比较早，但是受相邻赛道的影响较大，在磁场的水平分量恰好相反。

因此，对十字线交叉道路的识别较为困难，干扰较大。

传感器分类:
第五章开发工具及制作调试过程 , 霍尔传感器
霍尔装置的应用包括齿轮传感、旋转位置传感器和电流传感器。

硅片中霍尔效应在百分之几到几千奥斯特德范围内是呈线性变化的，可检测的最小磁场为1奥斯特的数量级。

, 磁阻传感器
各向异性磁阻(AMR)发生在铁质材料中。

当施加的磁场垂直于用铁质材料制成的薄板中的电流时，它本身的电阻明显有变化。

磁阻传感器沿着空间一个方向的磁场，在此模式范畴内，它们属于霍尔效应传感器和QUID(超导量子干涉装置)之间的传感器。

磁阻传感器通常用于测量微奥斯特到10奥斯特的磁场。

, 磁通门传感器
根据法拉第电磁感应定律，通常用两个磁铁材料制成的杆，也可用一次或二次绕组绕成的环或圈。

磁通门的输出时驱动频率f的第二谐波。

施加一个小磁场时，第二谐波的波幅与施加的磁场成正比。

可以在制造工艺上使用非常敏感，分辨率最低为1奥斯特。

可以测量直流或交流磁场。

频率上限为1KHz。

与霍尔和磁阻传感器相比，它的尺寸规格较大，价格更贵。

2.3 采用摄像头方式采集:
原理:通过摄像头镜头焦距的不同，可以将车模前方不同范围的道路图像映射到器件中，得到车模前方的道路信息，对图像中的道路参数进行检测。

通过对检测的图像用适当的图像处理方式进行处理后，可以获得赛道的中心位置、道路形状、弯道曲率等信息。

优点:可以获得较远路径信息，可以有效进行车模速度控制，提高了车模运行速度并且增加路径跟踪精度。

缺点:图像处理计算量大，处理速度慢，实时性不高，电路设计相对复杂。

传感器方式:
, CCD图像传感器
CCD传感器拍摄赛道图像是以PAL制式信号输出到CCD信号处理模块进行二值化(或连续化)并进行同步信号分离，二值化(或连续化)后的数据和同步信号同时输入到S12控制核心，进行进一步的图像处理。

其优点是对比度高、动态特性好。

缺点是工作电压一般为12V，需要升压模块，耗电量较大，且图像稳定性不高。

, CMOS图像传感器
CMOS图像传感器是在CMOS集成电路工艺成熟的基础之上发展的，转换图像原理与CCD传感器基本相同，但相对于CCD图像传感器，它具有较低电源功耗、较高的感光度以及更灵活的图像捕获能力等特点。

CMOS摄像头又可分为数字式和模拟式两种，通过查阅往届参赛队的设计方案，对于数字式选择的较少，虽可通过对单片机内部寄存器进行适当设置来提高帧速率，但受环境影响较大，适应性较差。

故多使用模拟式摄像头类型。

根据对上面三种不同组路径识别方案的总结和比较，首先，考虑到电磁传感器的抗干扰下差，以及获得赛道信号的单向性，排除选择电磁传感器识别的方案，其次，对于光电识别和摄像识别两种方案，我们综合列出了他们的优缺点，比较如下表:
路径识别方案优点缺点
CMOS摄像头方式范围宽、检测信息更新速度慢、
前瞻距离远、数据量大，
抗干扰能力强处理复杂，
电路设计相对复杂。

反射式红外发光管检测信息速度快、道路检测信息精度低
电路设计简单检测前瞻距离较短
调试简单功耗相对较大最好，综合讨论与分析后，我们选择了使用CMOS摄像头方式中的模拟信号传感器来采集赛道信息作为我们的路径识别方案。

第五章开发工具及制作调试过程
第三章机械结构调整方案
3.1 前轮定位的调整
赛车在正常行驶过程中，为了使其直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，并减少轮胎和转向零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的相对安装位置，称为车轮定位。

其主要定位参数包括:主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮前柬。

(1)主销后倾角
垂直线在主销在赛车的纵向平面内(汽车的侧面)有一个向后的倾角y，即主销轴线与地面汽车纵向平面内的夹角，称为“主销后倾角”，如图3 1所示。

图 3.1
采用主销后倾角的原因是由于汽车在车轮偏转后会产生一个回正力矩，纠正车轮的偏转。

例如，一辆直线行驶的汽车偏离行驶方向而向右偏转时，由于汽车离心力的作用，在车轮与路面接触点处会产生,个路面对车轮的侧向反作用力Y(由于其不通过轴线，而形成使车轮绕主轴线旋转的力矩YL，其方向与车轮偏转方向相反，所以能使车轮恢复到原来的
,位置，从而保持了汽车直线行驶的稳定性。

由此可见，后倾角越大，车速越高(车轮偏转后自动回正能力越强，但回正力矩过大(将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并导致转向沉重。

通常后倾角设定为1,3度。

汽车由于速度增高，轮胎气压降低，弹性增加(所
,以稳定力矩也增加，因此角可以减少到接近于l度，甚至为负值。

为了使赛车转向灵活，主销后倾角可设定为0度。

欲增大回正力矩，可以将后倾角设的大一点。

由于本次比赛采用的转向舵机性能偏软，会造成模型车转弯迟滞，因此后倾角不宜设定过小，赛车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于竞赛所用的转向舵机力矩不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞(以便增加其转向的灵活性，根据试验确定主销后倾角为3,4度。

(2)主销内倾角
主销在汽车的横向平面内向内倾斜一个口角，即主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角(称为“主销内倾角”，如图3 2所示。

第五章开发工具及制作调试过程
图3(2
主销内倾角也具有使车轮自动回正的作用，当转向轮在外向力作用下发生偏转时，,
由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部被抬起一定高度，当外力的作用消失后，车轮就会在重力的作用下恢复到原来的中间位置。

另外，主销内倾角还会使主销轴线延长线与路面交点到车轮中心平面的距离c减小，与此同时，转向时路面作用在转向轮上的阻力矩也会减小，从而可减少转向时转向舵机施加在左右横拉杆上的作用力，使转向操纵轻便，同时也减少了由于路面不平而从转向轮输出到
转向舵机上的反馈，但c不宜过小，即主销内倾角不宣过大，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，轮胎与路面问将产生较大滑动，从而会增加轮胎与路面间的摩擦力。

这不仅会使转向变得沉重，还将加速轮胎的磨损。

通常汽车的主销内倾角不大于8度，力臂c为40,60mm。

通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，根据试验效果，确定主销内倾角为6度左右。

主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。

不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主
销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。

(3)前轮外倾角
通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，称为“前轮,外倾角”，如图3 2所示。

轮胎呈现“八”字形张开时称为负外倾，而呈“v”型张开时称为“正外倾”。

前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或消除主销与衬套、轮毂与轴套等处的装配间隙，使车轮接近垂直路面滚动而滑动，同时减小转向阻力，使转向轻便;另一方面还可以防止由于路面对车轮的垂直反作用力的轴向分压力压向轮彀外端的轴承，减小轴承及其锁紧螺母的载荷(从而增加这些零件的使用寿命，提高汽车的安全性。

一般前轮外倾角为1度左右，而现代汽车高速化，急转向等工况要求前轮外倾角减小甚至为负值。

由于竞赛用智能汽车主要用于比赛速度，设计中要尽可能的减轻重量，所以底盘承重不大，故将前轮外倾角设定为0度，其关键是前轮前束要与之相匹配。

(4)前轮前束
当车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。

由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑移的现象，从而增加了轮胎的磨损。

在安装车轮时，为消除车轮外倾带
来的这种不良后果，可以使汽车两前轮的中心平面不平行，并使两轮前边缘距离R 小于后边缘距离A，A与R的差值称为“前轮前束”，如图3 3所示。

一般前束值为0,12mm。

像内“八”字样前端小后端大的称为“前束”，而像外“八”字样前
端小后端小的称为“后束”或“负前束”。

第五章开发工具及制作调试过程
该赛车是由舵机带动左右横拉杆实现转向。

主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度可改变前轮前束的大小。

左拉杆短，可调范围为10.8,18.1mm;右拉杆长，可调范围为29(2,37(6mm。

由上述原理可知，前轮前束与前轮外倾角相匹配，因前轮外倾角设为0度，则前轮前束为0mm或只有很小的前轮前束值。

虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。

3.2车体重心位置调整
汽车重心是指汽车重力的作用点，其位置的改变会影响汽车的动力性、制动.
性和操纵稳定性等，就以上特性来讨论车体重心位置的调整。

(1)对动力性能的影响
汽车正常行驶必须满足驱动一一附着条件:。