华东赛区光电组南京邮电大学光电组SEA_6技术报告

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4.1.2 二值化及动态阈值
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4.2 赛道中线提取
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4.3 起跑线检测算法
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4.4 驱动电机的 PID 控制算法
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4.4.1 PID 控制算法简介
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IV
4.4.2 PID 控制算法参数整定
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4.5 转向舵机的 PD 控制算法
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第五章 系统开发工具调试、安装及调试说明
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5.1 Code warrior 集成开发环境简介
图 2.2 TPS7350 原理图
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第二章 系统电路设计及实现
舵机工作时需要较大的电流才能正常工作，因此我们选用最大输出电流较大 的 LM2940 对舵机进行供电。同理，我们使用另一块 LM2940 同时为编码器，无 线串口进行供电。
图 2.3 LM2940 原理图
2.2.2 +12V 供电 +12V 稳压芯片我们通常用 MC34063 或是 LM2577。经过权衡，我们使用 MC34063 对电桥驱动器进行供电。
在不影响顺利通过坡道的前提下，车体底盘越低越能降低车子的重心，可使 车子在拐弯时更加稳定，高速。
我们在转向轮处增加了垫片，以降低转向轮处底盘高度。如图 3.4 所示
图 3.5 前摆臂下垫片
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对于车体重心的调整，小车的重心在车体几何中心稍微靠后的位置，这样不 仅可以提高前轮转向的灵活度，也可以增加驱动轮在较高速度运转时整车的稳 定性。为此我们最后决定把电池安装在小车的后方
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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 章节中将分为硬件电路设计部份，机械结构部份，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 系统整体框图
小车大体在方向上分为三个部分：硬件部分、机械部分、软件部分。其系统 图如图 1.1 所示
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图 2.1 MC9S12XS128 最小系统
2.2 电源稳压电路
本系统中电源稳压电路分别需要有+5V，+12V 供电。除了+12V 给电桥驱动 器 IR2104 芯片供电外，其他元件均用+5V 供电。
2.2.1 +5V 供电 智能车需要使用+5V 供电的元件有：单片机最小系统，舵机，CCD，无线串 口，编码器。根据不同元件工作时对负载，压差等条件的要求我们选用了不同 的+5V 稳压芯片进行供电。 单片机和 CCD 工作电流不大，但工作时比较容易受到电源波纹的影响。 TPS7350 压差低，功耗小，输出电压波纹小。且 TPS7350 仅需要四个 10uf 电容 就能组成高效的电源稳压电路。但由于 TPS7530 的最大输出电流仅有 500MA， 因此我们使用两个 TPS7350 给单片机和 CCD 分别供电。
图 3.9 车轮束角
在实际使用中，我们的主销内倾角和主销后倾角均使用了车模本身的参数， 车轮束角用了大约 1°的外束。如图
图 3.10 转向轮定位
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3.5 保护装置
第三章 系统机械设计及实现
由于今年车模多采用转向轮在前的运行方向，这样在调试过程中当小车受到 撞击时，放置在车前方的舵机很容易受到外界的冲击力导致损坏（主要是外力 导致舵机齿轮碎裂）。这就需要在车前安装足够结实的保护装置来对舵机进行 保护。
图 2.7 拨码开关原理图
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第三章 系统机械设计及实现 3.1 车模的简化改装
车模使用 B 型车模。车模如图 3.1 所示
图 3.1 车模示意图
1. 车模尺寸要求： 摄像头组车模改装完毕后，车模尺寸不能超过：250mm 宽和 400mm 长。
2.传感器数量要求： 传感器数量不超过 16 个：光电传感器接受单元计为 1 个传感器，发射
关键字：MC9S12XS128，TSL1401CL 线阵 CCD，赛道识别，PID
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目录
引言
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第一章 系统总体方案设计
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1.1 系统整体框图
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第二章 系统电路设计及实现
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2.1 单片机最小系统板
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2.2 电源稳压电路
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2.2.1 +5V 供电
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2.2.2 +12V 供电
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2.3 电机驱动电路
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5.2 上位机
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第六章 模型车的主要技术参数
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总结
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参考文献
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附录 I 程序源代码
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附录 II PCB 图纸
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V
引言
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、32 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，按照规定路线行进，以 完成时间最短者为优胜。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。 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。
这份技术报告中，我们通过对小车的整体设计方案、硬件电路、算法、调试过程、车辆 机械结构及参数的介绍，详尽地阐述了我们对智能车的思想和创意。 具体体现在机械及算 法上的创新。在 准 备 比 赛 的 过 程 中 ， 队 员 查 阅 了 大 量 的 专 业 资 料 ， 反 复 地 调 试 汽 车 模 型 的 各 项 参 数 。所 有 队 员 都 为 此 次 智 能 汽 车 竞 赛 付 出 了 艰 苦 的 劳 动 。这 份 报 告 凝 聚 着 南京邮电大学光电组全体队员的心血和智慧。
2.1 单片机最小系统
MC9S12XS128 相较于其他比赛可供使用的单片机，型号较老、性能也差强人 意。但相较于其他单片机，MC9S12XS128 资料较为齐全，更加容易入门。其性能 虽不高，也完全足够智能车完成比赛。出于时间、焊接难度、稳定性等多方面的 考虑，我们选择直接购买市面上的最小系统核心板来使用。
图 2.4 MC34063 原理图
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2.3 电机驱动电路
目前比赛中常见的电机驱动有两种，一种是采用集成电机驱动芯片如 BTN7960、BTN7970、BTN7971 等，还有就是用 N 沟道 MOSFET 和专用的栅极 驱动芯片组成的 N 沟道 MOS 管控制电路。由于今年智能车采用的 B 车模电机的 功率较大，使用集成电机驱动芯片很容易导致芯片过热，而且赛车的电池无法 完全驱动集成电机驱动芯片。因此我们采用 N 沟道 MOS 管控制电路作为电机驱 动电路。
图 3.11 舵机因受力碎裂的齿轮
经多次改进，我们为小车安装了长度比前轮稍长的保护装置。保护装置由海 绵和碳素管组成，在有着一定弹性缓冲外力的同时保证足够坚固耐用。
由于 MC9S12XS128 单片机的资料网上足够详尽，此报告不再赘述。在此介绍 智能车在比赛中需要用到的输入输出及其对应的引脚。
1.AD 接口（1 路）：引脚为 AD0，用来传送 CCD 采集的信息 2.I/O 接口（至少 6 路）：其中两路（A2，A4）供 CCD 使用，其他四路（B0~B3） 用于拨码开关调整车速用。 3.PWM 接口（3 路）：两路（P3，P5）控制电机双方向运行，一路（P7）用 于控制舵机运行。 4.脉冲累加器接口（1 路）：引脚为 P7，MC9S12XS128 只有一个脉冲累加器。 我们使用此脉冲累加器来测量电机转速。 5.通讯接口（1 路）：用于日常调试使用的接口。
图 3.3 舵机安装示意图 值得一提的是，舵机本身是一个有着滞后性的闭环系统。对于小车这样的实时系统， 舵机的响应速度对于小车过弯的灵活性来讲至关重要。我们通过调整连杆的长度、舵机相 对前轮的位置等方法减小了舵机的力矩，事实证明这很好地提升舵机的响应速度。
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第三章 系统机械设计及实现
3.3 底盘高度及重心调整
参赛队员签名： 赖春伶
张显
张宁
带队教师签名： 江 兵
茅晨
日
期：2014.8.12
II
摘要
本文设计的智能车系统以 MC9S12XS128 微控制器为核心控制单元，通过 TSL1401CL 线阵 CCD 检测赛道信息，提取黑色引导线，用于赛道识别；通过光电 编码器检测模型车的实时速度，使用 PID 控制算法调节驱动电机的转速和转向舵 机的角度，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。为了提高模型车的 速度和稳定性，使用上位机、无线串口等调试工具，进行了大量硬件与软件测试。 实验结果表明，该系统设计方案确实可行。
单元不计算；CCD 传感器计为 1 个传感器；对于车模的车速和姿态进行检测 的传感器也计算在内。 3.伺服电机型号：S-D5 数字伺服，伺服电机数量不超过 3 个。 4.电机型号：RS-540 5.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。
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第三章 系统机械设计及实现
图 2.5 电机驱动
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2.4 保护隔离电路
第二章 系统电路设计及实现
为了避免舵机和电机的大电流回灌到最小系统而把最小系统烧毁，在 PWM 信号输出端和输入端之间添加了保护隔离电路。
在舵机和 PWM 口之间加入了光耦 TP181，如图 2.6 所示
2.5 拨码开关电路
图 2.6 TP181 光耦
主板上还包括一个四位一体拨码开关用于调整参数。
图 3.6 电池安装示意图
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3.4 转向轮的定位
第三章 系统电路设计及实现
转向轮的定位主要是由主销内倾角，主销后倾角，车轮前束角这三个角决定。 主销内倾角，是前轮的转向轴与铅垂线之间在纵向平面上的夹角。其主要作 用是产生与转向相反的力矩，让车转完后的回正性增强，同时在转弯时车轮与 地面的接触情况会更好。
第九届“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_6 参赛队员：赖春伶
张显 张宁 带队教师：江 兵 茅晨
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Leabharlann Baidu
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第九届“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。
图 3.7 图中角度β为主销内倾角
主销后倾角，是从车子的侧面看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形 成的夹角。主销后倾角越大，在车速越高时，前轮自动回正的能力就越强，但 主销后倾角会使车辆转向沉重。
图 3.8 主销后倾角
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车轮束角，是描述从车的正上看，车轮的前端和车辆纵线的夹角。车轮前端 向内倾斜（内八字），称为前束。车轮前端向外倾斜（外八字），称为后束。
小车的整体参数：包括运行方向，车体重心，高度，舵机摆放方式，CCD 安 装位置等，都对整个智能车系统的稳定运行起着至关重要的作用。尽管本届光 电组车模运行规则为双向运行，但出于稳定性的考虑，我们固定车模运行方向 为：转向轮在前，动力轮在后。原车模为改装前结构稍显复杂，导致重心偏高。 为降低重心我们把原车模中用途不大的零件如避震器、底盘边缘的支架去掉， 使整车的重心降低，同时使小车的机械结构更加简洁。
经过简化改装后，小车的整体布局大致如图 3.2 所示
图 3.2 改装后的整车布局
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3.2 舵机安装
舵机安装有两种方式，一种是卧式安装，另外一种为立式安装。 尽管卧式安装会使车子重心降低，但是这样的安装方式会极大占用底盘空 间。因此我们选择立式安装舵机，并把舵机对称地安装在车子的正前方。 显然，立式安装后车模原配的舵机固定件、舵机臂、连杆等零件不再适用于 车体。为此我们另外给车子配了新的舵机固定件等零件。更换后如图 3.3 所示
2.4 保护隔离电路
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2.5 拨码开关电路
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第三章 系统机械设计及实现
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3.1 车模的简化改装
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3.2 舵机安装
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3.3 底盘高度及重心调整
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3.4 转向轮的定位
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3.5 保护装置
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3.6 编码器的安装
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3.7 齿轮啮合及差速调整
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第四章 系统软件设计及实现
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4.1 路径信息处理
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4.1.1 数据初步处理
图 1.1 系统框图
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第二章 系统电路设计及实现
稳定高效的电路设计是保证智能车能够长时间稳定工作及良好运行状态的 前提。我们使用了自行设计的 PCB 电路板，通过尽可能减小 PCB 板的面积来减轻 智能车的负载，并使板子尽量贴合地盘以降低整车的重心。PCB 板打有与底盘匹 配的安装孔，便于安装。注重 PCB 板的布局，优化电路走线，最后做到了电路板 的稳定，简洁。