电磁组-华南理工大学-Crusader技术报告

第七届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学校：华南理工大学

队伍名称：Crusader

参赛队员：施尚军

陈迪

王艺霖

带队老师：陈安

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第七届“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：

带队教师签名：

日期：

目录

第一章引言 (1)

1.1 概述 (1)

1.2 系统框架图及车模 (1)

第二章硬件设计 (3)

2.1 电源模块 (3)

2.2 K10最小系统模块 (4)

2.2.1 电源稳压电路 (4)

2.2.2 J-TAG调试接口 (4)

2.2.3 单片机外部接口 (5)

2.2.4 其他外围电路 (5)

2.3 加速度及陀螺仪模块 (6)

2.4 电磁传感器运放电路 (7)

2.5 电机驱动模块 (8)

2.6 速度检测模块 (9)

2.7 调试模块 (10)

2.7.1 无线调试模块 (10)

2.7.2 液晶调试模块 (10)

2.7.3 拨码开关 (11)

第三章软件设计 (12)

3.1 程序流程图 (12)

3.2 自平衡环节 (12)

3.3 赛道检测 (15)

3.4 软件滤波 (17)

3.5 PID控速 (18)

3.6 上位机分析数据 (19)

第四章车模主要技术参数 (21)

第五章结论 (22)

参考文献 (23)

第一章引言

1.1 概述

“飞思卡尔”全国大学生智能车比赛今年进行到第七届，比赛规则完善，为广大同学提供了一个良好的学习提高的平台。第七届比赛，在原来电磁组的基础上要求车子只用两个轮子直立前进，这使得参赛选手对传感器的使用有更高的要求。

两轮直立车是一个倒立摆的模型，如何通过加速度计、陀螺仪控制车子稳定直立，这个早已有研究，大赛秘书处也给出了参考方案，这使得参赛队员比较容易入门，大赛的门槛很低。

电磁检测与光电组、摄像头组的检测有本质上的不同，而如今车子还要直立前进，这样车子跑起来的算法结构跟光电组、摄像头组有进一步的不同。为了能学到更多的知识，我们从2011年10月份就开始备赛，综合上几届留下来的经验，继续加强在电源管理、噪声抑制、驱动优化、整车布局等方面的研究工作。同时，对电磁传感器以及今年新增的自平衡需要的加速度计、陀螺仪进行了深入的研究，利用传感器所得信息实现了对赛车直立、前进的控制，使得赛车能够满足高速情况下的稳定性需求，获得了良好的结果。

本技术报告将针对多种传感器的设计安装、电路设计、控制算法等方面进行阐述，并对车子的机械安装做一些简要的说明。

1.2 系统框架图及车模

整个车子的工作过程大致如下：对于平衡板块，加速度计与陀螺仪取得的值输入到K10，K10通过滤波算法得出车子的角度，调整电机输出使得车子直立；对于行走板块，电磁传感器取得赛道电磁特性，K10通过赛道算法得出车子当前位置，结合测速传感器读到的值，对电机进行PID控制。

图1.1 智能车的系统框架图

机械结构方面，我们的车子电池放在背面，车身往前倾，这样可以让车的重心更低，如下图所示：

图1.2 车子外观图

第二章硬件设计

2.1 电源模块

供电部分是整个系统最关键的一部分，由于单片机、放大电路、电机驱动等模块的工作电压均不一致，要求的电压纹波系数也不同，我们采用了多种稳压芯片为整个系统提供稳定工作的电压，其分配图如下：

图2.1 电源分配图

供电模块有多种选择，由于开关电源纹波系数较大，最后我们选择了7805稳压芯片作为5V供电芯片；3.3V对电源的要求更高，经过一些筛选测试最后我们用了2块1117，输出端接一个适当的电容以虑开系统的高频干扰；-5V的变压则没有前面两个电源的要求高，最后我们选了LT1054为电磁运放电路供电。

2.2 K10最小系统模块

本次比赛我们队伍使用的单片机是飞思卡尔公司生产的K10系列的PK10FN512VLQ12，国内没有供应，只能申请样片，因此核心板只能由自己画。核心板上面我们有一个电源稳压电路将5V转换为3.3V给单片机供电，J-TAG调试口方便调试，此外还将大部分引脚都引了出来。

2.2.1 电源稳压电路

图2.2 单片机电源稳压电路

1117已经可以为单片机提供稳定的3.3V电压，而AD参考电压方面则是用了大量的电容、电感以虑开3.3V稳压芯片的高频噪音。

2.2.2 J-TAG调试接口

图2.3 J-TAG调试接口

J-TAG调试接口可以很方便地实现下载、在线调试等功能。

2.2.3 单片机外部接口

图2.4 单片机引脚

K10的外设资源丰富，我们将绝大部分引脚都引了出来，方便利用。

2.2.4 其他外围电路

图2.5 单片机其他外围电路

上图中，左边的是晶振，这个为单片机工作提供了必要保障。中间的是电源指示灯，能清楚知道单片机是否处于工作状态。右边的是复位电路，可以软启动单片机。

2.3 加速度计及陀螺仪模块

加速度计使用飞思卡尔公司生产的MMA7260，陀螺仪使用村田公司的ENC-03M，这两个模块关系到小车的自平衡系统能否稳定工作，所以需要将传感器自带的高频干扰、温漂虑开，其电路如下：

图2.6 加速度计、陀螺仪电路