飞思卡尔智能车培训之硬件篇共37页文档
智能车竞赛培训第一部分赛车的驱动
直流电动机的工作原理
N
N
S
S
直流电动机的工作原理
电刷 ＋ U －
N ＋ U －
N
S 换向片
S
工作原理
电枢绕组加 直流电压
电枢绕组中 产生 电流
电流与磁场相互 作用产生力
电磁转矩
两层意思： 1、产生电枢电流 2、产生电磁转矩
电枢 旋转
直流电机的基本结构
1. 主要部件
(1) 定子
①主磁极
②换向磁极 ③机座 ④电刷装臵和端 盖等
(4) 额定转速 nN (5) 额定励磁电压 UfN (6) 额定励磁电流 IfN
二、他励（并励）直流电动机的工作特性
供给励磁绕组电流的方式称为励
磁方式，分为他励和自励两大类。
（1） 直流电机的励磁方式
直流电动机按励磁方式分类
+
他 励
Ia
M
If + Uf
+
I
Ia
M
If
并 励
Ua
U
－
+
－
I
Ia
M
－
稳定运行状态的过渡过程。电动机在起动瞬间(n=0)的电磁转矩 称为起动转矩，起动瞬间的电枢电流称为起动电流，分别用Tst 和Ist表示。起动转矩为
Tst CTΦI st
如果他励直流电动机在额定电压下直接起动，由于起动瞬
间转速n=0，电枢电动势Ea=0，故起动电流为
UN I st Ra
(2.3.2)
他励直流电动机的制动
根据电磁转矩Tem和转速n方向之间的关系，可以把电机分 为两种运行状态。当Tem与n同方向时，称为电动运行状态，简 称电动状态；当Tem与n反方向时，称为制动运行状态，简称制 动状态。电动状态时，电磁转矩为驱动转矩；制动状态时，电
飞思卡尔智能车入门资料大全概要共35页文档
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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飞思卡尔智能车入门资料大 全概要
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
飞思卡尔智能车机械结构简介 共21页PPT资料
前轮调整
• 前轮前束 • 所谓前束是指两轮之间的后距
离数值与前距离数值之差，也 指前轮中心线与纵向中心线的 夹角。前轮前束的作用是保证 汽车的行驶性能，减少轮胎的 磨损。前轮在滚动时，其惯性 力会自然将轮胎向内偏斜，如 果前束适当，轮胎滚动时的偏 斜方向就会抵消，轮胎内外侧 磨损的现象会减少。
前轮调整
其他调整
• 减震弹簧调整 • 改变减震弹簧
的预紧力可以 改变底盘的刚 度，从而改变 行驶的效果。 • 飞思卡尔车模 的弹簧预紧力 可以通过垫圈 的个数来调节。
其他调整
• 悬架高度调整 • 飞思卡尔车模前轮与后轮的悬架的高度均可调。 • 前轮是通过改变垫圈的个数来调节。 • 后轮是通过安装不同高度的支架来调节。
前轮调整
前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等 4个项目决定
前轮调整
• 主销内倾
主销内倾是指主销装在前 轴略向内倾斜的角度，它 的作用是使前轮自动回正。 角度越大前轮自动回正的 作用就越强烈，但转向时 也越费力，轮胎磨损增大； 反之，角度越小前轮自动 回正的作用就越弱，因此 这个主销内倾角都有一个 范围，约5°~8°之间。
前轮调整
• 主销后倾 • 在飞思卡尔车模
上，主销后倾角 由前轮悬挂的垫 片来调节。在两 侧安装数量不同 的垫片，可以调 节主销后倾角。
前轮调整
• 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 此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正 作用大。
前轮调整
• 主销内倾 • 在飞思卡尔车模
上，主销内倾角 由前轮悬挂上的 螺纹来调节。
前轮调整
培训资料 北航飞思卡尔培训ppt
电路、电源电路、电磁传感器、以及一些其他的可能模块），
可以使用指定的现成模块（线性CCD，摄像头，按键（最好 自己画）、OLED显示屏、超声波传感器）等。（以规则为主）
几点建议（续）
• 5、建议的芯片：一般K60比较多，如果用的话，大家可
以用K60DN512的芯片，最小系统板建议用一样的，因 为会有很大可能烧芯片，到时候方便更换。
PE和IAR配合使用
• 教程：/module/forum/thread-缺点：有BUG，PE是英文，配置元件和模块的时候上手可能比较难 • 已知bug1：在已有的工程上，PE新生成的一些component可能无法 自动更新到IAR工程上 • 解决办法：重新connect info文件 • 已知bug2：当开着IAR时（IAR打开了指定的工程），在PE已有的工 程基础上，新生成component或者更改component的配置的时候， 会出现IAR无法编译链接时候的出错 • 解决办法：关掉IAR工程，PE重新生成代码，打开IAR（必要的时候可 能要重复bug1的解决办法）
• 6、9s12芯片也是建议的，kl26芯片也是可以的，我们
还用过kl46，kl系列资料较少，相对而kl26资料多一点。
• 7、电池的接口最好要统一，不统一也可以做转接头，这 样队伍之间可以通用，千万注意正负极 • 8、希望组与组之间进行讨论交流，不同项目的队伍之间 也可以交流。
几点建议（续）
• 9、选用管脚的时候，注意管脚冲突的问题。下载器的调
• SI下降沿 开始输入采集到的电压值
线性CCD TSL1401
• 一般模块基本是5根引脚，也有6根引脚的出现
GND GND VCC SI AO CLK VCC AO AO2 SI CLK
飞思卡尔智能车
飞思卡尔智能车控制系统硬件设计硬件部分：电机舵机传感器车模电机：主要作用是产生驱动转矩，作为小车的动力源。
舵机：能够转舵并保持舵位的装置，也就是让小车拐弯的装置。
传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，在智能车中，最重要的传感器就是摄像头。
车模：智能车车架，包括底板、齿轮、车轮、电池等等。
主要内容：•MCU最小系统设计•电机及舵机驱动电路设计•光电检测电路原理与设计•图像检测原理与设计1．控制系统的构成一般控制系统由传感器、控制器和执行器组成。
智能车中主要体现：光电器件或器件构成的寻线传感器。
用于操纵小车行走和转向的执行器。
根据传感器信息控制执行器动作的控制器。
三者之间的关系可用如下的关系图描述:飞思卡尔杯规定了比赛用车模、控制器所使用的MCU、执行器、传感器的数量等，比赛中硬件设计所涉及的主要工作是：•设计可靠的MCU控制电路；•执行器驱动电路；•传感器电路；(进行硬件设计的工具很多，建议使用Protel99SE，该软件易上手、效率高，可满足一般电路设计要求。
)MC9S12DG128 的封装2 .MCU最小系统设计MCU最小系统设计分为供电系统设计、复位系统设计、时钟电路设计、BDM调试接口设计、串口通讯设计。
2.1 MCU供电系统设计MCU正常工作需要合理供电，为获取良好的抗干扰能力，电源设计很重要。
针对此次比赛使用的电池和MCU，在供电系统设计中要充分考虑以下因素的影响：1.系统供电电源为7.2V镍氢电池组，不能直接为MCU及其它TTL电路供电。
2.为保证较高的行驶速度，驱动电机需使用电池组直接驱动，故电源电压波动较大。
3.转向用舵机工作电压为5V，其启动电流较大，如与MCU共用5V电源，会引入较大的干扰。
4.采用三端稳压器7805存在效率低、抗干扰能力差的缺点。
采用三端稳压器的电源设计:升降压开关稳压电路•MCU供电飞思卡尔S12系列单片机采用了若干组电源，必须很好的对这些供电电源进行良好的滤波，才能设计出抗干扰能力强的控制器。
飞思卡尔智能车各模块原理及元器件
飞思卡尔智能车各模块原理及元器件在准备比赛的过程中，我们小组成员经过分析讨论，对智能车各模块的元器件使用方面做如下说明：1、传感器模块：路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传感器和CCD/CMOS传感器。
光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快，但是其前瞻距离有限；CCD 摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理却比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行处理和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。
在比较了两种传感器优劣之后，考虑到CCD传感器图像处理的困难后，决定选用应用广泛的光电传感器，相信通过选用大前瞻的光电传感器，加之精简的程序控制和较快的信息处理速度，光电传感器还是可以极好的控制效果的，我们使用11个TK-20型号的光电传感器。
2、驱动模块：驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。
电机驱动电路可以用MC33886驱动芯片或者用MOS管搭建H桥驱动电路。
MC33886体积小巧，使用简单，但由于是贴片的封装，散热面积比较小，长时间大电流工作时，温升较高，如果长时间工作必须外加散热器，而且MC33886的工作内阻比较大，又有高温保护回路，使用不方便。
采用MOS管构成的H桥电路，控制直流电机紧急制动。
用单片机控制MOS管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于MOS管工作在饱和截止状态，而且还可以选择内阻很小的MOS管，所以效率可以非常高，并且H桥电路可以快速实现转速和方向控制。
MOS管开关速度高，所以非常适合采用PWM调制技术。
所以我们选择了用MOS管搭建H桥驱动电路。
3、电源模块：比赛使用智能车竞赛统一配发的标准车模用7.2V 供电，而单片机系统、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要5V电源，伺服电机工作电压范围4V到6V（为提高伺服电机响应速度，采用7.2V 供电），直流电机可以使用7.2V 蓄电池直接供电，我们采用的电源有串联型线性稳压电源（LM2940、7805等）和开关型稳压电源（LM2596）两大类。
智能小车硬件介绍PPT课件
理 想 情 况 下 ， CC D 器 件 受S均匀Q光SA照T /时Es， 输 出 信 号 幅 度 完 全 一 样 。 实 际
上，由于半导体材料不均匀和工艺条件因素影响，在均匀光照下，CCD器 件的输出幅度出现不均匀现象。
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图像传感器
（3）分辨率
分辨率是用来表示分辨图像中明细细节的能力的。它通常有两种不同的 表示方式：
，如图所示，定义调制A度m ax M 为 Am
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图像传感器
M Amax Amin Amax Amin
(2.4)
图2.4 调制度的定义
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图像传感器
调幅波信号通过器件传递输出后，通常调制度受到的损失减小。一般来 说，调制度随空间频率增加而减小。为了客观地表示CCD传感器的分辨率 ，一般采用调制传递函数（Modulation Transfer Function, MTF）来 表示。MTF的定义为：在各个空间频率下，CCD器件的输出信号的调制 度与输入信号的调制度的比值，即
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光电式传感器
2．主要性能 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、
峰值探测率和温度特性来描述。其中，伏安特性、光照特性和光谱特性是 选择光电器件的主要指标。
（1）光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生电流之间
的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电式传感器参数的主要依据。
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图像传感器
图2.5 摄像头视频信号
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ＰＡＬ信号
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back
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图像传感器
(完整word版)飞思卡尔智能车技术报告
集成化的设计思路的好处是原件密度高，系统可以小型化一体化，通过综合考虑各方面因素，在确定了系统最终硬件方案不做大的更改的情况下，在确保了系统可靠性的前提下，最终选择了一体化，集成化的硬件设计思路。使车体硬件电路布局紧凑，稳定可靠。
3、大前瞻，高分辨率方案。
在光电传感器的安装不影响赛车行驶的前提下，尽可能的提高传感器前瞻，更大的前瞻，能为赛车提供更多的信息，更能让赛车提前作出决策。
3.5.2主销内倾角
主销内倾角是指主销在汽车的横向平面内向倾斜一个角度，即主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角。主销内倾角也有使车轮自动回正的作用。通常汽车主销内倾角不大于80。
2.5.3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”。轮胎呈现“八”字形张开时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为“正外倾”。一般前轮外倾角为10左右。
4.5速度检测模块
为了使车在跑的过程中能快速加速，及时减速除了要有好的算法来控制，还依赖于速度闭环返回的速度脉冲值的可靠度和精确度，因此为了提高检测精度，最后选用了精度较高的光电编码器，光电编码器使用5V-24V电源，输出12.5%-85%VCC的方波信号。
9.2存在的不足
9.3可改进的方法
第十章参考文献
第一章引言
1.1方案介绍
系统硬件设计可以说是整个智能车设计的基础和重中之重。正确的硬件设计方向与思路，是系统稳定可靠的基础，功能强大的硬件系统，更为软件系统的发挥提供了强大的平台。、
1、整车低重心设计。
通过以往几届比赛的经验我们看到，往往重心低，体积小巧，布局紧凑的赛车更能取得好的成绩。、于是，我们通过合理布局电路板和各种传感器，尽可能地降低整车重心。在不影响传感器前瞻，或者不过度牺牲传感器性能的情况下，尽量降低光电传感器的高度，以提高赛车的侧翻极限。
飞思卡尔智能车硬件培训
电 池 的 使 用
• 正确放电：
•由于镍镉电池具有记忆效应，对电池的不完全放电将 会人为的降低电池的电容量； •从放电曲线可以看出，随着电池电量的减少，其电压 也会逐渐降低，当电压降低到某个阈值后继续放电， 电池电压将很快的跌落。这个阈值就是电池的放电下 限电压。厂家给出了放电下限电压为6V。因此，在使 用时，建议在动力车的电源设计中加入电池保护电路， 当电池电压低于6V时切断电路，用来保护电池。如果 没有保护电路，要注意，电池接通时人不要离开。因 为当电池电压降到接近6V时，电池已经给不出多少电 流，已经没有能力驱动电机了，此时一定要及时断开 电路，到了给电池充电的时候了。
辅助支架等。
车 模 调 整 参 数
前轮调整
后轮调整
减震弹簧 其他调整
前
轮
调
整
前轮是转向轮，前轮调整包括以下几个方面： 主销内倾 ；主销后倾；前轮外倾；前轮前束
前 主销内倾
轮
调
整
主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使
前轮自动回正，增大摩擦力，避免甩尾。角度越大，前轮自动回正 的作用越剧烈，但是转向时也越费力，轮胎磨损也增大。主销内倾
车 模 运 行 方 向
光电组：四轮车模双向运行。
车模使用 B 型车模,车模运行可以在比赛过程中，
根据赛道要求随时调整运行方向。
车 模 运 行 方 向
光电组：车模直立行走。
使用 D、E 型车模。车模
运行时只允许动力轮着地，
车模直立行走。车模运行
方向应按照图3 所示：
车
模
改
装
规
则
禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；如有必 要可以对于车模中的零部件进行适当删减。 禁止采用其它型号的驱动电机，禁止改动驱动电机
飞思卡尔智能车培训
XS128单片机（80脚）最小系统原理图
最小系统各部分介绍
1、时钟电路 时钟电路对单片机的运行至关重要， 时钟电路对单片机的运行至关重要，电路 简单，但作用不小，元件参数选择、 简单，但作用不小，元件参数选择、印刷 板的布线都要注意。通过一个16MKZ的外 板的布线都要注意。通过一个 的外 部晶振借到单片机的外部晶振输入接口 EXTAL和XTAL上，利用 和 上 利用MC9S12XS128内 内 部的压控振荡器和锁相环把这个频率提高， 部的压控振荡器和锁相环把这个频率提高， 作为系统内部总线时钟。 作为系统内部总线时钟。
S12单片机开发平台入门
• 1、CodeWarrior集成开发环境介绍 • 2、BDM简介 • 3、MC9S12单片机最小系统
一、 CodeWarrior集成开发环境介绍
1.CodeWarrior能做些什么？ A）使用C/C++进行编程 B）支持Java开发 智能车仅限于应用C/C++语言在Windows平台上使用CodeWarrior进行 开发 2. CodeWarrior的优点是什么？ CodeWarrior能够自动地检查代码中的明显错误，它通过一个集成的调 试器和编辑器来扫描代码，已找到并减少明显的错误，然后编译并链接 程序以便计算机能够理解并执行程序。
3、接下来会跳出一个窗口让用户选择串口号和波特率，波特率最好为19200
4、点OK后会有一个程序下载到目标板的 过程：
5、之后会出现之前的调试界面。
二、BDM的介绍
• BDM是用来向单片机下载程序用的，可以 将单片机的Flash中旧的程序擦除。另外具 有调试功能，s12单片机的BDM接口可以提 供很多调试信息，包括CPU运行时的动态 信息，故与之通信的BDM也需要CPU支持。 • 单片机只需要一个6针的插头将信号引出和 BDM调试器连接，就可以实现单片机的DM 调试。
飞思卡尔智能车培训之硬件篇概要
电机驱动
电机驱动
电机驱动——NMOS方案
电机驱动——BTN7971半桥
实物图
Байду номын сангаас
内部原理
电机驱动——BTN7971方案
电机驱动——驱动隔离
为什么要隔离？
电机是电感性器件，电流不容易轻易改变，当电机反转或者频 繁地启动停止时会产生反向电动势，这个反向电动势很大，一般有 电源电压的几倍甚至几十倍，如果对这个电压经过隔离，一旦反串 到单片机就会直接烧坏单片机。
电机驱动——驱动隔离
缓冲器74LS244
相当于一个缓冲池， 可以一定程度上隔离反 向电动势。
电机测速
通过检测脉冲数计算转速
将测得的转速 与设定值比较 调整，得到想 要的转速值。
电池
参数：
•电压：1.2×6=7.2 v •容量：2000mAh
放电曲线（在3A的大电流放电条件下得到的结果）
电源管理——电池使用注意事项
怎么隔离？
1、光耦隔离
2、用缓冲器74LS244隔离
电机驱动——驱动隔离
光耦隔离原理：
光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离,光耦合器的结构相当于把发 光二极管和光敏(三极)管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换 为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这 样既耦合传输了信号，又有隔离作用。
用个显示屏显示数据，建议：OLED12864
留几个按键用于调整参数和启动
用单片机AD口读取电位器电压值，方便参
数的调整 留出多余的接口
布线建议：
注意电源部分电源线和地线要加粗，不小
于40mil。 电机驱动模块信号和电源地分开，可以顶 层走信号线，底层走电源线，电源线和地 线同样要加粗，由于电机电流大，至少 100mil。 其他布线要尽量短，避免干扰。
智能汽车设计(基础部分)
飞思卡尔智能汽车培训（基础部分）
速度控制
• 直线恒速运行
• 转弯减速 • PID稳速
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直线恒速运行
• 恒速PWM值比较大，以转弯时不冲出赛道 为标准。 • 可以实现出弯加速和长直道加速。
飞思卡尔智能汽车培训（基础部分）
转弯减速
• 比直线恒速小 • 主要实现入弯减速，以免由于速度过快而 冲出跑道
第一部分：模拟电路
第二部分：数字电路
第三部分：51单片机基础
第四部分：印刷电路板的制作
飞思卡尔智能汽车培训（基础部分）
第一部分 模拟电路
1.半导体二极管 2.半导体三极管及其放大电路 3.集成运放 4.直流稳压电源
飞思卡尔智能汽车培训（基础部分）
一、半导体二极管特性介绍：
1.二极管的电路符号
P
N
• 合理放电
– 不合理放电会降低电池容量 – 放电不可以越过阀值（不可过量放电） – 电池电压过低会造成摄像头、电机驱动芯片工 作异常
飞思卡尔智能汽车培训（基础部分）
电机驱动板
• 独立的PCB板，安装在直流电机上方 • 使用两片MC33886并联 • PWM控制
飞思卡尔智能汽车培训（基础部分）
主控板
飞思卡尔智能汽车培训（基础部分）
RPR220对管路径检测电路
根据我们讲述的原 理，当对管检测到黑线时， 会输出一个电平较低的模 拟量；当对管检测到白色 的底板时，会输出一个电 平较高的模拟量。 在实验中发现，白 线模拟量约为800左右， 黑线模拟量约为550左右。 设置门限为680，>则为1， <则为0。
飞思卡尔智能汽车培训（基础部分）
3、智能车软件设计