智能车电磁组技术报告

第三届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
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关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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：
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目录
第一章引言 (1)
第二章机械结构部分 (2)
2.1 舵机的固定与安装 (2)
2.2 前轮的调整 (1)
2.3 差速的调整 (1)
2.4 整车重心的调整 (1)
第三章传感器的选择和布局 (1)
3.1 传感器的选择 (1)
3.2 电磁感应线圈在磁场中的特性 (2)
3.3 传感器布局 (1)
3.3.1确定导线位置布局 (1)
3.3.2前瞻设计 (1)
第四章硬件电路模块 (1)
4.1 控制器模块 (1)
4.2 路径识别模块 (1)
4.2.1感应线圈 (1)
4.2.2信号选频放大 (1)
4.2.3检波整流 (1)
4.3 电源模块 (1)
4.4 测速模块 (1)
4.5 舵机使能控制电路 (1)
4.6 电机驱动模块 (1)
4.7 起跑线检测模块 (1)
4.8 LCD液晶显示与键盘模块 (2)
第五章智能车软件设计 (1)
5.1 控制总流程 (1)
5.2 导线位置提取 (1)
5.3 系统控制算法 (1)
5.3.1数字PID控制 (1)
5.3.2转向控制算法 (1)
5.3.3电机控制算法 (1)
第六章开发与调试 (1)
第七章智能车技术参数说明 (1)
第八章鸣谢 (1)
第九章总结 (1)
参考文献 (1)
附录A 程序代码 (1)
第一章引言
本智能小车以飞思卡尔16位微控制MC9S12XS128作为唯一的核心控制单元，采用电感线圈和干簧管获取道路信息，通过设计简单的PID速度控制器和简单的PID方向控制器实时调整小车的速度与转角。

本报告分为七个章节：第一章为引言介绍；第二章介绍了本智能车的机械设计；第三章具体介绍了智能车传感器选择与布局设计；第四章具体介绍了智能车硬件电路设计；第五章介绍了智能车的软件设计；第六章为智能车开发与调试环境；第七、九章为智能车技术参数说明及总结。

第二章机械结构部分
图2.0 智能车整体图
2.1 舵机的固定与安装
在舵机的安装过程中，我们发现，将舵机的摆臂增长可以提高舵机的响应速度。

因为舵机的摆臂越长，当车轮转过相同的角度时，舵机转过的角度越小，即时间越短。

买回来的车模舵机是横着安装，我们后来把它竖着安装，增长了摆臂，如图2.1.1所示，而且两条拉杆的长度也在合理的范围内做了相应的调整。

虽然加大力臂会加快舵机的转向，但是力臂的长度和力矩是成反比的，会导致舵机有一个空转的角度，所以要在多次的实验中选择合适的力臂。

如图2.1.2所示：
第二章机械结构部分
图2.1.1 舵机安装图1 图 2.1.2 舵机安装图2
2.2 前轮的调整
调试中发现，前轮的初始状态对车子转弯有很大的影响。

总的来说，决定前轮的初始状态有以下几个参数：主销内倾、主销后倾、前轮外倾、前轮前束。

主销内倾角指前轮的主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角。

内倾角可以使车轮保持直线行驶，这个角度和它的轮子回正能力是成反比的，也就是说角度越大，回正能力越强，但是轮子转向阻力增大，由于这个限制，通常这个角度不会大于8度，一般3°左右就够了。

当转向轮在外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将被抬起一定高度；当外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。

为了避免前轮胎的磨损，我们这里将主销内倾角设置为3度左右。

主销后倾角指主销轴线与车体纵向平面的夹角，它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动回正到原来的中间位置上，从而保持汽车直线行驶的稳定性。

前面所说的主销内倾角与车速是无关的，但是主销后倾角与车速以及回正力都有关。

这个角度越大，回正力就越大，而且速度越大，回正力也越大。

但是回正力太大也不是好事，可能会损坏舵机齿轮，特别是高速时主销后倾角对回正力的影响很大，可能会损坏舵机齿轮。

通常情况下，我们可以把后倾角减少到接近零度。

由于过大的后倾
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角会使转向沉重，加上比赛使用的舵机性能偏软，故为了避免使模型车转弯迟滞，我们这里将主销后倾角设置为0度。

前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。

前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。

所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1°左右。

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。

在日常生活中的汽车修理一般都要校对车轮前束，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，前轮前束可通过转向横拉杆长度来调整。

这里将前束值设置为6mm左右。

2.3 差速的调整
在车实际跑的过程中，我们发现，后面两个轮的相对松紧程度，也就是差速对拐弯有很大的影响。

差速太紧，则拐弯容易甩尾，速度快的时候很容易甩出去，但是差速如果太松，虽然会改善转弯性能，但是严重影响了直线上的加减速，而且齿轮的咬合也不是很好，对齿轮会有一定的损坏。

所以，后面两个轮子的相对松紧程度要适中，经过多次的调试，我们得出了比较满意的效果，即将模型车放到跑到上，用手抓住后轮的一只轮子使其不能转动，在赛道上推车子转弯，如果车子能够稍轻松的推动，则此时的差速器为最适合。

当然，实际还需要根据不同的赛道和车的机械性能进行相应的微调。

调节差速可以通过工具旋紧或者旋松右后轮来得到合适的差速控制，其实就是适当的调整两片轴承的压力以满足后轮驱动和差速的要求。

第二章机械结构部分2.4 整车重心的调整
刚开始的时候由于速度比较慢，车体的重心对整辆车的影响看不出，但随着模型车速度的提高，模型车的重心对车子的整体性能的影响就显得越来越突出了。

这集中表现为前轮对地摩擦力的影响和车体否能稳定行驶。

垂直高度上的重心影响车的稳定性，重心越低，稳定性越高，当然这要求保证车的底板不会出现触地的现象；水平方向上的重心位置及其重要，它将直接影响了前轮对地的摩擦力，也就是我们想要的前轮抓地能力的强度。

重心靠前，将有利于增加前轮的摩擦力。

实际测试中，稳定性对跑道S弯和急转弯的影响最大；而摩擦力则对跑道急转弯影响最重。

所以为了提高车对整个跑道的综合性能，我们将车的垂直重心尽可能降到最低，而将水平重心的位置调整为靠近前轮。

调整模型车的垂直重心只要给前轮悬架下摆臂与底板之间加上一个2mm的垫片即可；而后轮则通过变换卡圈来调整底盘后半部分的离地间隙。

这样模型车就不会跑飞了。

第三章 传感器的选择和布局
3.1 传感器的选择
由于赛道是通有20KHz 交变电流的导线，因此需要通过检测导线周围所产生的电磁场确定道路与小车的相对位置。

磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应，如磁电效应（电磁感应，霍尔效应，磁致电阻效应），磁机械效应，核磁共振等。

现代检测磁场的传感器有很多，常见的有磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器，半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。

因为各种传感器测量磁场所依据的原理不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大，10-11～107G 。

图3.1为各类磁场传感器的测量范围示意图。

图3.1各类磁场传感器的测量范围示意图
先估算赛道的磁场强度。

把赛道看作无限长直导线，载流为直流100mA ，距离导线r=5cm 时，由毕奥-萨伐尔定律知，磁场强度B 如（公式1）： G T r I B 37701041041005
.021.042---⨯=⨯=⨯⨯⨯==πππμ（公式1） 一般霍尔元件的检测范围在1mT 以上，即10G 以上，可以想象到需要贴着地面
第三章传感器的选择和布局进行检测，而且精度大大受到限制。

磁阻传感器如Honeywell的高灵敏度磁阻HMC1001，分辨率可达27微高斯，还可以使用多轴的磁阻传感器检测不同方向的磁场。

普通的电感线圈测量范围广，理论上只要加上合适的谐振电容和放大电路，不但能够筛选出特定频段进行放大，而且有较强的抗干扰能力。

我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。

由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低，价格比较高。

因而我们选取最为传统的电磁感应线圈的，它具有原理简单、价格便宜、体积小、频率响应快、电路实现简单等特点。

感应线圈可以自行绕制，也可以采用市面上的工字电感。

3.2 电磁感应线圈在磁场中的特性
为了讨论方便，我们作以下约定：
(1)小车车体坐标系中，定义小车前进的方向为Y轴正向，顺着Y轴的右手边为X轴的正向，Z轴指向小车正上方，如图3.2.1所示；
(2)水平线圈是指轴线平行于Z轴的电感线圈，垂直线圈是指轴线平行于X轴的线圈，轴线平行于Y轴的线圈所感应到的电动势远小于上述两类线圈，但该类摆放线圈在回环路检测中将可以用到。

(3)BX是指向载流导线右手边的电磁感应强度，BZ是指向载流导向正上方的电磁感应强度。

显然，垂直线圈感应的是BX变化率，水平线圈感应的是BZ的变化率。

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图3.2.1 假定车体坐标系
直道附近的磁场分布，可以近似为无限长的直导线上的磁场分布，容易算得距离长直导线距离为r 的点的磁感应强度如（公式2）：
r I
B πμ20= （公式2）
进而可以推出：
2202h x h I B X +⨯=πμ （公式3）
2202h x x I B Z +⨯=
πμ （公式4） 其中h 是电感线圈距离地面的垂直距离。

为了讨论的方便，记
22'h x h
B X += （公式5）
22'h x x
B Z +=
（公式6） 则从（公式3）、（公式4）、（公式5）、（公式6）可以得出B'X 、B'Z 分别和BX 、BZ 有相同的变化趋势。

图3.2.2和图3.2.3显示了当分别取h 为5、8、10时B'X 和B'Z 的变化趋势。

由图可知：
第三章传感器的选择和布局
(1)B'X是x的偶函数，在Y轴两侧单调；B'Z是x的奇函数，在Y轴两侧没有单调关系；
(2)在相同的高度下，B'X幅值是B'Z的两倍，但是在x=20的时候，B'X只有B'Z的一半左右了，因此B'X的衰减较B'Z快很多。

综上可推知，水平线圈比较适合做x的正负判别，垂直线圈比较适合用来解算x的具体数值，B'Z较B'X 衰减慢得多，说明水平线圈对远处道路状况相对比较敏感，可以用来预测前方的弯道。

图 3.2.2 B'X的曲线图
图 3.2.3 B'Z的曲线图
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3.3 传感器布局
由3.2所述的性质，我们可以知道，垂直线圈可以比较容易地得出小车与导线的相对位置，水平线圈可以预测前方弯道以及传感器摆放的一些要求。

根据这些性质，分检测导线位置和前瞻两部分论述传感器的布局方案。

3.3.1确定导线位置布局
以垂直线圈作为检测小车与导线的相对位置，原则上采用双垂直线圈就可以判断导线的位置。

然而增加传感器可以增加检测的精度，有利于小车的精确控制。

我们选用五个垂直线圈平均间隔一字排开，如图3.3.1所示。

图3.3.1 加入前瞻前传感器排列图
3.3.2前瞻设计
由于受到小车长度和垂直线圈检测方式限制，电磁小车的前瞻受到很大的局限。

尽管小车长度达到了极限，而小车的前瞻却只有10cm左右，不能满足智能车高速运行的要求。

因此需要用必要的手段增加小车的前瞻性能。

方案一：双排传感器。

单排传感器检测信息单一，而双排传感器可以通过判断导线斜率来弥补前瞻不足。

由于双排传感器检测的信息较为丰富，可以合理利用其信息作转角以及速度的控制。

测试发现的确优于单排传感器。

方案二：合理变更传感器方向。

由于水平线圈对远方道路比较敏感，可以感知道路的变化趋势，因此可以利用这个特点进行前瞻。

以φ6电感线圈为例，这种方法的前瞻可以在原来传感器位置的基础上前瞻约10cm的路况。

变更其摆放的方向和角度，可以在传感器原位置基础上前瞻约15cm~25cm的距离。

这样，
第三章传感器的选择和布局
小车的前瞻最大可达到约35cm。

如果检测线圈直径较大，则可以做到约40cm 的前瞻，下称“大前瞻”。

我们采用与小车前进方向一致的摆法。

这样的前瞻在5cm以内，下称“弱前瞻”。

由于线圈放置方向的关系，前瞻重要解决的问题是能否顺利通过十字交叉的赛道。

导线十字交叉出现场强叠加的情况，这样对大前瞻来说是一个严重的干扰。

尽管经过处理之后小车能够顺利通过十字交叉路口，但无可避免会有少许抖动。

这样既影响小车稳定性，也使行进速度有一定下降。

而弱前瞻具有一定的前瞻，尽管非常小，但总比没有前瞻要好。

在十字交叉处几乎不受干扰。

权衡利弊，从小车的稳定性考虑，选择了弱前瞻的方案。

综上所述，加入前瞻后传感器布局如图3.3.2所示：
图3.3.2 加入前瞻后传感器布局图
第四章硬件电路模块
整个硬件系统使用模块化的设计思想，整体的硬件框图如图4所示：
图4 系统硬件结构图
4.1 控制器模块
小车控制器是大赛指定的MC9S12XS128芯片。

使用BDM下载。

经过多次测试和在跑道上跑，信号采集只需要7路AD检测，同时需要的I/O资源也不多，因而选用80pin的芯片则满足要求。

而且80pin的CPU价格比多管脚的CPU便宜，功能上差不多，只是AD口少了一半，其他没有什么区别。

单片机控制器是各功能模块的CPU，在满足智能车功能的前提下，我们本着最简单电路的原则，使用了单片机的若干端口，单片机端口分配图如表4.1所示
第四章硬件电路模块
表4.1 端口资源分配
4.2 路径识别模块
测量磁场核心是检测线圈的感应电动势E的幅值。

信号检测放大电路包括感应线圈、信号选频放大、整流三部分组成。

4.2.1感应线圈
检测线圈可以自行绕制，也可以使用市场上能够比较方便购买的工字型10mH的电感。

这类电感体积小，Q值高，具有开放的磁芯，可以感应周围交变的磁场。

4.2.2信号选频放大
使用电感线圈可以对其周围的交变磁场感应出感应电动势。

这个感应电动势信号比较弱，干扰多。

因此信号放大需要进行选频放大，使得20kHz的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。

可以使用 LC串并联谐振电路（带通电路）来实现选频电路。

如图 4.2.1所示：
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图4.2.1 选频电路图
电路谐振频率为：
LC f π21
0= （公式7）
已知感应电动势的频率f0=20KHz ，感应线圈电感为L=10mH ，由（公式7）可以得到电容容量的表达式如（公式8）。

L f C 20)2(1
π= （公式8） 由（公式8）可以计算出谐振电容的容量为：
F 93231033.61010)10202(1C --⨯=⨯⨯⨯⨯=π
通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为
6.8nF ，所以在实际电路中我们选用 6.8nF 的电容作为谐振电容。

为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1~5V 左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db ）。

第四章硬件电路模块
最简单的设计可以只是用一阶共射三极管放大电路就可以满足要求。

也可以选用运算放大器进行电压放大。

但是需要选择低噪音、动态范围大的高速运放，成本较高，所示不选用运算放大器进行信号放大。

一般晶体三极管带宽较大，因而大体只需考虑放大倍数。

可以选取常用的NPN 三极管8050-D或1815-GR，我们选取的是1815-GR作为放大。

4.2.3检波整流
测量放大后的感应电动势的幅值E使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，该信号正比于感应电压幅值的数值，可以知道单片机的AD 进行测量。

为了能够获得更大的动态范围，检波电路中的二极管使用肖特基二极管1N5819。

由于肖特基二极管的开启电压一般在0.1~0.3V左右，小于普通的硅二极管（0.7V），可以增加输出信号的动态范围和增加整体电路的灵敏度。

最终，我们得到整个路径识别模块的电路图如图4.2.2所示：
图4.2.2 信号放大处理电路图
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4.3 电源模块
智能小车采用组委会提供的7.2V 2000mAh Ni-cd 电池直接供电，并采用稳压器件调整出各路模块所需电源。

因为在小车不断加减速度的过程中，电压波动较大，因而应采用低压差的稳压芯片做稳压电源。

虽然开关电源芯片可以满足要求，但是纹波会比线性稳压芯片要大，对小信号放大电路进行供电容易造成不稳定。

因此采用了两块LM2940-5V作为5V供电。

一路专门给路径检测传感器供电，保证不受其他模块的干扰；另外一路作为主控芯片、测速模块供电，其中一条支路加LM1117稳压3.3V送液晶显示模块；为使电机发挥最优性能，电池输出最大电压直接接电机驱动供电机工作；为增加舵机的反应速度，电源电压也直接接到舵机进行供电。

电路结构如图4.3.1所示。

图4.3.1 电源模块结构图
4.4 测速模块
速度检测是为了反馈小车当前速度，了解当前状态并决定控制策略的一个环节。

我们选用欧姆龙E6A2-CWZ3C旋转编码器，该编码器的精度为100个脉冲/圈，不仅硬件电路简单，而且信号采集的速度快、精度高，满足智能车对车速
第四章 硬件电路模块 控制精度要求。

编码器中轴安装的齿数为18，则可得传动比为38：9，利用检测得到的脉冲数n ，和已知的后轮轮胎周长C （C ≈160mm ），可以得到脉冲数n 和速度v （m/s ）的关系如（公式9）：
n v ⨯=3800144 （公式9）
图 4.4.1 测速编码器安装图
4.5 舵机使能控制电路
可以说，舵机是一个非常脆弱的部件，稍有不慎就会烧掉，特别是被卡住的时候，为了防止在下载程序的时候舵机处于供电状态，所以加了一个舵机使能控制电路，舵机使能电路相当于一个软开关，可以通过软件去控制舵机电源。

设置PB0口可以使得舵机只有在程序被下进去并且运行之后才会被供电，否则处于断电状态，原理图如图4.5.1所示。

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图4.5.1 舵机使能控制电路
4.6 电机驱动模块
智能车的电机采用RS-380SH直流电机。

基本参数图表4.6。

表4.6 RS-380SH电机参数表
为了加强小车后轮驱动能力，采用大功率MOS管IRF4905和IRF3205搭成H桥驱动电机。

为使小车能够快速的加减速，可以采用反转进行刹车。

但电机的正反转会产生很大的制动电流，对电机驱动本身造成很大的损害。

而在实际应用中只使用到半桥，其中一个控制端接地。

当需要制动时，只要使电机对地短接，依靠电机反电动势制动同样得到较好的制动效果。

驱动和单片机之间使用了MIC4424驱动H桥电路，既保证了开启MOS管栅极的逻辑控制，也对单片机有隔离保护的作用。

第四章硬件电路模块
图4.6.1 电机驱动电路图
4.7 起跑线检测模块
由于在赛道起跑线上装有磁铁，所以可以用干簧管检测，因为干簧管具有对磁场比较敏感，反应速度较快等优点。

但防止漏检起跑线，在小车每边并联两个干簧管，增加检测范围，即共用4个干簧管对起跑线进行检测。

干簧管是一种磁敏的特殊开关。

它通常由两个或三个既导磁又导电材料做成的簧片触点，被封装在充有惰性气体(如氮、氦等)或真空的玻璃管里，玻璃管内管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭接点。

当通过一定强度的磁场时，干簧管就会吸合，其实它就像一个开关一样，开和关取决于是否经过磁场。

利用此特点，通过上拉接到单片机的中断口，使单片机快速响应起跑线信号。

起跑线检测模块电路如图4.7.1所示：
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图4.7.1 起跑线检测电路图
4.8 LCD液晶显示与键盘模块
显示与键盘模块主要做调试用，此模块配合操作系统能发挥很大的功能。

LCD采用小巧的手机液晶屏5110，主要用于小车调试时，显示跑道参数，和各可控单元参数等。

键盘是4个按键，主要用作各参数的设定，保存等任务。

实物如图所示。

LCD5110只需低压3.3V，可由LM1117稳压供电，其有效控制线需五根（SCLK，SDIN，D/C，SCE，RST），方便控制，因其不带字库，因而自写英文字库使得系统简结。

实物如图4.8.1所示：
图4.8.1 LCD与按键模块实物图
第五章智能车软件设计
5.1 控制总流程
本队所用的软件调试工具为CodeWarrior软件和BDM仿真器，这个软件支持C语言和汇编语言的混合编程，由于C语言操作简单，可修改和移植性强，所以大部分程序都使用C语言编写，只有在某些地方加入了汇编语句。

编程基本上采用模块化的思想，使得整个设计清晰明了。

下面是系统总体的软程图。

图5.1 系统软件流程图
5.2 导线位置提取
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方案一：数字检测法。

把检测回来的信号数字化，根据数字量判断导线的位置。

这种方法路径分辨率不高，而且当导线电流不稳定的时候，容易受到干扰，适应性不强。

为提高空间分辨率，只能增加传感器数量，但每个传感器之间相互会造成较大的干扰。

方案二：模拟检测法。

根据采集回来的ad 值进行合理的运算，判断导线的位置。

这种方法空间分辨率可以达到2mm ，而且受电流变化的影响比较少，适合小车稳定的检测要求。

故选方案二作为导线提取方法。

首先，将 AD 值做归一化处理，即根据各个传感器接收赛道的最高电压和最低电压，计算出各个传感器的相对值，最后来计算黑线位置。

信号归一化的方法如下：
100 最高电压－最低电压测量值－最低电压相对值＝
求取电压值最大的传感器位置，然后和它周围两个传感器采样值进行加权计算即可求得小车的偏差。

5.3 系统控制算法
提取小车和导线之间的位置关系后，可以确定基本控制策略。

当小车偏离导线较少时，给定一个较小的回正角度，小车也可以加速行驶。

当小车偏离导线较大时，应该给定较大的回正角度和减慢车速。

经典的PID 控制是一种简单而有效的控制算法，并且已经十分成熟，将PID 控制方法应用于小车控制是可行和有效的办法。