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1、西北工业大学翱翔队技术报告第四届“飞思卡尔”杯全国大学生学校：队伍名称：参赛队员：带队教师：智能汽车竞赛技术报告西北工业大学翱翔队马文佳刘博曹小宝曲仕茹唐炜I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四届全国大学生“飞思卡尔”杯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：摘要智能汽车应用环境感知、决策计划、计算机图像技术、自动控制技术等技术，使汽车具有自动识别
2、行驶道路，自动驾驶，自动调速等功能。本论文以智能汽车大赛为背景，制作能自主识别路径，快速、稳定行驶在跑道上的智能模型车。首先介绍了系统总体设计思路，然后分别阐述了硬件、软件的设计与实现，以及机械调整和系统调试，最后总结了智能汽车制作过程中遇到的各种问题。本车控制系统采用Freescale 16位微控制器作为核心控制单元，通过处理摄像头采集的道路信息控制转向，并接收车速传感器的反馈信号对车速进行控制。为了提高智能车性能，我们对系统进行了创造性的优化：其一，硬件上，采用新单片机MC9s12XS128作为控制器，采用数字式和模拟式摄像头兼容的方案；采用四片MC33886并联来驱动电机，很好的解决了一
3、片驱动芯片驱动电流小，温度高的问题。其二，舵机控制将弯道预判、模糊控制算法进行结合。其三，独立设计了控制电路板，利用高精度传感器编码器测速，运用基于PID思想的 Bang-Bang控制相结合的方式实现了速度闭环控制。其四，充分利用单片机现有模块进行编程，同时拨码开关、状态指示灯等方便了算法调试。智能车的控制系统需要硬件、软件以及机械等方面相互协调，所以在系统设计过程中需要不断的调整与完善。关键词：智能车，MC9S12XS128,编码器ABSTRACTSmart car using environmental sensing , dec is ion - making,第一章弓|言compute
4、r graphics technology, control technology has the abilities of premise of achieving, automatic driving and vehicle navigation support.In this paper, we design a small intelligent car which can travel independently on the given runway, in the background of the intelligent car competition. This articl
5、e firstly introduced the idea of system design, and then separately set out the design and implementation of the hardware and software, as well as the mechanical adjustment and system debugging, and finally summed up the problems encountered. Freescale 16 bit MCU served as the intelligent unit in th
6、is control system. Steering system works according to camera sensor and vehicle speed controlling relied on speed sensor . In order to improve the performance of the car, we optimize the system using some creative methods. Firstly, MC9S12XS128 used as a new single-chip controller ,using the program
7、which is compatible for digital and analog camera; the use of four parallel MC33886 to drive the motor, a very good solution to the current driver IC drives a small, high temperature. Secondly, the steering gear control combine curve pre-detecting and the P1D algorithm. Thirdly, we design a S12XS ba
8、sed controlling board independently, using high- precision Rotary Encoder, and using Bang-Bang and PID control to achieve a combination of closed-loop control of speed. Lastly, we make the full use of the MCU in the process of the software design. With the help of the wireless serial port, the input
9、 switch and the denoting LED, the program debugging is easier.Intelligent vehicle control systems require hardware, software and mechanical coordination, etc. So the design process in the system requires constant adjustment and improvement.VKEY WORDS: smart car, MC9S12XS128, Rotary Encoder目录摘IllABST
10、RACT IV第一章引1.1竞赛规则概述11. 2本文章节安排及文献综述2第二章车模总体设计41.1 车模总体设计目标42. 2硬件设计思路53. 3机械设计思路54. 4系统软件设计思路6第三章机械结构设计75. 1车模组装与改造76. 1.1车模组装73.1.2前轮定位的调整73.1.3差速的调整83.1.4舵机力臂的调整8VI第一章引言3.2摄像头的安装93. 3编码器的安装113. 4舵机的安装113.5电路板的固定与安装12第四章硬件系统设计与实现134. 1传感器的选型134.1.1 摄像头选型134.1.2速度传感器选型134.2电源模块154.2.1降压稳压电路设计164.2.
11、2升压稳压电路设计164.2.3电源模块小结174.3视频分离模块174.4驱动模块184.5本章小结20第五章软件系统设计与实现225.1智能车模型建立225.1.1基于后轮差速的运动模型225. 1.2基于速度和前轮转角的运动模型265.1. 3运动模型仿真31 VI15.2路径识别原理和实现335.2.1视频图像信号采集335.2.2图像处理335.2.3黑线的提取365.3控制算法的理论分析375.3.1方向控制395.3.3速度控制425.3.4控制算法的优化部分445. 3.5算法的程序实现455.4系统软件初始化48第六章开发与调试536. 1软件开发环境介绍536.2智能车整体
12、调试546.2.1舵机调试546.2.2电机调试556.2.3整体调试55第七章结论.557.1总结.557.2展望.56参考文献.LVIII VIII第一章引言附录AIIXX第一章引言1.1竞赛规则概述受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。自第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛于2006年8月在清华大学举行以来，此项大赛一跃成为各大高校的热点赛事。第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛将于2009年8月在北京科技大学举行。此项赛事，在韩国已经举办过六届，其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、
13、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。在本次比赛中，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 MC9s12XS128作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统计，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，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制硬件系统。各参赛队完成智能车工程制作及调试后，于指定日期与地点参加比赛。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。下面是
14、比赛的主要细则：一、器材限定1、竞赛车模1）禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；2）禁止采用其它型号的驱动电机，禁止改动驱动电机的传动比；3）禁止改造滚珠轴承；4）禁止改动舵机，但可以更改舵机输出轴上连接件；1第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告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）为了安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。2、电路器件及控制驱动电路1）赛道路面用专用白色基板制作，在初赛阶段时，跑道所占面积在5m义7m左右，决赛阶段时跑道面积可以增大。2）跑道包括普通赛道和窄道区两部分。普通赛道宽度不小于60cm ,窄道
15、区的宽度不小于45cm；3）跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm。铺设赛道地板颜色不作要求，它和赛道之间可以但不一定有颜色差别；4）跑道最小曲率半径不小于50 cm；5）跑道可以交叉，交叉角为90；6）赛道直线部分可以有坡度在15之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。7）在驶入窄道区和一个长度10cm黑色计时起始线，赛驶出窄道区时，赛道上有车前端通过起始线作为比赛计时标志。该标志距离窄道区开始或者结束时刻。3cm25cm,在进入和驶离窄道区有两种标志（如图1所示）：a）黑色正三角形，位于赛道中心。边长25cmo b）赛道突起，颜色白色，厚度0.5cm,宽度3cm。赛车可以根据
16、上述标志判断是否进入或驶离窄道区。8）赛道有一个长为1m的出发区，如图2所示。计时起始点两边分别有图1窄道区示意图2第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告图2赛道出发区示意图1. 2本文章节安排及文献综述本文系统的介绍了制作本智能模型车的各项技术。具体章节安排如下：第一章引言介绍了本次比赛的背景，引出下文。第二章车模总体设计总体的分析了提高赛车可靠性的各个因素，介绍了智能车的总体设计目标和机械、硬件、软件等部分的设计思想。第三章机械结构设计介绍了智能车的搭建与调整，以及摄像头、光栅编码器与电路板的安装。应用了一些相关的汽车理论知识，如参考文献8。第四章硬件系统设计及实现分析智能车系
17、统各组成部分为实现特定功能应采用什么样的电路，能达到最好效果同时产生的噪声和对其他电路的干扰最小。参考的主要资料是芯片的 datasheet,如参考文献7,9,10,11,12。第五章理论分析与算法实现从建模的角度分析车的运动形式，最后得出控制算法。其中，数学基础理论参考了文献13。在控制算法上，我们对比了模糊控制和PID控制，最终采用模糊控制。主要参考文献有14,15,16。第六章软件系统设计与实现介绍了本智能车系统的初始化，图像采集、图像处理和黑线提取的方法。在视频信号24.5cm第一章引言的采集上，我们主要参考了视频技术与应用（参考文献18）在图像的处理上用到了MATLAB 7.0控制系
18、统应用与实例。第七章开发与调试介绍了软件开发的环境，以及对各部分的调试方法。我们软件开发环境为Metrowerks公司开发的软件集成开发环境Codewarrior,因此，我们仔细研究了 Codewarrior使用指南（参考文献17）。第八章总结与展望总结了几个月来的工作，对未来进行了展望.3第二章车模总体设计2.1车模总体设计目标根据以往的经验来看，车模的稳定性是第一位的，不然车模速度再高可无法跑完全程也无济于事。其次，车模在稳定工作的前提下要能达到较高的速度，并且拥有出色的转向性能。车模的可靠性由机械可靠性、硬件可靠性以及软件上的可靠性综合保证，其中机械的可靠性主要由严谨的机械装配和合理的机
19、械调校来保证，而硬件和软件的可靠性主要指标是摄像头的成像质量以及图像处理的稳定性。为了确保硬件和软件的可靠性，我们需要多次的在不同环境下的测试，获取足够多的测试数据，分析设计从而选择出最优的方案。首先，要使车模的速度提高并且有较好的转向能力，最直接的方法就是提高车模的机械性能。其次，车模的重心越低对车模的转向性能越有利，因此摄像头不宜装在较高的位置。再次，除了机械结构的调整外，硬件电路一定要精简，来减小车模的重量，电路一定要合理，防止车在行动中出现复位的情况，驱动电路也是影响车模速度的关键，我们需要低内阻、大功率的驱动电路使车模获得较高的直线速度和加速度，以及入弯时足够快的减速。以下我们详细介
20、绍一下我们的设计思路。图2.1系统模型框图4第三章机械结构设计2. 2硬件设计思路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。通过总结以往各届比赛经验和各个参赛队伍的技术方案，我们首先确定了我们硬件设计方向与思路。1、电路集成度高。我们的电路巧妙地融合了模块化设计和一体化设计是两种设计思路。利用模块化系统有良好的扩展性，可升级性，维护性好等优点，将驱动电路和最小系统等其他电路分离开。又结合集成化的设计思路原件密度高，系统可以小型化一体化的特点，针对智能车布局空间非常局促的现状，小型化
21、的电路设计更为方便布局，所以我们将最小系统、电源模块和视频模块等其他模块整合到一块电路板上，又做了一下地线的隔离措施。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。2、看的远，高分辨率方案。在摄像头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直至抛弃记忆算法。而高分辨率则是大前瞻的保证，几十个像素的分辨率显然不能让赛车的视野跳出车前几十厘米的范围。2. 3机械设计思路系统的机械设计和硬件一样是整个系统的
22、基础。机械性能直接影响到赛车的速度，良好的机械性能对车子提高赛车的稳定性和速度起到至关重要的作用。我们参照F1赛车的机械标准并结合赛车的实际情况，总结出了提高机械性能的设计思路。1 .车身重心要低。通过以往几届比赛的经验我们看到，5第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告想要取得好的成绩，车身往往重心低，体积小巧，布局紧凑。而重心过高的赛车往往在高速过弯时出现侧翻。而通过汽车理论与现实中的竞速类比赛我们也可以看到，凡是竞速类的赛车均是低重心设计。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，尽量降低摄像头高度，以
23、提高赛车的侧翻极限。2 .轻量化设计。重量的减轻，可以带来加速快，减速及时等一系列有点，所以在达到设计目标的情况下，应尽可能减轻车重。但不可以太轻，否则车在转弯的时候很有可能会翻车，一旦翻车摄像头位置变动，很难再把车调得顺畅。2. 4系统软件设计思路系统的软件方面，我们首先要考虑的因素就是要保证赛车的稳定性。以此目标为核心，我们的软件包括了一下几个子模块：1 .硬件端口连接及系统初始化；2 .图像处理与黑线提取；3 .起跑线判别；4 .路径识别及出错处理；5 .控制算法及最优路径优化。6第二章机械结构设计在智能车比赛中，最主要的比赛内容是速度，而模型车的机械结构无疑是影响速度的关键因素之一。鉴
24、于这个原因，我们对模型车的机械结构做了很多的调整工作，进行大量调整，达到了比较满意的效果。3. 1车模组装与改造3.1.1车模组装模型车的组装工作看似简单，却需要很多的耐心和经验。首先，仔细阅读说明书。通过阅读模型车的装配图，可以了解各个不同零件的用途和安装顺序。然后，根据模型车的装配图组装智能车模型。由经验得到，在组装过程中，不但要注意模型车的组装顺序，而且由于模型车零部件较小，组装过程中要防止零部件滑落和丢失。特别是，由于模型车上的大部分零部件材质均为塑料，在拧螺丝以及对零件进行加工时要格外的小心，以免损坏。3. 1.2前轮定位的调整在调试中我们发现，模型车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮
25、转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，我们对前轮定位进行了调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮定位参数主要包括：主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束8。主销后倾角是主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角。主销内倾角是主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角。7第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告前轮外倾角是汽车横向平面与车轮平面的郊县与地面垂线之间的夹角。在一般情况下，主销后倾角为0-3度，主销内倾角为0T0度，前轮外倾角为0度或者1度。在本模型中，后倾角过大会使得模型车转向沉重，从而使舵机转向存在严重的滞后，故在
26、模型车中将主销后倾角调整为。度；主销内倾角过大不仅会使得转向变得沉重，还将加速轮胎的磨损，因此将主销内倾角控制在5度以内；前轮外倾角和前轮前束分别设为0度、0mm。3. 1.3差速的调整模型车的差速对转弯时的影响很大，差速性能不好会导致后轮空转，发生侧滑现像。我们通过添加推力轴承和润滑油的手段，改进差速装置，使得模型车在转向时，后轮与后轴之间的摩擦大大降低，从而提高了差速的效果，进而提高了小车的转向性能。3. 1.4舵机力臂的调整相对于S12X单片机的处理速度，鸵机的响应存在着较大的延时，对鸵机的改造着实需要。在相同的舵机转速条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向变化越快，
27、本模型车中通过用转向盘代替舵机上的曲柄来增大舵机的上连接点到舵机中心的距离，增加了输出转动力矩，使得前轮在转向时更加灵敏。8第三章机械结构设计图3.1舵机的改造4. 2摄像头的安装考虑到单片机的处理速度和电路限制问题，把CCD图像传感器的数量定为1个。如何安装CCD传感器将会影响到两个方面的性能，一是图像处理的复杂程度和精度，二是小车的机械性能。如果小车的重心靠近后轴，对模型车动力性能是由益的；如果重心靠近前轴，对模型车的制动性和操纵性有益。考虑到智能车大赛对模型车的动力性要求并不像真正的赛车比赛要求那么高，而模型车所能达到的最快速度并不高，所在安装CCD摄像头、电池和电路板位置时，应适当使模
28、型车的重心位置前移，从而提高转弯性能。因此我们将摄像头架设在舵机的上方，这样不但能够明显的将模型车的整体重心前移，而且能够使得摄像头更好地获取前方路况信息。模型车摄像头的架设主要要考虑一下几个因素:1 .确保摄像头位置的居中，因为当摄像头不居中时，其采集进来的图像也不是居中的，而处理程序对舵机输出量是居中的，这样就会导致模型车在直道上也会存在左右摆动的问题。2 .摄像头的高度要足够高，这样可以使得模型车在摄像头的角度不是很高的情况下就能够前瞻到前方足够远处的路况信息，因为当摄像头的角度过大时候，采集进来的图像形变过大，且图像中的干扰信息增多，对模型车的处理算法十分的不利。3 .摄像头的架设一定
29、要是可调整的，以便于摄像头居中的校正，以及在实际调试中选择最佳摄像头角度，以及对摄像头视野范围进行标定。9第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告图3.2摄像头远度标定经过多次的实验，我们对摄像头的远度进行了标定，对摄像头的采集的图像信息进行了中心位置的校正。如图3.2所示，当摄像头架设为24cm高时候，倾角为42度时候能够采集到前方14cm到120cm的图像信息，对于识别直道、弯道和“S”道信息量已经足够。如图3.3所示，将小车位置放置于所作的方格纸中心位置，将摄像头的视频信息接入到电视机中，通过调节摄像头各个旋转变量使得摄像头的图象位置居中。校正后的摄像头能够采集到小车前方上底为
30、1m,下底为0.45m,高为L 2m的等腰梯形图象。1.0m0.45m第三章机械结构设计图3.3图象中心位置校正3. 3编码器的安装对编码器的安装，我们是将编码器安装到电机后架上面，主要有两种方法固定；1 .用强力胶粘，这种方法方便，位置自由度大，且不增加额外的重量。但一旦安装上，很难把编码器再取下来，不能重复使用。2 .用特制的木架支撑。这种方法需要特殊的设计，但安装方便、重复利用率高。图3.4编码器的安装3 .4鸵机的安装舵机的安装我们采取的方式是：舵机立着架，这样可以加长摆臂，提高响应速度，但这样一来，控制精度降低，考虑到舵机的控制精度较高，相比之下响应速度需要提高，故我们将舵机立着架，
31、并适当将其抬高。11第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告图3.5舵机的安装4 .5电路板的固定与安装在电路板的安装这部分，我们考虑到结构的稳定性，以及规则中对车辆尺寸的限制，最终决定采用高架、立体的搭建方法，即用支架把主控板较高地固定在底盘上方。这种布局可以保证车辆行驶稳定。图3.6电路板的安装12第四章硬件系统设计与实现硬件电路的设计是自动控制器的基础。智能汽车竞赛指定飞思卡尔公司S12X系列的16位单片机MC9S12XS128作为核心控制处理器。本智能乍采用了组委会提供的开发板 MC9S12XEVKC作为单片机最小系统，并在此基础上增加了各种接口电路板组成整个硬件系统。下面将
32、对传感器的选型及硬件设计中除了单片机最小系统之外的其他几个主要的模块设计进行讨论。4.1传感器的选型4.1.1摄像头选型基于普通的CMOS摄像头的功耗大，电源电路复杂，并且成像质量较差等原因，我们选择了动态性能较好的CCD摄像头。为获取较大的视野范围，我们选择了1/3CCD,配合3.6mm镜头。图4.1摄像头4. 1.2速度传感器选型基于测速的精确和重量轻的原则，速度检验传感器采用13第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告日本OMRON公司的E6A2-CW3C型旋转编码器作为车速检测元件。其精度为车轮每旋转一周，旋转编码器产生200个脉冲，其硬件电路简单，且信号采集速度快、精度高，
33、满足赛车车速控制精度要求。旋转编码器的工作电压为512伏，输出为一系列冲。E6A2-CW3C型编码器的输出方式为电压输出，因此本系统将编码器的输出接一个5K上拉电阻再与PT7相连。PT7采用8位输入脉冲累加模式对旋转编码器的输出脉冲进行累加计数。车速检测单元安装如图4.2所示，在编码器的中轴上安装一个齿数18的齿轮，并将该齿轮与同轴于后轮的传动齿轮咬合。如此则后轮旋转的同时将通过传动齿轮带动编码器一同旋转。因此只需要测量一定时间(5.12ms)编码器输出的脉冲数就能准确计算出车速。车速的计算公式如公式1所示：(4.1)式中，d为后轮直径，n为采样时间内PT7捕获的脉冲数，T为采样周期。图4.2
34、编码器安装图14第四章硬件系统设计与实现4.2电源模块电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。全部硬件电路的电源由配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。主要包括以下不同的电压。5V电压。主要为单片机系统、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流
35、容量大于500mA。12V电压。主要为CCD图像传感器提供12V的工作电源。7.2V电压。这部分直接取自蓄电池两端电压，主要为舵机、后轮电机驱动模块和部分接口电路提供电源。除了7.2V电压可以直接由蓄电池获得，5V电压需要通过降压稳压电路获得，12V电压通过升压稳压电路获得。电机驱动电路的电源可以直接使用蓄电池两端电压。模型车在启动过程中往往会产生很大的冲击电流，一方面会对其他电路造成电磁干扰；另一方面由于电池内阻造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需要的最低电压值，产生单片机复位现像。为了克服启动冲击电流的影响，可以在电源中增加容值较大的电解电容，也可以采用缓启动的方式控制电机。在启
36、动时，驱动电路输出电压有一个渐变过程，使得电机启动速度略为降低从而减小启动冲击电流的幅度。15第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告4.2.1降压稳压电路设计我们采用的降压稳压芯片是LM1117-5.09。LM1117-5.0是一种低压差的线性稳压器件，最大输出电流为1A,足够提供系统中5V器件所需功率。另外，其输出电压波动范围仅为0. IV,精度较高，经实验证明，能够满足本智能车系统中各项要求。LM1U7电路如图4.3所示。图4.3 LM1117电路图4.2.2升压稳压电路设计主要的升压芯片有MC34063A/E, MAX734, MAX632。在去年的比赛中，使用MAX734,
37、 MAX632芯片作为升压器件的参赛队伍很少。而MC34063A/E芯片的使用却很多。并且我们在很多参考数目上都看到了使用MC34063A/E芯片作为升压电路的实例，所以我们决定采用它作为升压器件。MC34063是开关稳压芯片，可构成升压、降压斩波电路。输出开关电流大于1.5A。2.5mA的低静态电流。若将MC34063应用到本升压电路，使输入VIN为7.2V,输出为12V,则应将电路更改为图4.4所示。实验表明，这个电路能很好的实现12V升压的功能，满足本智能车硬件电路的需要。虽然有一定的发热，但是完全不影响各部分工作16第四章硬件系统设计与实现图4.4 MC34063得到12V升压4.2.
38、3电源模块小结综上，可以得到电源模块星型电路结构图4.5：图4.5电源模块框图4.3视频分离模块一般来说，面阵CCD已经将芯片的驱动电路集成在一起了，它的输出信号为标准的模拟复合视频信号。该信号中主要包括了同步信号和图像信号，它的幅值为IV左右。对于该信号可以不经过放大直接由单片机的A/D端口采集到视频图像数据。此外，还可以直接通过外部的电压比较器，将模拟视频信号变成高低电平信号，通过单片机的I/O 口输入到计算机，这样可以避免由于单片机A/D转换速度而带来17第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告的采集图像分辨率低的问题。无论采用哪种方法，都需要专门的视频同步分离电路提供行、场同
39、步信号，这些同步信号一般送到单片机的外部中断端口。本智能车采用LM1881作为视频信号同步分离芯片。基于S12X单片机11采集视频图像电路系统框图如图4.6所示。其中包括有S12X单片机最小系统、同步分离电路、5V稳压电路、12VMe34063斩波升压电路等。其中S12X单片机端口资源配置如下：1. AD输入端DADO：输入视频模拟信号；2.外部中断口 IRQ：输入行同步信号；3. VS接单片机的PH1口:输出场同步信号。图4.6视频信号同步分离电路4. 4驱动模块直流电机的控制由单片机的PWM信号来完成，驱动芯片采用飞思卡尔半导体公司的驱动器MC33886。其工作电压为5-40V,导通电阻为
40、120M 3,输入信号为TTL/CMOS, PWM频率小于lOKHzo电路如图4.7所示。其中DI、D2是MC33886的使能端，INI、IN2为输入端，0UT1、0UT2为其输出端。单片机通过PWM通道的占空比控制电机速度，IN2和1N1分别接到PP2和PPO上控制电机的1E 转和反转速度（因为电机工作频率小于lOKHz,所以一个通道控制电机速度就够了），正转为智能车加速，18第四章硬件系统设计与实现当转弯时利用了反转PWM波来控制电机的减速；D1和D2接到单片机的10口上控制电机转动方向（正转或反转）。(MH I DUYIOU 12 CMJT3AONDt*aM eaM rcJNi1NI(
41、1NVMCJlKNbRT INI IN2 DI nrVocxrOUT! OUTIIMJT2 (MJT2AUNl)raMi FCJNO PONO PUNO1NCR23R2_43. 3K3. 3KovnCAT5JKIs- I 2卜，fs INI IN2 DI ii?FOND FOND FOND FONDMC*um6ouri otmuvri ovnACINI)图4.7 MC33886电路示意图参照前几届的驱动电路，MC33886主要有以下几个缺点：1 .单独使用驱动电流太小，不能使电机获得较大的加速度。2 .单独使用时，33886的温度很高，使用一段时间后加速性能明显下降。3 .使用半桥时，入弯减速
42、性能不行。根据以上内容我们采取4片33886全桥并联起来使用，这样驱动电路总体的输出电流变大，同时由于4片同时工作减轻了单个驱动芯片的压力，芯片的温度不是很高，在车入弯时速度可以很快的减F来，确保车子不会冲出跑道。除此之外我们曾尝试用4个IRF540做驱动电路，但由于种种原因我们没有采用。但同时也发现了几个问题：1.4片同时工作时，有时会出现电流不均的现象就是四片芯片的温度不一样甚至有时会出现一个片子很热其他三个温度很低。我们已经在画电路板时尽量做到4片布局、间隙、电容型号的统一，但有时还会出现上述问题。我们也在19第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告探索问题的原因。2. 338
43、86的输入频率问题。通过询问电机方面的专家得知，控制电机的PWM信号频率越高对电机越好，电机发烫情况越轻，但实际给出的33886输入频率上限只有10M,部分队伍把输入频率给到了20M也可以用但这样对33886的稳定性的影响我们一直在做探索。3. 单片机输出的PWM信号之间的同步性。电机发烫的原因也可能是由于单片机输出的 PWM信号存在延迟，使33886处于制动状态，进而电机两端短接，电机发烫。图4.8驱动实物图4. 5本章小结根据硬件系统的设计，得出系统硬件参数如下表4-1：表4-1系统硬件参数项目:参数路径检测方法（赛题组）摄像头车模几何尺寸（长、宽、305X172X250车模轴距/轮距（毫
44、米）172车模平均电流（匀速行1150电路电容总量（微法）1673.220第四章硬件系统设计与实现21传感器种类及个数编码器1个，摄像新增加伺服电机个数0赛道信息检测空间精度10赛道信息检测频率（次/50主要集成电路种类/数量主控制板1片,驱车模重量（带有电池）（0.93第五章软件系统设计与实现5.1智能车模型建立4.1.1 基于后轮差速的运动模型在车辆运动模型中，当车速不是很高的情况下，车辆转向中一般可以参考下面的一个模型。图5.1 Ackman汽车运动模型当小车转角为时候可以根据车长来求出小车当前的转弯半径tan (5.1)式中L是小车的轴长，为小车的转角，R为后轮转弯半径。然而这个模型只
45、是适合在低速的情况下才能够得出较为精确的结果，鉴于本智能车的速度不高，在后轮差速很好的情况下，侧滑的因素将得到有效的抑制，可以考虑用这个模型来处理。考虑图5.2所示的以小车驱动轴中点为参考的运动模型，22第五章软件系统设计与实现Mk和Mk 1为参考点运动的两个连续位置，XK、XK 1为后轴中0为点的速度方向，即小车的纵向，K为小车初始的方向角，小车的转向中心，那么可以得到13：图5.2智能车后轴中点运动模型R1(5.2)其中是tk到tk 1时间内小车所走过的的距离，是小车的横向角速度，R1是小车的后轮的转弯半径。由图中的几何关系可以得到：x xcos()kk k 12 y y sin()k l
46、kk2 k 1 k3)上式的结果即为小车后轴中点在运动过程中的轨迹方程，在t足够小的情况下，随着K和xK, yK的不断变化可以画出其运动轨迹。当给出小车的初始方向角和初始坐标时，就可以推导出任何时刻小车的坐标值。在下面考虑小车整个模型的时候，用后轮差速的已知量，或者前轮转角和后轮速度值23第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告来替换图中的变量就可以得到，基于后轮差速和基于前轮转角和后轮速度的运动方程。接下来我们考虑小车的整个模型，如图5.3所示。表示其中L表示小车的轴间的距离，e表示轮距的一半,小车的转角，R1表示小车后轮的转弯半径，中间的方向轮为虚轮。由图中所示的几何关系可以得到:RI Ltan(5.4)将(5.2)带入(5.4)可以得到：RI L(5.5)图5.3智能