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第十一届“ 恩智浦杯” 全国大学生
智能汽车竞赛 技术报告
学
校：中原工学院信息商务学院 队伍名称：倔强小毛驴 参赛队员：王超
张佑宇 雷达 带队教师：李伟峰 王双玲
第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
摘要 本文以第十一届全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了四轮小车控制系统的软硬件结构和开发流程。参加该比赛我们采用的是大赛组委会统一指定的 C 型车模，以恩智浦半导体公司生产的 16 位单片机 MC9S12XS128 为核心控制器，在CodeWarrior IDE v5.1 开发环境中进行软件开发，使用 TSL1401 系列的线性 CCD 进行赛道信息采集。整个系统涉及硬件电路设计、控制策略、整车机械架构等多个方面。为提高在高速运行下的稳定性，测试了不同方案的设计，并使用 Matlab 进行了大量的数据分析以及上位机的设计调试，确定了现有的整车架构和相关控制参数。并根据 TSL1401 采集到的赛道信息通过软件进行路径规划，以控制舵机的转向和后轮的差速，完成车的智能行走。
关键词：智能车，MC9S12XS128，TSL1401
目录 摘要 ............................................................................................................................. 1
引言 ............................................................................................................................. 1
第一章 方案设计 ....................................................................................................... 1
1.1 硬件系统总体方案的选定 ........................................................................... 1
1.2 软件系统总体方案的设计 ........................................................................... 2
1.3 车体技术参数 ............................................................................................... 4
第二章 智能汽车机械结构调整与优化 ................................................................... 5
2.1 智能汽车车体机械概述 .............................................................................. 5
2.2 车模机械结构的调整与改装 ...................................................................... 6
2.2.1
舵机改装 ......................................................................................... 6 2.2.2 底盘改装 ........................................................................................... 7 2.2.3 前轮定位 ........................................................................................... 8 2.2.4 主销内倾，主销后倾 ....................................................................... 9 2.2.5 前轮前束 ......................................................................................... 10 2.2.6 轮胎磨合 .......................................................................................... 11 第三章 硬件控制电路设计 ..................................................................................... 13
3.1 硬件方案设计 ............................................................................................. 13
3.2 电源模块 ..................................................................................................... 13
3.3 最小系统板 ................................................................................................. 14
3.4 驱动板 ......................................................................................................... 15
3.5 传感器和辅助模块 ..................................................................................... 16
第四章 软件算法设计与控制策略 ......................................................................... 18
4.1 PID 控制 .................................................................................................... 18
4.1.1 PID 控制简介 ................................................................................. 18 4.2 舵机位置式 PD 控制 .............................................................................. 19
4.3 电机增量式 PI 控制 ................................................................................ 20
4.4 赛道提取中心 ............................................................................................ 21
4.5 障碍识别 .................................................................................................... 24
4.6 速度控制策略 ............................................................................................ 24
4.7 停车控制策略 ............................................................................................ 26
4.8 双轮差速控制策略 .................................................................................... 27
第五章 开发工具与调试说明 ................................................................................. 30
5.1 开发工具 .................................................................................................... 30
5.2 调试工具 .................................................................................................... 30
5.2.1 蓝牙无线调试 ................................................................................. 30 5.2.2 上位机 ............................................................................................. 31 6.2.3 辅助调试 ......................................................................................... 31 第六章 总结 ............................................................................................................. 32
参考文献：
.................................................................................................................. I
附录 A：
...................................................................................................................... I
引言 “恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛是一项以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的科技创意性比赛，由教育部高等学校自动化教学指导委员会主办、恩智浦半导体公司协办。现在，该赛事已发展成为教育部面向全国大学生的大型专业竞赛之一，对培养学生的综合工程能力、创新精神、实践动手能力及团结协作精神均具有良好的促进作用。
比赛要求在组委会提供统一智能车竞赛车模、单片机、开发软件和在线调试工具的基础上制作一个能够自主识别路线的智能车，它将在专门设计的跑道上识别道路自主行驶，在不违反规则的情况下以最短时间完成比赛。
通过将近一年的准备、学习、制作以及调试，我们的小车实现了大赛基本的要求，并顺利进入全国赛。在这一年的时间里，我们汲取历届比赛留下来的精华，不断创新，一步一个脚印，理论联系实际，使我们的动手实践能力，团队合作能力有了较大的提升。
我们的智能车系统以恩智浦 16 位微控制器 MC9S12XS128 作为核心控制单元，软件平台为 CodeWarrior IDE v5.1，车模采用大赛组委会统一提供的 C 型车模，赛道传感器选用线性 CCD，速度传感器选用光电编码器,电机驱动采用经优化的全桥电路，自主构思控制方案进行系统设计，完成了智能车的制作和调试。在该技术报告中，我们详细介绍了智能车系统的软硬件结构及设计开发过程。
其中， 第一章介绍了小车的总体方案； 第二章介绍了小车的机械结构及修改； 第三章详细介绍了小车的硬件电路设计； 第四章详细介绍了小车的软件设计和相关算法； 第五章介绍了单片机软件开发工具和我们在调试时所采用的外围模块； 第六章做出了对我们做车一年的总结心得。
第一章 方案设计 1
第一章 方案设计 本章主要介绍智能汽车系统总体方案的选定和总体设计思路。
1.1 硬件系统总体方案的选定 本届智能汽车大赛光电组比赛对传感器有着严格的规定，依然禁止使用激光传感器，我们使用统一的线性 CCD，CCD 与传统的光电传感器相比有着信息量大，质量轻，电路简单的特点，但是也会有成像失真，静电干扰严重，光线干扰等问题。在今年的规则里新添加了路肩。路肩的设置对于高速运行的小车来说增加了不稳定性，小车只要撞到上面就会造成小车震荡，轻之会使车减速，重之会卡住底盘架空小车比赛失败，所以小车的稳定性对比赛来说至关重要。要保证小车运行中减少误差，必须有较好的机械结构和较为成熟的程序。
经过这一年的实践我们最终选定了单线性 CCD 进行进行赛道采集，因为双线性CCD 增高了小车的重心，在重心较高的情况下，小车在急转弯的时候就会造成车体前轮抖动，造成弯道出弯。单 CCD 虽然在数据的采集上存在一定的劣势但完全可以通过软件方面来弥补，经过实践以及向其他同学了解到，单 ccd 可以使车的综合速度可以达到 3m/s 以上。
根据以上系统方案设计，赛车共包括六大模块：MC9S12XS128 主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下：
MC9S12XS128 主控模块：将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能汽车的控制。
传感器模块：线性 CCD 是智能车的眼睛，用于赛道信息的采集，便于智能汽车的主控模块做出正确的决策；光电对管用于起跑线的检测，控制小车的发车与停车。
电源模块：为系统提供稳定的电源供应。
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电机驱动模块：控制电机进行加减速，舵机进行转弯。
速度检测模块：检测智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制。
辅助调试模块：拨码开关用于速度的选择和参数的调节。
硬件系统框图如下：
1.2 软件系统总体方案的设计 遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用恩智浦的 16 位微控制器MC9S12XS128 单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。线性 CCD 采集赛道信息，通过单片机的 ad 采集，以及软件的数据处理使单片机输出 PWM 波控制电机和舵机。由于今年光电指定车模为 C 车，所以需要使用软件差速来实现过弯。为了对赛车后轮的差速控制，在智能汽车电机传动轴上安装光电编码器，采集编码器转动时的脉冲信号，经 MC9S12XS128 捕获后定时进行数字 PID 闭环控制。此外我们还增加了拨码开关作为输入设备，用于智能车速度的选择和参数的调节。
程序系统框图如下：
第一章 方案设计 3
系统总周期8ms。
检测拨码开关速度；CCD 曝光 采集 CCD 图像，提取赛道信息，算出中心点 判断赛道情况，停车线，障碍，直道，弯道 差速调用，取出左右轮的速度以及速度pid的动态 p 值 方向控制，利用所算出的赛道偏差，和赛道元素对舵机进行 PD 控制。
速度控制，利用赛道信息结合速度策略，使用 PI 控制对小车左右后轮速度控制
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1.3 车体技术参数 改造后的车模基本参数 长：310mm(<400mm) 宽：165mm(<250mm) 高：320mm(<400mm) 符合赛方规定参数。
本系统传感器总数为 7 个 传感器 数量（个）
线性 ccd 1 红外对管 4 编码器 2
第二章 智能汽车机械结构调整与优化
5
第二章 智能汽车机械结构调整与优化 智能汽车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识，然后建立相应的数学模型，从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进优化和提高结构的稳定性。本章将主要介绍智能汽模型车型车的机械结构和调整方案。
2.1 智能汽车车体机械概述 此次竞赛选用官方指定的智能车竞赛专用的 C 模型车，配套的电机为 260 电机，伺服器为 S3010。智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。
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智能车的外形。
模型车基本参数：
尺寸
轴距
200mm 前轮距
160mm
后轮距
160mm
车轮直径
52mm
2.2 车模机械结构的调整与改装 车模本身的机械结构是通用结构，并不适合智能车竞赛的要求，因此要对 这些部分进行改装，另外，为了提高车模的运动性能，对一些机械结构还需要 调整，比如车轮前束等。这部分着重介绍舵机改装、底盘等部分的调整和...
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