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1、第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：哈尔滨华德学院队伍名称：华德光之翼参赛队员：齐亚军刘春超董海亮带队教师：赵建新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九届“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：参赛队员签名：参赛队员签名：带队教师签名：日期：摘要本文介绍了华德“光之翼”队制作“飞思卡尔”智能车的全部过程。本智能车系统以飞思卡
2、尔高性能32位单片机K60为核心，通过IOmH电感检测赛道导线激发的20kh电磁波来引导小车行驶，用编码器来采集小车的速度。赛道的电磁信号我们先使用精密仪表放大器进行放大，再利用肖特基二极管组成的峰峰值检波电路将放大后的电磁信号转换为正比于交流电压信号峰值的直流信号，最后通过AD采样获取当前传感器在赛道上的位置。速度控制上，我们使用经典PID算法和鲁棒控制法及模糊控制算法。此外，为了提高调试的方便性，我们使用了无线蓝牙模块配合LabView上位机软件采集赛道信息，并且使用Proteus等工具进行辅助仿真。单片机开发平台为IAR6.60o关键字：飞思卡尔智能车，K60,蓝牙模块，1OmH电感，经
3、典PID,IAR6.60目录摘要H第一章引言11.1 概述11.2 智能车系统介绍21.3 章节安排3第二章智能车机械调校52.1 前轮调整52.2 舵机固定与安装82.3 降低虚位92.4 齿轮啮合92.5 调整重心102.6 零件制作102.7 轮胎的摩擦力10第三章智能车硬件系统123.1 单片机最小系统123.2 电源模块133.3 传感器模块143.3.1 传感器的选择143.3.2 传感器的硬件制作173.3.3 传感器排布的设计193.4 起跑线检测213.5 电机驱动模块223.6 测速装置243.7 小车主板设计25第四章智能车软件系统284.1 软件系统概述284.2 时钟
4、模块284.3 AD模块以及信号采集策略294.4 PWM模块以及控速策略294.5 终点线检测314.6 主程序流程图31第五章智能车开发平台325.1 硬件开发平台325.1.1 硬件平台325.1.2 硬件开发平台335.2 软件开发平台36第六章总结376.1参赛心得37参考文献39致谢40附录A：模型车技术参数及特色41附录B：模型车外形照片42附录C：模型车电路原理图43附录D：模型车程序源代码44第一章引言飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，系统涵盖了机械、电子、电气、传感、计算机、自动化控制等多方面知识，一定程度上反映了高校学生
5、科研水平。本章节详细阐述了智能车系统的研究背景和本智能小车的设计总体概况。1.1 概述为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革,受教育部高等教育司委托（教高司函2005201号文），由教育部高等自动化专业教学指导分委员会（以下简称自动化分教指委）主办全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识,激发大学生从事科学研究与探索的兴
6、趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办
7、方，得到了教育部相关领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，己发展成全国30个省市自治区近300所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一（教高函200730号文）。全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、专家主办
8、、学生主体、社会参与”的16字方针，充分调动各方面参与的积极性。全国大学生智能汽车竞赛一般在每年的10月份公布次年竞赛的题目和组织方式，并开始接受报名，次年的3月份进行相关技术培训，7月份进行分赛区竞赛，8月份进行全国总决赛。本次比赛分为光电组、摄像头和电磁三个组别，本论文主要介绍电磁赛题组的智能车制作。1.2 智能车系统介绍在本报告中，我们介绍了飞思卡尔智能车的硬件设计、软件设计、机械的调校、开发平台的设计和应用详细地阐述了我们的思想和创意。本此比赛中，我们独立设计、实践创新，先后解决了电磁传感器问题和电机驱动问题。随后经过多次数据采集以及分析、方案论证、调试车模，最终巩固了算法。本智能车系
9、统包含以下几个部分：1）电磁传感器；2）电源模块；3）单片机最小系统及外围电源模块；4）单片机与电机驱动隔离电路；5）电机驱动模块；6）测速编码器设备；7）起跑线检测模块；系统的整体模块图示如图1.2.1所示。上位机图L2.1系统的整体模块图示1.3章节安排本论文章节安排如下：第一章引言：详细介绍了本智能车的研究背景以及系统的总体概况；第二章智能车机械调校：详细介绍了本智能车在机械结构上的调整，包括前轮的调整，舵机的固定等；第三章智能车硬件系统：详细介绍了本智能车各个硬件模块电路的设计、制作和方窠的选择；第四章智能车软件系统：主要介绍了本智能车软件设计、算法设计，详细的介绍了舵机控制和速度控制
10、;第五章智能车开发平台：详细介绍了智能车硬件仿真平台、硬件开发平台、仿真平台、软件开发平台和数学分析平台；第六章总结：详细的介绍了本次智能车制作的心得、本智能车的不足和值得改进的地方；附录A：模型车技术参数及特色；附录B：模型车外形照片；附录C：模型车电路原理图；附录D：模型车程序源代码；小车机械上的限制会使小车的速度到达一定值时，无法继续提速。因此,机械的合理调整，在小车后期的提速中起到了不小的作用2.1前轮调整要保持车辆直线行驶的稳定性，使小车直道稳定、弯道转向轻便，必须确定车轮定位参数，包括主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束。阿克曼矩形转向梯形是我们调整前轮特性的主要参考，阿克曼原理
11、的基本观点是汽车在直线行驶和转弯行驶过程中每个车轮的运动轨都必须完全符合它的自然运动轨迹，从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象。阿克曼图形如图2.Ll所示。图2.1.1阿克曼图形主销后倾角：主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩，阻碍车轮偏转。主销后倾角越大，车速愈高，车轮偏转后自动回正力越强。但回正力矩过大，会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并使转向沉重。通常后倾角为13。主销后倾如图2.L2所示。图2.1.2主销后倾主销内倾角：在小车前后方向上，主销向内倾斜一个角度，主销轴线与垂线间的夹角称为主销内倾角。当汽车转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾，则车轮连同整个小车的前部将被抬起
12、一定高度，在外力消失后，车轮就会在重力作用下力图恢复到原来的中间位置。通常主销内倾角不大于8。主销内倾如图2.1.3所示。图2.1.3主销内倾前轮外倾角：在汽车的横向平面内，前轮中心平面向外倾斜一个角度，称为前轮外倾角。前轮外倾角一方面可以使车轮接近垂直路面滚动而滑动减小转向阻力，使小车转向轻便；另一方面减少了轴承及其锁紧螺母的载荷，增加了使用寿命，提高了安全性。一般前轮外倾角为1左右，但对于有高速、急转向要求的车辆，前轮外倾角可减小甚至为负值。前轮外倾如图2.1.4所示。图2.1.4前轮外倾前轮前束：俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是稍微带一些角度，这种现象称为前轮前束。车
13、轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不良后果，二者相互协调，保证前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。前轮前束一般为012u前轮前束如图2.1.5所示。图2.1.5前轮前束对于C车而言在不修改零件的前提下可调整的有前轮外倾和前轮前束，由于我对车辆机械了解不多所以仅做了这两项调整，但我感觉C车的主销后倾角过大产生了一些不利影响。调整的目标是：小车直线行驶平稳，弯道转向轻便、灵活、稳定。由于车辆本身的一些特点，例如轮胎特性、轮胎摩擦力、减震强度等，使我们在实际调整时要对理论的方案进行一些改动，最后做出的调整方窠为：前轮外倾角-2左右（曾大转弯时轮胎与地面接触面积），前轮前束-1左右（减小转向阻力）
14、。2. 2舵机固定与安装舵机固定我们采用的是舵机直立方式，舵机固定如图2.2.1所示。图2.2.1舵机固定2.3降低虚位前轮虚位是车速限制的大问题，它使控制不准确和产生不可预期的影响;除去舵机本身的虚位，前轮可调整的有轮与轴、轴与轴和连接件之间的缝隙,可以通过加垫片和调整连接件位置来降低，如图2.3.1所示。图2.3.1降低虚位2.4齿轮啮合齿轮咬合调整：调整齿轮咬合，以不松动，无卡滞，松紧合适为准。另外还要保证齿轮间咬合有足够的接触面积。可打开电机听转动声音，尖锐和零碎的声音都是不正常的，尖锐的是啮合过紧，零碎的是啮合过松，如果声音始终不正常那就有可能是零件本身的原因，C车齿轮啮合如图2.5
15、.1所示。图2.5.1齿轮啮合2.5调整重心低的重心可以使车运行稳定、转向灵活，在过弯时不容易出现翻车现象，C车前轮可以增加垫片后轮可以翻转后轮轴固定座降低重心，在实际调整时，我们让车在不影响上坡的前提下重心尽量低；前后重心应保持在中后部，由于电磁车前方架了传感器，所以重心一般不会靠后，应调整布局和材料使重心靠后；另外车上无关紧要的零件能去则去，以减轻重量。2.6零件制作本车零件采用纯手工制作，制作过程对零件要求精益求精，材料选则在满足要求的前提下尽可能的轻，由于手工制作精度差，所以建议采用CAD制作零件，准确快速，提高效率。2.7轮胎的摩擦力打磨轮胎，众所周知，新轮胎的摩擦力是不足的，需要进
16、行打磨处理，这个如何打磨貌似有很多方法，但是归到最终就是多在赛道上磨合，然后比赛的时候保留一份轮胎。轮子中间有凸起的一圈，尽量去掉和磨平。可以采用将轮子卸下来，然将轮子放在新的KT板上来回反复的摩擦以实验摩擦力。当感觉有些吃力时轮胎的摩擦力为最佳、在制作小车过程中轮胎的摩擦力有一段时间是最佳的,所以大家要好好观察。图2.8.1轮胎对比图第三章智能车硬件系统本智能车系统追求稳、准、快，外观上更是整洁，在有限的制板空间条件下极力做到极致。核心控制器单片机采用飞思卡尔K60芯片，电源芯片采用LM2940,驱动芯片采用BTN7971,传感器采用INAI28运放放大，起跑线检测采用干簧管。所有的电路板均
17、采用双面布线的PCB板。调试过程中，我们采用LabView上位机开发软件、赛道计时器等辅助调试，本章均有详细介绍。3.1单片机最小系统单片机最小系统为本智能车系统的核心。为了确保系统的稳定，我们购买了最小系统板。具体的学习我们可以下载k60的中文资料DataSheet。最小系统板如图3.1.1所示。图3.1.1单片机最小系统板3.2电源模块比赛要求智能车电源只能使用指定型号的7.2V2000mAhNi-Cd电池供电。在本智能车系统中，电源就相当于阳光，阳光不充足系统就不能稳定的运行，也就不能实现功能，因而电源模块的选取至关重要。我们经过大量实验选型，最终我们采用集成三端稳压芯片。集成三端稳压器
18、主要有两种：一种是线性稳压芯片，另外一种是开关型稳压芯片。线性稳压芯片输出纹波小，电路简单，但是功耗较大，效率较低，典型芯片为LM7805；开关稳压芯片则功耗小，效率高，但是输出纹波大，电路复杂，典型芯片为LM2596。对于单片机来说，单片机本身功耗低，但是它对电源要求相对较高。经过实验比对，LM2940和LMIII7性能较优。两者都为低压差线性稳压器件，LM2940最大输出电流为1A,另外LMIIl7-ADJ为输出可调稳压器件。最后我们选LMIII7为单片机供电。由于C车舵机S3010需要4.5V-6V的工作电压，刚开始我们使用6V的芯片为舵机供电，但是发现舵机的反应速度有些迟钝，经过研究最
19、后我们直接采用电池电压为舵机提供电压（因舵机里的芯片的性能不同，所以大家在接电源时需要验证才可以）。由于电路中存在感性负载，存在大电流，为了最大限度降低各个模块对单片机的干扰我们单独用一片LM2940为传感器供电。而其他需要正负5V供电的模块则采用另外的芯片进行单独供电。具体电源模块原理图如图3.2.1所示。图3.2.1电源模块原理图3.3传感器模块传感器的设计是保证小车平稳运行的前提。以下详细介绍了我们小车传感器的选择、硬件制作、传感器排布的设计、传感器优化的各个过程。3.3.1传感器的选择根据电磁检测原理，在通有交变电流的直导线周围存在电磁场。智能车竞赛中路径导航使用的交变电流为20KHZ
20、,10OmA电路，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间，为3kHz30kHz,波长为100km10km。如图3.3.1.1所示。图3. 3. Ll电流周围电磁场示意图由于赛道尺寸远远小于电磁波波长，因此在导线附近能够感应到的电磁能量非常少并且可以将其视为缓变磁场，从而按照静态磁场的处理方法来获取导线周围的磁场分布，从而实现位置检测。根据毕奥-萨伐尔电磁感应定律可知：在通有恒定电流I长度L的直导线周围存在电磁场，距离导线r处P点（如图331.2所示）电磁感应强度为：公式15=广sin8d8（/0=410-7CoSa -COSa)可得：公式2B=图3.3.
21、1.2长L的直导线电磁分析延伸到无限长直导线上，上式。1=0,02=九，可得公式3B=旦4兀丫如图331.3所示。71二二JB=Arr图3.3.1.3无限长直导线电磁分析无限长直导线周围的电磁分布为一圈一圈的同心圆，并且强度随r增加呈减小的趋势。根据这个特性，我们可以计算出电磁传感器距离中心直导线的距离，从而确定小车在赛道上的位置。综上分析，电磁传感器以线圈最为合适。常用的电感线圈有色环电感、工字电感，并且可以按照需求进行电感订做。但是，为了简化起见，我们选用IOmH工字型电感和色环电感作为检测传感器。IOmH电感有多种规格，直径越大高度越高，在直导线同一位置获得的电磁能量就越大，传感器获得的
22、信号就越强,但是太大的电感会增加传感器重量，引起机械结构问题。在经历众多次选型之后，我们选择了工字型电感，在100mA直导线电流时它能检测到峰峰值为IV左右的电压值，能够满足我们控制的要求。选用电感如图3.3.1.4所示。图3.3.L4选用的IOmH电感3. 3.2传感器的硬件制作选频方式我们选择了组委会推荐方案，即用IonIH电感和6.8nF电容组成RLC并联谐振回路进行选频，原理不再详述。我们把信号的放大作为重点部分,放大方案的选择成为传感器制作的关键。三极管体积小，型号众多易于选择，价格相当低廉。方案开始时候，我们用选用8050,在它身上我们下了不少功夫，但是取得的效果不太理想。基本原理
23、是基本共射放大器原理，在基本共射放大器的基础上，我们添加过许多扩展比如引入反馈、两级放大、引入滤波电路等，但是因为最后的电路较为复杂、电路质量不高、检测范围较小而放弃。最后我们便转向运算放大器。运算放大器的选择、实验也花费了我们不少时间。下面我们主要介绍在LM358和INA128之间的选择。一、LM3581.M358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358内部包括有两个独立的、
24、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。但是放大电压值不够大。LM358引脚图如图3.3.2.1所示。0UT1 1 IN1 (-) 2 IN1(+) 3 一/T；GND 48 Vcc-/Ai 7 0UT2XX- 6 N2(-)x十 一 5 IN2 (+)图3.3.2.1LM358引脚图二、INA128INA128(INA129)是一款精密低功耗通用仪表放大器。拥有最大50UV的偏置电压，最大0.5UV/C的温
25、度漂移，最大5nA的输入偏置电流，最小12OdB的CMR。足够满足传感器放大电路的需求，增益：G=l+49.8RKR0由于INA128的以上优点，我们最终选择INA128电路作为最终的信号采集电路。设计原理图比较简单，如图3.3.2.1所示。Ull图3.3.2.11附128典型应用电路传感器中使用的二极管为1N5819肖特基二极管。肖特基二极管开启电压一般为O.1V-0.3V,因此我们可以增加信号输出的动态范围从而增加整个传感器的灵敏度。传感器在制作工艺上则使用了全贴片。这样做使我们的传感器更精致稳定。另外，应用在小车系统中还需要注意滤除电源上面的干扰，其实传感器方面最重要的就是后级滤波电路、
26、如果要想得到一个稳定的AD值是很难的、所以整流滤波电路一定要做好并且电路间的电磁、静电干扰也要处理好。3.3.3传感器排布的设计光之翼传感器的布局经过以下二个阶段的设计。方窠一布局如图3.3.3.1所示。图3.3.3.1方案一方案二布局如图3.3.3.2所示。图3.3.3.2方案二根据组委会推荐检测参考方，方案一中，设两个电感相距长度为,电感距离导线高度力,两个电感中心偏移赛道导线的距离为必则可以计算两个电感感应电动势的差值而：d-1212,22,zx2八刀+X卜+（.工）公式4设=30Cnb可得而如图3.3.3.4所示。图3.3.3.4感应电动势差值Ed与距离X之间的函数从图3.3.3.4可
27、以看出，当传感器中央在赛道中央时，氏/值为0。当线圈往左移，感应电动势差值小于0；反之，当线圈往右偏移，感应电动势大于0。因此在030c加之间，电动势差值反均位移X是一个单调函数。可以使用这个量对于小车转向进行负反馈控制，从而保证两个线圈的中心位置跟踪赛道的中心线。通过改变线圈高度力，线圈之间距离可以调整位置检测范围以及感应电动势的大小。总体上讲，方案二精度更高，能够检测的赛道横向距离更宽。方案一的原理则与官方给的资料基本相同。最后我们利用方案三线圈偏离导线越远感应电动势越小的原理来检测赛道信息。根据组委会推荐检测参考方案，可以知道,感应电动势娓位置X的偶函数，呈现出如图3.3.3.5所示的函
28、数关系。图3.3.3.5感应电动势均距离X之间的函数由此，我们可以通过测量6个电感线圈传感器采集的信号幅度大小来确定导线的位置。实验结果表明，方案二具有更加精确的位置解算能力，并且利于速度控制，能够在较小的变化范围内有较大的偏差，更有利于舵机的及时拐弯。使用方案二会得到较优的效果。因此，我们最终确定传感器布局方案为方案二。3. 4起跑线检测起跑线检测直接使用干簧管。当干簧管不在磁铁上方时，该I/O口处于高电平。当干簧管在磁铁上方时，该I/O口处于低电平。原理图如图3.4.1所示。ll图3. 4. 1干簧管原理图3.5电机驱动模块电机驱动芯片我们选用BTN7970,它是一款针对电机驱动应用的完全
29、集成的大电流半桥芯片。它是NOValithlCTM系列的成员之一，它的一个封装中集成了一个P通道场效应管在上桥臂和一个N通道场效应管在下桥臂以及一个控制集成电路。由于上桥臂采用的是P通道开关，对于电荷泵的需求也就不复存在了,因此电磁干扰减至了最小。由于集成在内驱动集成电路具有逻辑电平输入，与微控制器的连接变得非常简单，且该驱动集成电路还具有电流检测诊断、转换率调整、死区时间生成以及过热、过压、欠压、过流和短路保护。BTN7970在较小的电路板空间占用的情况下为大电流保护的PwM电机驱动提供了一种成本优化的解决方案。本小车系统驱动板共用4片BTN7970,共同组成了一个全桥。此芯片开关频率可以达
30、到25kHZ,可以很好地解决电机噪声大和发热的问题、同时驱动能力有了明显的提高，相应速度快。但是，电机变速时会使电源电压下降10%左右，控制器等其他电路容易产生掉电危险，从而使整个电路系统瘫痪。为此我们在驱动芯片与单片机系统之间增加了隔离保护芯片74LS245O有很多的同学会觉得这款驱动不怎么样、但我个人觉得只要使用正确得当、程序跟得上，用来驱动C车的小电机还是很棒的。具体的电路原理图如图3.5.1所示。图3.5.1电机驱动模块原理图BTN7970的具体控制方法如表3.5.1所示。表3.5.1BTN7970控制方法DeviceStateInputsOutputsModeINHINHSSLSSI
31、SNormaloperation0XOFFOFF0Stand-bymode10OFFON0LSSactive11ONOFFCSHSSactive由于BTS7970与BTN7970的使用方法基本一致，在这里我们介绍一下BTS7970典型应用电路如图3.5.2所示。MicrocontrollerVoltage RegulatorReverse Polarity ProtectionHigh Current H-Bridge图3. 5. 2 BTS7970典型应用电路3.6测速装置测速的常用方式有霍尔传感器、光电传感器、测速电机、编码器四种。前期我们主要采用测速电机，但是使用过程中发现这种方式测量精
32、度不高，并且稳定性不好。经过多次选型测试后，我们选用编码器进行测速。根据不同的测速精度要求，我们分别选用了360线、500线旋转编码器。线数越高，测速精度就越高。我们最终选用了欧姆龙出品的500线编码器。使用这种编码器足够满足精度需求，并且输出数字接口，直接输出测速脉冲，供单片机采样以获得实际速度值。光之翼采用的编码器如下图所示。图3.6.1小车编码器的型号3. 7小车主板设计光之翼小车的主板一共经历了三次的更改换新。最初的主板我们直接采用万用板搭建，所有元件都为直插式，各部分模块都焊接在一张万用版上，搭建出的主板较重，稳定性较差。随后我们使用AltiUm画制了第一个PCB主板、我们采用双面P
33、CB板设计，从而获得了较高的稳定性。主板电路包括电源模块、单片机接口、拨码开关、指示灯、编码器接口、舵机接口、电机驱动接口、蓝牙接口、液晶屏接口以及其他调试接口。第一代的小车主板、采用的是手工焊接布置。主要追求的是让小车尽快的跑起来、所以也没注意细节、导致电路板又大又笨重的感觉、在发生了一系列的撞车事故后、第一代小车主板告别了我们。随后我们画了第一款PCB的主板、第二代的主板主要追求的是体积小巧、电路中的布线的稳定性要高。第二代主板主要采用的是贴边元件但由于贴片元件的性能不稳定以及价格我偏高和缺少干簧管一体化的效果，所以我们又开始设计了第三代的主板、也是我们比赛过程中使用到的、看起来体积偏大、
34、但电路中的电磁干扰、静电干扰都降到了最低、所以很实用。具体电路板图如下。一代电路板如图3.7.1所示。图3.7.1一代电路板二代电路板如图3.7.2所示。图3.7.2二代电路板为了减轻传感器部分的重量和提高信号的稳定性，我们最终将传感器的驱动电路移到主板上，然后使用排线连接前方的传感器，在电路板上要使用胶棒将排线固定好。最终电路板如图3.7.3所示。图3.7.3最终电路板本智能车的软件采用IarEmbeddedWorkbenchforARM6.60进行编写，该平台是IARSyStenlS公司为ARM微处理器开发的一个集成开发环境。比较其他的ARM开发环境，IAREWARM具有入门容易、使用方便
35、和代码紧凑等特点。另外本章还详细介绍了智能车软件控制思路、算法，并附带了某些函数实现方法。4.1软件系统概述整个小车的程序我们进行了部分模块编写，这样解决问题相对简单，既可达到观察容易的作用，也增强了可移植性。程序中用到的资源有PWM、AD、LPMT.UART、PIT定时器、普通I/O口等功能。智能车跑起来的基础是硬件电路和机械的调整，而让车开始提速的是软件和硬件的融合，我们的程序继承了上一届的优点，更多地吸取了他们的经验。在经过几个月的调试完善后，程序从刚开始的初始化到后来的闭环再到刹车程序的编写，由刚开始的几十行到几百行的过度。整个小车软件系统主要用了6个单片机硬件模块，分别是时钟PLL模
36、块，PWM模块，IO模块，输入捕捉模块，AD模块，中断模块。下面就这些模块的设计与实现分别进行详细阐述。4. 2时钟模块首先是时钟锁相环模块，PLL模块能够给各个模块提供精确的工作频率，刚开始我们就用K60所允许的最大时钟频率为100M,对于我们的车，该主频完全足够，但大些会使得单片机的处理速度相对快些，有些同学就进行了升频处理,而升频的同时也会带来一些其他问题，很难去解决，所以我们没升频。4.3AD模块以及信号采集策略AD采样并进行处理的方法很多，网上有很多滤波的算法，如：限幅滤波，中间值滤波，算术平均滤波，加权递推滤波等。由于平均滤波算法简单，且对随机干扰信号处理较好，平均后，信号在某一数
37、值范围波动的特点，而且k60的处理速度较快，所以我们就选择了平均滤波。当N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高，N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低。经实践，采样次数我们选择在15次左右较好。程序如下：Uint8ad_zhi6;uintl6hw_ad_ave(intMoudelNumber,intChannel,uint8accuracy,uint8N)(uint32tmp=O;uint8i;for(i=O;iN;i+)tmp+=hw_ad_once(MoudelNuniber,Channel,accuracy);tmp=tmp/N;return(uintl6)tmp;)Voidad_g
38、ain()号号号 0 12O 1ad_zhiLO=hw_ad_ave(l,13,8,15)ad_zhil=hw_ad_ave(l,14,8,15)ad_zhi2=hw_ad_ave(l,15,8,15)在获取ad值后，由于电感在漆包线的正上方且垂直于漆包线时，电感值取得最大，而在电感值向两边远离时，电感的值几乎呈现线性的下降趋势，我们通过对电感进行虚拟补偿，使得电感从远处不断的靠近漆包线，直到达到最大值时，当电感值开始变小的时候，进行合理适度的补差，使得电感值继续增大,从而实现了电感值变化的连续性和线性化。再通过作权的方式得到偏差，使得车的偏离距离和偏差呈现一定的关系，即Y=K*X.4. 4P
39、WM模块以及控速策略PWM模块可分为两个部分：电机控制；舵机控制。这就涉及到控制策略，首先是舵机的控制。我们使用的是PD控制，P起主导调节的作用。在起初我们一直都只用P控制，后来发现P大了会让舵机抖动，直至导致直道不稳定。后来便将D引进来，我发现对于连续宽泛的坐标量D的作用很明显，减小超调、克服振荡。其次是电机控制。要实现小车电机能在短时间内达到理想速度，而又无振荡，无超调是很难的。经过多次试验后，我们选用了增量式PID进行电机的调速，没有涉及到模糊PID。一般PlD足以胜任小车的速度调节，但是PlD三个参数的整定需要花费大量的时间，因此选择合适的调试手段便是关键。在速度的设置，我们的策略很简
40、单，就是直道高速，大弧弯道高速，小弧弯道低速。这期间我们试过用二次函数来分配速度，由于上位机的不成熟，导致应用不是很好，最终我们选择了分段控制车速的策略。速度分配流程图如下：图4.4.1速度分配流程图4. 5终点线检测电磁组比赛的起跑线检测较为容易，直接通过干簧管便可检测。当干簧管在磁铁上方时候导通从而反馈给IO口，实现起跑线检测。可以在系统刚开始的一段时间不检测IO口过了一段时间后检测，这样简单精确。4. 6主程序流程图主流程图如下图所示：图4.6.1主程序流程图在本智能车系统制作过程中，我们应用了示波器，硬件开发平台AItiUnlDesigner10、LabView2010,软件开发平台I
41、AR以及串口猎人等。5.1硬件开发平台5. 1.1硬件平台在传感器，电源的设计上，我们使用了示波器进行分析和观察波形的变化情况。图5.1.1实际搭建电路接通电源，在数字示波器上观察到的电路的实际波形如下（具体波形的产生和电路的很多方面都是有直接的关系，比如运放的型号、电路中的电感、电阻、电容、二极管的参数的不同都会使波形发生不同的变化，最重要的是电感的位置高度的确定）图5.1.1.2实际电感信号波形经过整流滤波后的传感器采集回来的波形如下图所示:图5.1.L3整流漉波后的信号波形5.1.2硬件开发平台一、AltiumDesignerlOAltiumDesignerlO是原Protel软件开发商
42、Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在WindOWSXP操作系统。这套软件通过把原理图设计，电路仿真，PCB绘制编辑，拓扑逻辑自动布线，信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。绘制原理图的工作界面如图5.1.2.1所示。图5.1.2.1绘制原理图工作界面原理图绘制完毕后设计PCB板。绘制PCB的工作界面如图5.1.2.2所示。图5.1.2.2绘制PCB工作界面二、LabView2010在调试传感器感应电动势曲线和电机响应曲线的同时，我们自行开发了LabVieW2
43、010上位机软件，在两者的调试过程中节省了大量时间。LabVieW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVieW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabvieW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。1.abVieW作为图形化编程语言，可以方便快捷的编写一款数据处理软件，其自身控件丰富可以满足大小工程的的需要，本上位机软件版本为LabView2010,串口驱动为VlSA530,用自动配对蓝牙模块作为无线发送与接收设备，实时性一般，但也可以让车跑起来实时传送数据，以此作为调试
44、程序的参考。在实时性上如果想要得到更好的效果可以选则更好的无线模块。在学习LabView时主要参考LabView自身的帮助、示例和网友的程序，以比赛使用范围为目标学习，其中涉及串口、循环体、类型转换、图形显示、数据记录、属性调整等等。LabView2010前面板如图5.1.2.3所示。图5. 1.2. 3前面板5. 2软件开发平台IAREmbeddedWOrkbenCh是一个非常有效的集成开发环境（IDE）,它使用户充分有效地开发并管理嵌入式应用工程。作为一个开发平台，它具备任何在用户每天的工作地方所想要的特性。IAR适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器，使用户在开发新的项目时
45、也能在所熟悉的开发环境中进行。它为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持。IAR有效提高用户的工作效率，通过IAR工具，用户可以大大节省工作时间。其使用界面如图5.2.1所示。IllfrTrl 0 Vw Xic TooWpC fJ.PH*WJTWy WiM i iinclude commonhw ，include include.h !include * include.宏定义!define DJ1_MAX 1250fdefine DJl二MIN 0!define DJ2二MAX 1250!define DJ21MlN 0!define INT二COU
46、NT OxFFFF*defIne BL 15!define Mid 4740/4760/4350/5200IdefIne Lift 5240define Right 4240/PlD善裁定乂float P Plr I IlfD Dl,P P2fI I2,D D2;/二一二二一二一二-寿/费/是乂Int ClrC2,Speed;l,flot temol. temo2. tem;Mes5jeMdog cor9*8lon v.K- OZl O.RfUpdeftng b*dtLne图5.2.1IAR运行界面第六章总结6. 1参赛心得参加本届智能车比赛的准备过程中，我们遇到了很多问题。从开始的传感器选型、K60开发平台的搭建及程序的烧写、赛道铺设、到整车调试、以及上位机的编写一个又一
