第一届飞思卡尔杯全国大学生.DOC

1、第一届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车邀请赛技 术 报 告学 校： 大连理工大学队伍名称： 飞驰队参赛队员：王鹤郭君健张霆带队教师：潘学军 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一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛有关保留、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： I目 录1 引 言12 模型车体设计52.1 模型车结构及相关参数52.2 机械结构改造及安装

2、52.3 设计思路63 智能车控制技术研究73.1 电机模型及对象分析73.2 路径识别方法及实现83.3 控制方案 103.3.1 总体方案 103.3.2 舵机控制 113.3.3 速度控制 133.3.4 其它技术方案说明 144 智能车硬件电路及软件设计 174.1 路径识别模块 174.1.1 CCD路径识别174.1.2 红外探测法路径识别 174.2 电源管理模块 194.2.1 测速模块和路径识别模块配电 194.2.2 舵机配电 194.2.3 驱动电机配电 194.3 电机驱动模块 20II4.4 测速模块 214.5 人机接口设计 224.6 声光辅助调试 224.7 软

3、件设计 224.7.1 主程序模块设计 224.7.2 端口分配 244.7.3 硬件底层驱动设计 245 结 论 27参考文献 I附录 A 程序代码 III附录 B 硬件电路图 XXXIX1第一章 引言汽车已经成为人们日常生活不可缺少的交通运输工具，汽车工业水平和家庭平均汽车拥有数量已成为衡量一个国家工业发达程度的标志。随着汽车数量的增加，交通事故、交通堵塞和环境污染等问题越来越严重，已成为全球的社会公害问题，同时也是汽车界工程技术人员急需解决的重要课题。近年来，许多发达国家投入大量的人力、物力进行智能交通（Intelligent Transportation System）和智能汽车的研究

4、，以期解决汽车带来的交通问题 。1智能汽车是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统,是典型的、多学科的、综合性的高科技和高新技术的结合体,涉及传感器技术、信息融合技术、微电子技术、计算机技术、智能自动控制技术、人工智能技术、网络技术、通信技术等,在一定程度上代表了一个国家自动化智能的水平。智能汽车的开发与研究受到国内外众多汽车生产商和研究机构的重视，是发达国家重点发展的智能交通系统中的重要组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力 。2目前智能汽车的研究课题主要体现在以下几个方面 : 3121）智能感知系统与预警系统智能感知是利用各种传感器信息，应用

5、数据融合方法获得对汽车车身、行驶的周围环境和驾驶员的状态等的感知，在必要时发出预警信息。目前研究热点与难点在于视觉系统的设备开发、信息采集、处理及特征提取。2）智能驾驶系统基于智能感知系统的信息，由核心控制单元应用智能控制算法如神经网络、模糊算法、遗传算法等进行决策。策略应根据经验进行提取，并存于知识库中，同时，知识库应具有自学习能力，用于策略的不断丰富。智能驾驶系统的核心是智能决策系统和运动控制系统，是智能汽车技术的最高层次，目前研究主要针对的是环境相对简单情况下的低速自动驾驶。3）导航与定位系统作为导航与定位系统核心之一的GPS定位系统现已成功应用，其更高端的第一届全国大学生智能汽车邀请赛

6、技术报告2发展目标是实现全天候、大范围、多车辆的实时动态定位、调度、监控，改进车辆运行管理，增强突发事件的反应能力，提高车辆运行率和行车安全度。4）通讯系统通讯系统保证各模块之间以及车载体与控制中心之间的高质量。目前与外部通讯大多数采用无线数字通讯，内部系统间的数据通讯采用的是汽车控制总线，蓝牙技术为车载设备通讯提供的可预期的解决途径，将取代目前多种电缆的连接方式，实现近距离车载设备间快速有效的、可靠的信息交换。信息技术和电子技术的发展给智能汽车带来了更光明的前景，同时，基于模型车的智能化技术的开发与研究也同样引起研究机构和教育系统重视，其研究不仅能为智能汽车新技术提供一有效的发展途径，而且有

7、助于开发人员的实践能力、创新能力和团队精神的培养。正是在这一背景下，由教育部设立清华大学承办的首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛受到国内高校的广泛响应。竞赛组委会提供统一智能车竞赛车模、HCS12 开发板、开发软件和在线调试工具等。比赛要求参赛队伍在车模平台基础上，制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶。比赛名次将主要取决于赛车单圈最短时间。此次比赛以迅猛发展的汽车电子为背景，研究、开发内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的综合技术，旨在培养大学生对知识的把握和创新能力，以及从事科学研究的能力。作为全球最大的汽车电子半

8、导体供应商，飞思卡尔一直致力于为汽车电子系统提供全范围应用的单片机、模拟器件、传感器等器件产品和解决方案。飞思卡尔在汽车电子的半导体器件市场拥有领先的地位并不断赢得客户的认可和信任。其中在 8 位、16 位及 32 位汽车微控制器的市场占有率居于全球第一。飞思卡尔 S12 系列具有 16 位解决方案的固有优势，如代码简短高效、功耗低、体积小巧、购买和开发成本低、可以升级到 50MHz，同时能够达到通常只有32 位控制器才能达到的性能水平。而这些显著优点来源于增强 CPU，以及与XGATE 协同处理器的结合。S12 是一个非常成功的芯片系列，并具有为中国市场度身定造的相宜价格和性能，它被广泛应用

9、于汽车电子中。智能模型车系统由模型车体、电源模块、传感器模块、驱动电机、转向电机、电机驱动模块、路径识别模块、控制决策模块、单片机等组成。目标是使第一章 引言3智能车能够自主识别路线，且在专门设计的跑道上快速、安全行驶。为实现这一目标控制系统必须能迅速识别模型车行驶路径，做出正确决策以及时控制驱动电机和转向电机，实现模型车的实时控制。针对这些问题，大连理工大学“飞驰”队进行了智能模型车系统开发与研究工作，主要工作包括车体改装、系统硬件及软件设计和控制算法研究等。内容安排如下：本章为引言，介绍了智能汽车的发展状况主要技术；第二章阐述了模型车体设计，主要包括主体设计思路、系统结构、机械部分及安装等

10、；第三章分析了智能车驱动系统数学模型，研究了智能车路径识别方法、给出了智能车控制方案；第四章论述了硬件方案分析、选择与设计, 对智能车技术参数、车模整体设计制作及技术指标等进行了说明；并阐述了系统软件的各个功能模块及调试过程。第五章给出了智能车系统设计的结论。5第二章 模型车体设计2.1 模型车结构及相关参数模型车由车模、电机与舵机、电池、路径识别电路、单片机、测速电路、电源管理模块、电机驱动模块以及相应的端口接线等几部分组成。车体如图2.1所示。图2.1 模型车智能车的车体长度395mm，宽240mm，高86mm,重1106g，除了车模原有的驱动电机、舵机外,在设计时未采用额外的伺服电机。用

11、到各类传感器13个。其中，路径识别电路采用光电传感器寻迹方案，用12对光电管均匀分布实现轨迹信息的采集，测速电路应用一个槽型光耦器件对车速进行检测。所用电容总容量为1700 ，电路功耗为 。赛道路径信息检测频率约为285 。F7.8WHz2.2 机械结构改造及安装该模型车的驱动电机、舵机和电池的位置没有任何改动。在安装核心控制板时，考虑到电动机转动会带来极大的电磁干扰，核心控制板应该距驱动电机第一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6至少50mm的距离。因此，我们将它放在了舵机(舵机的电磁干扰较低)的上方，下面用三个铜柱支撑，其中一个孔钻在车模底盘上，另外两个是车模前端自带的两个孔。为了保持车体

12、寻迹具有较好的前瞻性，用铝合金制作支架，将路径识别电路板探出，探出距离约为120mm，并有约20度的倾斜角度。稳压模块和电机驱动模块分别固定在模型车的两侧(固定时在车模底盘上各钻了一个孔)，保证了重心落在模型车的中轴线上。测速部分放在驱动电机上方，用塑料胶固定。模型车体重心位于车中心偏后处，防止制动时后轴侧滑，保证制动稳定性。2.3 设计思路该智能车系统以MC9S12DG128为核心控制芯片，具有运行速度控制和舵机转向控制两个闭合回路。在控制决策上采用一种基于专家系统的智能PID控制方法根据路径识别和速度测量模块的检测信息，查询相应的知识库调整PID参数，控制智能车的运行速度和舵机转向。同时，为了便于调试，还加入了集键盘功能和显示功能于一体的HD7279人机接口模块。系统结构框架如图2.2所示。图2.2 系统结构框架