燕山大学里仁学院
智能车
光电组技术方案
朗朝见 龙悦 朱波
2011-3-6
第一章
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 第二章
2.1. 2.2. 2.3. 第三章
3.1. 3.3. 第四章
4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 第五章
5.1. 5.2. 5.3. 第六章 第七章
第八章 目录
比赛规则及注意事项 .................................................................................................. 3 器材限制规定 .............................................................................................................. 3 有关赛场的规定 .......................................................................................................... 3 分赛区、决赛区比赛规则 .......................................................................................... 3 智能竞赛车模的规定 .................................................................................................. 6 电路器件及控制驱动电路限制................................................................................... 6 赛道基本参数 .............................................................................................................. 7 主要设计思想 ............................................................................................................ 10 赛道的主要特征和控制策略 .................................................................................... 10 赛车硬件设计概述 .................................................................................................... 11 赛车软件设计概述 .................................................................................................... 11 赛车机械结构的调整和改造 .................................................................................... 12 舵机的安装 ................................................................................................................ 12 后轮差速的调整 ........................................................................................................ 13 赛车系统硬件设计 .................................................................................................... 14 处理器最小电路 ........................................................................................................ 14 驱动模块 .................................................................................................................... 15 速度传感模块 ............................................................................................................ 21 电源模块 .................................................................................................................... 21 辅助调试模块 ............................................................................................................ 24 赛车系统控制算法 .................................................................................................... 24 电机转速控制 ............................................................................................................ 24 赛道信息处理 ............................................................................................................ 26 车速和转向控制策略 ................................................................................................ 26 赛车系统程序设计 .................................................................................................... 30 开发与调试 ................................................................................................................ 31
总结 ............................................................................................................................ 30
第一章 比赛规则及注意事项
1.1 器材限制规定
1.1 须采用统一指定的车模，细节及改动限制见附件一；
1.2 须采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位处理器(单核) 作为唯一的微控制器，推荐
使用 9S12XS128，9S08AW60 微控制器。有关细节及其它电子器件使用的限制见附件二；
1.3 参加光电赛题组中不允许传感器获取道路图像信息进行路径检测，参加摄像头赛题
组可以使用光电管作为辅助检测手段。 1.4 其他事项
如果损毁车模中禁止改动的部件，需要使用相同型号的部件替换； 车模改装完毕后，尺寸不能超过：250mm 宽和 400mm 长。
1.2 有关赛场的规定
1. 赛道基本参数（不包括拐弯点数、位置以及整体布局）见赛道基本参数； 2. 比赛赛道实际布局将在比赛当日揭示，在赛场内将安排采用制作实际赛道的材料所
做的测试赛道供参赛队进行现场调试。
1.3 分赛区、决赛区比赛规则
分赛区和决赛区的比赛规则相同，都具有光电组和摄像头组比赛。两个赛题组比赛在同一个赛场先后进行，所遵循的比赛规则是相同的。两个赛题组分别独立进行成绩排名。
分赛区和总决赛的现场比赛均包括初赛与决赛两个阶段。下面列出的现场预赛、决赛阶
段的比赛规则适用于各分赛区及总决赛区的两个赛题组。
1. 初赛与决赛规则 初赛阶段规则
1) 2) 3)
比赛场中有两个相同的赛道。
参赛队根据比赛题目分为两组，并以抽签形式决定组内比赛次序。 比赛分为两轮，两组同时在两个赛道上进行比赛，每支参赛队伍可以在第
二轮比赛之前有 20 分钟的现场调整时间，在此期间，参赛队伍只允许对赛车的硬件（不包括微控制器芯片）进行调整。第二轮比赛时两组交换场地，比赛顺序和第一轮比赛相同。 4)
在每轮比赛中，选手首先将赛车放置在起跑区域内赛道上，赛车静止两秒
钟后自动启动。 5)
每辆赛车在赛道上跑一圈，以计时起始线为计时点，跑完一圈后赛车需要
自动在起始线之后三米的赛道内，如果没有停止在规定的范围内，比赛成绩时间增加 1 秒。 6)
每辆赛车以在两个单轮成绩中的较好成绩为赛车最终初赛成绩；计时由电
子计时器完成并实时显示。 7) 8)
根据参赛队伍数量，由比赛组委会根据成绩选取一定比例的队伍晋级决赛。 晋级决赛的赛车在决赛前有 20 分钟的调整时间，此期间，参赛队伍只允
许对赛车的硬件（不包括微控制器芯片）进行调整。技术评判组将对全部晋级的赛车进行现场技术检查，如有违反器材限制规定的(指本规则之第一条) 当时取消决赛资格，由后备首名晋级代替； 9)
由裁判组申报组织委员会批准公布决赛名单。
10) 全部车模在整个比赛期间都统一放置在车模的展示区内。
决赛阶段规则
11) 参加决赛队伍按照预赛成绩进行排序，比赛顺序按照预赛成绩的倒序进行。 12) 决赛的比赛场地使用一个赛道。决赛赛道与预赛赛道形状不同，占地面积会增大。
13) 每支决赛队伍只有一次比赛机会，在跑道上跑一圈，以计时起始线为计时点，跑完一圈之后，赛车需要在通过起始线后三米范围内自动停止。如果没有停止在规定的范围内，比赛成绩时间增加 1 秒。
14) 以最快单圈时间计算最终成绩；计时由电子计时器完成并实时显示。 15) 预赛成绩不记入决赛成绩，只决定决赛比赛顺序。没有参加决赛阶段比赛的队伍，预赛成绩为最终成绩，参加该赛题组的排名。
2. 比赛过程规则
按照比赛顺序，裁判员指挥参赛队伍顺序进入场地比赛。同一时刻，一个场地上只有一支队伍进行比赛。在裁判员点名后，每队指定一名队员持赛车进入比赛场地。参赛选手有60 秒的现场准备时间。准备好后，裁判员宣布比赛开始，选手将赛车放置在起跑区，赛车应在起跑区静止两秒钟以上后，自动出发。赛车应该在 30 秒之内离开出发区，沿着赛道跑完一圈，由计时起始线两边传感器进行自动计时。赛车跑完一圈且自动停止后，选手拿起赛车离开场地，将赛车放置在指定区域。
如果比赛完成，由计算机评分系统自动给出比赛成绩。 3. 比赛犯规与失败规则
比赛过程中，由比赛现场裁判根据统一的规则对于赛车是否冲出跑道进行裁定。赛车前两次冲出跑道时，由裁判员取出赛车交给比赛队员，立即在起跑区重新开始比赛，该圈成绩取消。选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。
比赛过程中出现下面的情况，算作模型车冲出跑道一次。
● 裁判点名后，60 秒之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备； ● 比赛开始后，赛车在 30 秒之内没有离开出发区； ● 赛车在离开出发区之后 60 秒之内没有跑完一圈； 比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败： ● 赛车冲出跑道的次数超过两次；
● 比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车； ● 决赛前，赛车没有通过技术检验。 如果比赛失败，则不计成绩。
比赛禁止事项
● 不允许在赛车之外安装辅助照明设备及其它辅助传感器等；
● 选手进入比赛场地后，除了可以更换电池之外，不允许进行任何硬件和软件的修改； ● 比赛场地内，除了裁判与 1 名队员之外，不允许任何其他人员进入场地； ● 不允许其它干扰赛车运动的行为；
● 不允许车模设计方案抄袭，同一学校参赛队伍的车模设计的硬软件需要相互之间有
明显的不同。
1.4 智能竞赛车模的规定
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；
5. 禁止改动驱动电机以及电池，车模前进动力必须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。
1.5 电路器件及控制驱动电路限制
1. 核心控制模块可以采用组委会推荐的 9S12XS128，9S08AW60 模块，也可以选用飞
思卡尔公司 8 位、16 位系列微控制器（单核）芯片自制控制电路板。每台模型车的电路板中只允许使用一种型号微控制器。8 位微控制器最多可以使用 2 片，16 位微控制器限制使用 1 片；不得同时使用 8 位和16 位微控制器；
2. 除了上述规定的微控制器之外不得使用辅助处理器以及其它可编程器件； 3. 伺服电机数量不超过 3 个；
4. 传感器数量不超过 16 个(红外传感器接受单元计为 1 个传感器，发射单元不计算，
CCD 传感器记为 1 个传感器) ；
5. 直流电源使用大赛指定的电池；
6. 禁止使用 DC-DC 升压电路直接为驱动电机以及舵机提供动力；
7. 全部电容容量和不得超过 2000 微法；电容最高充电电压不得超过 25 伏。 可以选择参数：
1. 开发软件可以选择 CodeWarrior 调试软件，也可以另行选择；
2. 开发调试硬件可以选择秘书处统一推荐的 BDM 工具，也可以另行选择； 3. 电路所使用元器件（传感器、各种信号调理芯片、接口芯片、功率器件等）种类与
数量都可以自行设计选择。
1.6 赛道基本参数
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 5 米*7米左右，
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 60 厘米，窄道区的宽度
不小于 45 厘米。
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 厘米。 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 度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。 7. 在驶入窄道区和驶出窄道区时，赛道上有标志。该标志距离窄道区 25 厘米。 标志如下图所示：
图
在进入和驶离窄道区有两种标志：
1) 黑色正三角形，位于赛道中心。边长 25 厘米。
2) 赛道突起，颜色白色，厚度 0.5 厘米，宽度 3 厘米。赛车可以根据上述标志
判断是否进入或驶离窄道区。
8. 赛道有一个长为 1 米的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度 10
厘米黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束时刻。
图
第二章 主要设计思想
摄像头组的赛车采用飞思卡尔的16位处理器MC9S12DG128芯片最为主控制芯片。由比赛规则我们可以看到赛车的主要任务是通过摄像头提取赛道有效信息，让赛车以尽量快的速度跑完全程。
2.1. 赛道的主要特征和控制策略
飞思卡尔的赛道主要可以分为直道、大弯道、大S 弯道、小S 弯道、十字交叉、上下坡道、窄赛道和终点线8种类型。
1. 直道
在直道上赛车应该尽量的速度快，并且要对赛道的跟随的好，不能出现走蛇形等现象。 2. 大弯道
大弯道一般是紧挨着直道的，在直道的末端应该是赛车最快速度出现的时候，所以，车辆检测到前方出现弯道时应该迅速降低车速到安全入弯速度。在整个弯道中，赛车应尽量靠近内道行驶以获得最优的路径。
3. 大S 弯道
大S 弯道一般为连续的大圆心角弯道，赛车在大S 弯道中应该把车速保持在一个安全的速度上，赛车严格按照黑色引导线前进，以防控制不慎冲出跑道。
4. 小S 弯道
小S 弯道的圆心角比较小，可以等价成直道前进。赛车进入小S 弯道后舵机动作应该尽量的减小，车速较大S 弯道适当的加快。
5. 十字交叉
这种赛道特征是一个干扰项，要保证不能把十字交叉识别成终点停车。 6. 上下坡道 7. 窄道
进入窄道前要准确的识别出标志，在窄道上把车速降低一个等级，并且让车子始终跟随
黑线中心。
8. 终点线
赛车必须准确的识别出终点线，并且在冲过终点后的3米内停车。
2.2. 赛车硬件设计概述
赛车共包括六大模块： 控制处理芯片及最小核心电路、光电传感器信号采样及预处理模块、速度传感模块、电源模块、驱动模块和辅助调试模块。
其中S12 单片机是系统的核心部分。它负责接收赛道图像数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制，进而可以控制赛车的转向和车速。
光电传感器信号采集和预处理模块由集成载波器件，集成光电接收管，锁相环电路，信号放大模块组成，由于加入了载波技术，使得先好检测更加稳定，不受场地光线环境影响，通过信号放大模块放大以后的信号，是可以直接传送给单片机的TTL 电平信号，传送给单片机做进一步的分析处理。
速度传感器模块由小型编码器，波形鉴相电路，单片机脉冲捕捉功能构成，鉴相电路可以使编码器输出的两路方波信号中所包含的电机转动方向信息转化为高低电平信号，从硬件电路上解决了电机转向测定的问题，减少了单片机的预算负担。
电源模块才用开关式稳压芯片2576-5、2567-ADJ 、MC34063组成，分别输出5V 、6V 和12V 电压。
驱动模块用于实现赛车转向和驱动。
辅助调试模块包括有线和无线两种，主要用于赛车系统的程序烧写，功能调试和测试，赛车状态监控，赛车系统参数和运行策略设置等方面。
2.3. 赛车软件设计概述
如果说系统硬件对于赛车来说是它的骨架和躯体，那么软件算法就是它的思想。有了健壮、灵敏的躯体还需要有聪明、智慧的大脑。所以软件系统对于赛车来说至关重要。首先，
赛车系统通过光电传感器模块获取前方赛道的方向数据，同时通过速度传感器模块实时获取赛车的速度和马达的电流，通过转速、电流双闭环的PI 控制对当前车速进调整。然后S12 对前方黑线信息进行方向，求得赛车于黑线位置的偏差和前方赛道的前进趋势，接着采用PID 方法对舵机进行反馈控制，并且对赛车的目标速度进行时时调整。使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。
第三章 赛车机械结构的调整和改造
3.1. 舵机的安装
我们在实际调试中发现，若在原有车模套件基础上加长舵机柄，可以增大车行进中的舵机转速不变的情况下加快了轮转向速度。这样虽然在舵车轮的转角速度，但是给舵机转向增大了负荷，原有的配件所组成的转弯结构不够灵敏。
在不断地改进过程中我们发现一种比较好的改进方法即改进舵机的安装结构，采用玻璃纤维做舵机安装支架，采取滑块连杆的转向机构，这样使得转弯更加灵敏，又减少了舵机的负担。如图所示：
图
图
3.2后轮差速的调整
车模后轮采用RS-380SH-4045电机驱动，由竞赛主办方提供。电机轴与后轮轴之间的传动比为 9:38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装不恰当，会增大电机驱动后轮的负载；齿轮配合间隙过松则容易打坏齿轮，过紧则会增加传动阻力，白白浪费动力。所以我们在电机安装过程中尽量使得传动齿轮轴保持平行，传动保持轻松、流畅，不存在卡壳或迟滞现象。
差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。当车辆在正常的过弯中（假设：无转向不足亦无转向过度），此时4 个轮子的转速（轮速）皆不相同，依次为：外侧前轮>外侧后轮>内侧前轮>内侧后轮。此时所使用车模配备的是后轮差速器。差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高，以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。
第四章 赛车系统硬件设计
硬件电路设计我们既定了系统的设计目标：可靠、高效、简洁，在整个系统设计过程中严格按照规范进行。
可靠性是系统设计的第一要求，对电路设计的所有环节都应进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路与模拟电路分开，使本系统工作的可靠性达到了设计要求。
高效是指本系统的性能要足够强劲。我们主要是从以下几个方面实现的：
1. 采用载波技术，避免了赛场环境光线的影响，使得接收赛道信息准确率很高，几乎
没有无码。
2. 采用激光发射管，提高了整车获取数据的前瞻性。
3. 采用大电流的集成桥电路芯片，峰值电流达到68A ，马力强劲。
简洁是指在满足了可靠、高效的要求后，为了尽量减轻整车重量，降低车体重心位置，应使电路设计尽量简洁，尽量减少元器件使用数量，缩小电路板面积，使电路部分重量轻，易于安装。
4.1. 处理器最小电路
MC9S12XS128 微控制单元作为MC9S12 系列的16 位单片机，由标准片上外围设备组成，包括16 位中央处理器、128KB 的Flash 存储器、8KB 的RAM 、2KB 的EEPROM 、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8 通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8 通道10 路模数转换器、一组8 通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29 路独立的数字I/O 接口、20 路带中断和唤醒功能的数字I/O 接口、5 个增强型CAN 总线接口，同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。S12 的片内资源如图4-1所示。
图4-1
4.2. 驱动模块
对于电机驱动电路，通常有两种方法，一种是自己用场效应管搭建全桥或半桥电路进行电机驱动，或者使用专用的电机驱动芯片。所以目前计划有两套方案
电机驱动模块是整个电路中最重要的部分。往届比赛各学校大多采用两片飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动器 MC33886并联。电路图示见图
图
这种电路有明显的两个缺陷。
● MC33886为晶体管半桥式驱动器，电流比较小，即使两片并联驱动能力也不过5A ，
压降比较大，芯片发热量大。由于两片33886不可能完全相同，这就可能造成工作
过程中两片的功率分配不平衡，更加剧了电压降，严重影响了驱动能力。
● MC33886构成的半桥电路不能让电机反转，这就给赛车的刹车造成了一定的困难。 第一套方案：
在去年的比赛中我们使用的是自己用场效应管搭建的全桥驱动电路，在大量的实践使用过程中我们发现总结出一些问题：一是电路不稳定，二是场效应管容易发热乃至烧毁。针对以上问题我们对之前的电路进行了优化和改进，进一步增强了保护电路部分。
电路原理介绍：下图是全桥电路控制电机的方法
4 个开关K1 和K4，K2 和K3 分别受控制信号a ，b 的控制，当控制信号使开关K1，K4 合上，K2，K3 断开时，电流在线圈中的流向如图1(a)，当控制信号使开关K2，K3 合上，K1，K4 断开时，电流在线圈中的流向如图1(b)所示。4 个二极管VD1，VD2，VD3，VD4 为续流二极管，它们所起的作用是：以图1(a)为例，当K1，K4 开关受控制由闭合转向断开时，由于此时线圈绕组AB 上的电流不能突变，仍需按原电流方向流动(即A→B)，此时由VD3，VD2 来提供回路。因此，电流在K1，K4 关断的瞬间由地→VD3→线圈绕组AB→VD2→电源+Vs 形成续流回路。同理，在图1(b)中，当开关K2，K3 关断的瞬间，由二极管VD4，VD1 提供线圈绕组的续流，电流回路为地→VD4→线圈绕组BA→VD1→电源+Vs。电机驱动器中，实现上述开关功能的元件在实际电路中常采场效应管。
以下是我们改进后实际的电机驱动电路：
下图中的Q1、Q2、Q8、Q9相当于上图的K1、K2、K3、K4。下图中的D1、D2、D8、D9相当于上图中的VD1、VD2、VD3、VD4。
保护功能：由于电机采用的PWM 控制，所以电路驱动的上半桥，也就是Q1、Q2始终处于高速的开关状态，而下半桥也就是Q8、Q9始终只有一个是长时间处于开启或关断状态，所以在考虑到电路简化的问题上，我们只对上半桥进行电路保护。
由于场效应管栅源间的阻抗很高，故工作于开关状态下的漏源间电压的突变会通过极间
电容耦合到栅极而产生相当幅度的VCS 脉冲电压。这一电压会引起栅源击穿造成管子的永久损坏，如果是正方向的VCS 脉冲电压，虽然达不到损坏器件的程度，但会导致器件的误导通。为此，要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或接一个稳压值为12V 左右的稳压二极管，即D3、D10防止栅源开路工作。
电机的运转依靠电流的驱动，由于电路采用PWM 控制，所以电路对电机不是一直进行供电，而是在快速的供电与断电之间切换。当停止对电机供电时，电机由于车轮惯性依旧向前转动。此时电机反而会变为一个发电机，产生极大的反向电流，这对场效应管将造成极大的危害。故在这里增加了能够快速反应的肖特基二极管D1、D2、D4、D5、D8、D9以消除反向电流的危害。
由于单片机的驱动能力有限，故我们采用的了4个三极管三极管Q3、Q4、Q7、Q10对4个场效应管进行间接驱动，信号在经过三极管后将被放大。然而三极管本身反应速率有限，所以会对频率很高的PWM 波得波形造成影响。为此在增加了加速电容C1、C2，以提高三极管的反应速率，改善波形。
第二套方案：
我们在查阅资料的过程中了解到别的学校有不少队伍采用的是一种专用的电机驱动芯片BTS7960，这种芯片一片当中就集成了一个半桥电路，还包括附加的保护电路。下图为其原件封装图。
下图为BTS7960的管脚分配表：
下图为BTS7960驱动电路：
下面介绍一下控制引脚的作用：VCC_BATTERY是连接电池的正极，GND 连接负极。DR1和DR2是控制电机正反转的，当DR1为高电平时候，BTN7970的高端MOS 导通，那么相当于电动机的1脚和VCC_BATTERY连接，当DR1为低电平时，相当于电动机的1脚接GND ，以此类推DR2的功能，所以只有当DR1和DR2极性相反时，电机就可以完成正转反转操作了，同时MOTO_PWM是BTN7970驱动芯片的使能端，当MOTO_PWM为高电平时，BTN7970正常工作，当为低电平时，BTN7970截止，停止工作，脉冲调制信号通过控制芯片的使能来实现对电动机的调速。根据BTN7970的参数说明可知，BTN7970最高开关频率可以达到20KHZ ，经过大量试验测试，发现当PWM 频率在18K 的时候，驱动电路响应和性能是最好的，因此电机PWM 驱动频率为18KHZ 。
总结：对比以上两套方案，第一套方案优点在于经过实践的检验，我们也比较熟悉，经过改进后的电路应该能够达到的预期的效果。缺点则是电路比较复杂，因此会增加电路的出故障率。第二套方案的优点在于电路非常简单，且不去要再加入保护电路，且该芯片的使用队伍普遍反应良好。缺点是我们没有实际使用过该芯片，很有可能回碰到诸多的位置问题。
速度传感模块
对于电机的控制我们计划采用转速闭环的数字PI 控制。能否准确测量电机转速信息是能否精确调速的关键。
由于单片机中进行的是数字的PI 运算，我们用增量式光电码盘进行测速。由于电机转速比较快，全速工作能达到10000转/分以上，而我们要求的最低速度也有1000转/分，所以才用M 法测速。再一定时间Tc 内测取旋转编码器的脉冲个数M1，用以计算这段时间内的平均转速。
为了得到电机的旋转方向我们有两套方案
方案一：
光电编码器的输出为两路方波信号，称为AB 相，通过将两路方波信号接入单片机的两个输入捕捉引脚，通过软降鉴相，得到两列波得相位关系，从而得到电机的转动方向。
方案二：
通过对数字电路的学习，我们知道D 触发器对于有相对相位关系的两路方波有鉴相功能，我们分别将两路方波接入触发器clk 和D 端，输出端的高低电平则显示了两路方波的相位关系。
编码器的选择上有的队采用自己制作的简易编码器，其测速脉冲少，非常不稳定也不精确。大部分车队采用金属壳封装好的编码器，编码器的输出轴同后轮齿轮啮合，但是这种编码器体积大，质量大，同时啮合出产生了额外的摩擦阻力，增加了电机的负载。
我们采用100线盘片配合两组对射式光电管组重编码器，盘片直接安装在电机输出的小齿轮上，不会而外产生任何摩擦阻力，同时光电管和盘片都很轻，最大程度的减少了电机负载的增加。
4.3. 电源模块
电源管理单元是系统硬件设计中的一个重要组成单元，它要向单片机等数字电路系统电路、舵机、电机驱动模块分别供给5V 、6V 和12V 的控制电压，并且它还要向直流电机供电。
4.3.1. 数字电路5V 供电模块
MCU 等数字电路一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。而设计者多习惯采用
线性稳压器件 (如 78xx 系列三端稳压器件) 作为电压调节和稳压器件来将较高的直流电压转变为 MCU 所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会造成较大的“热损失” (其值为V 压降×I 负荷) ，其工作效率仅为 30 %～50 %。加之电路板面积比较小。这样，用线性电源不仅工作效率低，而且“热损失”产生的热量的聚集也加剧了 MCU 的恶劣工况 ，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。
为了解决线性稳压器的这一弊端，我们采用了开关式的稳压电源LM2576-5。
LM2576系列是美国国家半导体公司生产的 3A 电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器 (52kHz) 和基准稳压器 (1. 23V)，并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。为了减小开关电源输出纹波对电路造成的影响，应在VCC 输出端于地线之间并联一个较大的滤波电容。
图 2576-5
4.3.2. 舵机供电模块
比赛选用舵机具体参数如下：
舵机的基本参数: HS-925
尺寸：39.4*37.8*27.8
重量：56g
工作速度: 0.11sec/60(4.8V) 0.8sec/60(6.0V)
堵转力矩: 6.1kg.cm(4.8V) 7.7kg.cm(6.0V)
工作角度： 45度/400us
为了提高舵机的工作速度和力矩，我们让舵机工作在6V 的工作电压下。舵机的供电对电源质量要求不大，但是供电模块的电流应该尽量的大，否则舵机工作工程中会造成严重的电压降，影响赛车的响应速度。
舵机供电模块我们选用可调压的开关稳压芯片LM2576-ADJ 。
其原理图如下：
图
4.3.3. 12V 电路供电模块
新增了12V 供电模块，这一模块是的5V 和6V 稳压模块的输入电压一直保持在12V ，即使电池电力不足，也可以保证控制系统的稳定运行，若没有此项，将5V 和6V 模块的输入端直接接到电池输出端，当电池电量低时，电池的输出端电压只有4V 左右，不能
满足5V 和6V 稳压模块的要求，导致控制系统供电不足，出现错误。
图
4.4. 辅助调试模块
第五章 赛车系统控制算法
5.1. 电机转速控制
飞思卡尔比赛提使用RS-380SH 电机，其空载转速16200转/分，空载电流0.5A 。
图
其特性曲线如下：
图
电机的特性比较软，要获得很好的控制效果必须采用转速闭环控制。
控制算法上我们采用了无静差的PI 调机器。其传递函数为：
W pi
(s)=
式中 Kpi PI 调节器比例部分的放大系数。
Τs PI 调节器的积分时间常数。
上述传递函数写成u(t)和e(t)关系的时域表达式可以写成 U(t)==
其中，Kp=Kpi为比例系数，KI=1/τ为积分系数。
将上式离散化成差分方程，其第k 拍输出为
U （k ）=
其中，T ams 为采样周期。
由上式可得增量式PI 算法
5.2. 赛道信息处理
5.2.1. 初始化阈值
本系统通过集成的光电传感器芯片在单片机外部通过硬件已经将赛道信息进行了二值化处理，直接传送给单片机TTL 电平信号。
5.2.2. 黑心中心位置计算
本系统对赛道信息的处理采用了加权处理的方式，对每一个传感器进行加权处理，在对采集到黑线信息的传感器的的权值进行计算分析，得出啊黑线中心线的位置，该参数经传送给控制模块 ，作为基本信息对车速和转向进行控制。
5.3. 车速和转向控制策略
前面已经把图像提成笛卡尔坐标系中的一系列离散的点假定把这些点拟合成了一条曲线
方程f(x)。
控制赛车舵机由两个量决定，一个是曲线的走向，另一个是当前赛车偏离曲线的位置。 本次飞思卡尔传感器部分方案：
2009年我院第一次参加飞思卡尔智能车大赛，在传感器领域应用到的是红外传感器。 红外传感器驱动电路：
在传感器检测部分中，红外传输模块由15个RPR —220组成的赛道检测模块，是智能车控制的基础数据来源，为了防止传感器之间的相互干扰，采用扫描供电的方式，在任一时刻只有一个传感器处于工作状态。但是红外传感器受外界环境影响较大，特别容易造成“水土不服”的现象，因此在2010年飞思卡尔我院科协参赛队采用的是激光传感器，使系统稳定性 大大增强。
采用激光传感器的优势：经过对前几届飞思卡尔比赛的研究发现：取得好成绩的车队大部分采用了激光传感器，成绩名列前茅的车队的速度已经可以与摄像头组媲美了，我们有理由相信传统的红外传感器将逐渐被激光传感器所取代。
激光传感器的驱动电路：1发射部分
Res29012
2接收部分：
发射部分经过调制管便输出180Khz 的频率，经过三极管9012放大之后驱动发射管，使发射管以180Khz 的频率，20%——30%的占空比发射出650nm 的光线，经过反射后，接收管接收到反射回来的黑白信号，输出高低电平，由单片机识别，从而达到识别路径的功能。
在去年的飞思卡尔智能车大赛中我院的参赛队应用的调制电路是由锁相环电路：
滤波电路： 组成。在今年的实验中发现有一种IC 集成了这些电路，经过试验取得成功，使电路得到很大简化，很大程度上提高了系统的稳定性，因此模型车的速度可以大幅度提高，由此可以预测今年成绩要高于往年。
传感器的布局：
传感器的布局一直以来是传感器部分的关键，在我院科协参赛队使用的是最常用的“一”字型排布方式
对于模型车传感器在赛道上的状态有：普通赛道处、起点处、十字交叉线处如下图所示：
激光传感器在起点处
激光传感器在普通赛道处
激光传感器在十字交叉道处
为了识别赛车是处于什么样状态下，用于进行速度控制，对于我们的数字
型激光传感器，每个传感器只有0 与1 两种状态，我们分别把15 路激光标记
为1 到15 号传感器，每个传感器又可以对应一个是否在黑线上的标志位，分
别为 Sen_Flag[0]到Sen_Flag[14]，相应在黑线上为1，不在黑线上为0，从而
通过对任一时刻传感器标志位的读取就可以知道此时模型车的状态。为了精确地识别起跑线和十字交叉线，在程序设计时还定义了一个名为 Sen_ChangeCount 的变量，表示传感器状态变化（由1 变为0 和由0 变为1）的次数。
从上面的传感器状态图中可以轻松看出，在普通赛道上出除了赛车移出赛 道之外传感器变化次数都为2 次，而在起跑线处模型车的传感器状态变化次数为4 次，在十字交叉线时传感器状态变化次数为0 次。为了进一步把各种状态分开，在程序中还定义了变量
Sen_FlagCount，用于统计所有传感器状态标志位之和，即在黑线上的传感器的数目。结合以上几个变量，就可以准确地分清各个传感器状态了。各个传感器状态如下表：
今年的传感器模块设计的原则是“稳中求进”，通过对前两次参赛经验的总结，进行了技术革新，因此我们对今年的比赛充满自信。
第六章 赛车系统程序设计
6.1．程序模块化
在我们做的智能车中，用到的基本函数有：延时函数delay();电机控制函数dc_moto_control();舵机控制函数rc_moto_control();16路IO 口工作模式设置函数gpio_mode_set();设置IO 输出值及输入状态函数write_gpio();读取IO 口值的函数read_gpio(); AD口数据读取函数ADC_Read();及蜂鸣器函数beep_set().
1. 电机模块
uint8 array_dc[7]={0}; //电机控制数组长度为8，可控制4路舵机，电机运动函数要求array_dc[偶数]为电机转动速度，array_rc[奇数]为电机转动时间
array_dc[0] = 0; //电机1, 正转最大速度（0为正转最大转速，0xFE=254为反转最大转速，0x80=128代表电机停止）。范围为0-254，超过此范围程序会丢弃此数据
array_dc[1] = 30; //电机1，转动时间30×0.1=3秒。范围为0-255，超过此范围程序会丢弃此数据
array_dc[2] = 0xFE; //电机2，反转最大速度
array_dc[3] = 30;
array_dc[4] = 0; //电机3，正转最大速度
array_dc[5] = 30;
array_dc[6] = 0xFE; //电机4，反转最大速度
array_dc[7] = 30;
dc_moto_control(array_dc); //调用直流电机运动控制函数dc_moto_control()，参数为电机控制数组名
2. 舵机模块
uint8 array_rc[23]={0};//舵机控制数组长度为24，可控制12路舵机，舵机运动函数要求array_rc[偶数]为舵机目标角度值，array_rc[奇数]为舵机运动速度值
array_rc[0]=90+20; //舵机1，中位为0度（对应数值90），目标角度+20度。取值范围0-180，超过此范围程序会丢弃此数据
array_rc[1]=170; //舵机1，速度为170。取值范围0-255，超过范围程序会丢弃此数据
array_rc[2]=90-20; //舵机2目标角度设置
array_rc[3]=170; //舵机2转动速度设置
array_rc[4]=90-20; //舵机3
array_rc[5]=170;
array_rc[6]=90+20; //舵机4
array_rc[7]=170;
rc_moto_control(array_rc); //将舵机运动信息交给舵机运动函数，实现舵机运动
delay(50); //延时50*20MS= 1S, 给舵机提供反应时间，此反应时间应大于舵机实际运动所需时间
3.AD 模块
uint8 AD0_in; //传感器输入信息存储变量
ADC_Read(0,&AD0_in); //该函数的原型为ADC_Read(uint8 Channel,uint8 *data)。参
数：第一个参数为AD 口通道，我们现在采集的是通道0的数据所以0；第二个参数是存储采
集信息的变量地址。即读取AD0通道的模拟信息，存储在8位变量AD0_in中
4.IO 模块
uint8 io_in; //传感器输入信息存储变量
uint8 io_out; //IO口输出信息存储变量
uint8 temp8;
uint16 temp16;
gpio_mode_set(0x00FF); //设置io 口模式，IO0-IO7全为输出，IO8-IO15全为输入(1为
输出0为输入)
write_gpio(0xFF00); //设置io 输出值及输入状态，IO0-IO7输出信号为低（0），
IO8-IO15输入使能
temp16 = read_gpio(); //读取16位GPIO 信息至temp16
io_in = (uint8)(temp16>>8); //将IO8_IO15的信息存储于io_high，IO0-IO7的信息不进
行处理，因为IO0-IO7全为输出，对其“输入”信息的处理是没有意义的
temp8=(io_in&0x80); //由于引脚IO9-IO15悬空，其输入信息会受电磁干扰，所以用与
运算保留IO15的信息，将其余IO 口输入信息过滤掉
5. 延时模块
delay(10); //以20ms 为一个单位，共延时10*20ms
第七章 开发与调试
7.1 软件开发环境介绍
Codewarrior 是Metrowerks 公司开发的软件集成开发环境[17]，飞思卡尔所有系
列的微控制器都可以在codewarrior IDE下进行软件开发。本模型车所用的处理器
是Mc9sDG128B ，程序调试是在codewarrior IDE 3.1环境下实现的，所用语言为汇
编。
首先要新建一个基于Mc9sDG128B 的HCS12的工程，选用语言为绝对汇编，具
体的过程如图7-1到7-3所示。建立好新的工程后，就可以在编译器里进行程序的编
写。
图7-1 Codewarrioer 新建工程界面(a)
图7-2 Codewarrioer 新建工程界面(b)
图7-3 Codewarrioer 新建工程界面(c)
7.2 智能车整体调试
舵机调试 首先在程序里不断的修改舵机的控制量，确定舵机左转和右转极限的PWM
值，记下该值留着在程序里设定左转和右转的极限值。然后用一小段跑道来测试
舵机的转向，用不同的跑道段来测试模型车的转向是否符合要求，当用的是直道
时候要保证模型车的舵机位置绝对的居中，小“S ”道时候，模型车给出的转角
应该足够的小，大“S ”时候转角应该近似为圆弧弦的角度，弯道时候要给足转
角。
电机调试 像测试舵机一样用不同的赛道来测试电机给出的转速是否满足实际控制的
需要，当用的是小“S ”道时候，模型车应该保持直道上的速度，大“S ”时候，
应该适当的减速，以使得通过时候不会产生过大的超调，弯道时候要能够很快的
将速度降下来，如果是急转弯时可以不给控制量或者让电机反转以达到刹车的效
果。
整体调试
首先以一个较低的速度跑完整个赛道，然后再慢慢的提高速度，直到模型车
在某一个地方出错，然后调整控制算法，如此反复，直到模型车能够以理想的速
度，在理想的路线上运行完为止
第八章 总结
回顾这个月的情况，我们从以下四个方面进行总结。
8.1
智能车的制作
整部模型车的制作，从最初的方案讨论、传感器的选择，到方案确定，电路设计、控制
策略的确定、算法的实现和调试，我们3名队员齐心协力，发挥各自的优点，分工合作，最
后完成了整个制作过程。我们模型车的特点如下：
调整车模前轮内倾角，保证车模加速及制动性能。
四块MC33886并联, 可正反双向控制电机，提高驱动制动能力。
舵机采用6V 电源独立供电，提高其响应速度和稳定性。
起跑线识别、赛道状况识别、转角参数均采用模糊控制策略。
赛道寻迹采用内侧检测方式，加速采用全功率驱动、减速采用PID 控制，增强了系统稳
定性、最大限度提高绝对车速。
8.2.1 开发所遇到的问题和解决方案
回顾小车制作及调试过程中所遇到的问题，我们进行了总结。
路径检测传感器临近干扰和功率过大，我们选择单独对传感器供电，这个问题得到了比
较的解决。
模型车速度和转弯矛盾，速度提高了，转弯就来不急，要顺利的转弯速度就上不去，为
了协调这个问题，必须找到哪里是直线，哪里是弯道。模型车在直线上跑的速度要快，而在
弯道上跑的速度要慢，我们采用将赛道的信息记忆下来，而且还采用模糊控制算法，这个问
题就得到了解决。
MC33886驱动问题，在调试过程中，有时候一片发热，另一片不发热，还有用一段时间后
驱动力下降。我们采用把MC33886独立出来，远离单片机的引脚，将四片MC33886并联，使
得分布参数均匀，从而使得四片MC33886阻抗匹配，发热一致，大大降低发热量。
8.2.2 存在问题
一个良好的系统仍然需要不断完善和更新，为了保证车子能够稳定达到最高平均速度，
智能车系统的设计还是在不断的改进的过程。
在道路检测试验所采用的是模拟量输出的红外传感器，在调试时发现检测距离很短，受
外界光线干扰比较严重，采用调制电路，使得采集电路复杂。
在调试过程中，我们发现制作的双面PCB 板在驱动电机时把电压拉低，使单片机不停的
复位，不能正常工作。
8.2.3 心得体会
自我们组队以来，每个成员都自觉积极地投入到智能车的调试制作过程中来。从问题的
提出、分析、解决，到方案的优化、改进、创新，都体现了我们集体的智慧和团队的精神。
在准备比赛的过程中，我们不仅可以把所学的理论知识应用于实际，还自
学了大量新学科新知识。智能车的设计涉及了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电子
信息、计算机和机械等多个学科，不仅开拓了视野，也提高了动手实践能力。
这部小小的智能车，从整体方案设计到车的成型调试，从传感器排布到机械结构设计，从控
制算法研究到模块程序编写，整个过程无不凝聚了组员的辛勤汗水。
对于这次比赛，取得好成绩固然是每个人的心愿，更为宝贵的是在这个过程中我们所学到的
与人合作、协调分工和积极自信的团队精神。这次磨练了我们对知识融合和实践动手能力。
对在模型车的制作中我们得出了一些经验，总结如下。
要多试多跑。在调试程序时，不能仅仅满足于在台架上实验，应该更多地让模型车到赛
道上行驶，这样才能比较客观地评价控制策略的优劣，并能及时发现存在的问题隐患。
参数调试很重要。在某些时候会有一些比较新颖的控制策略，但是应用之后实际的行驶
效果并不是很好，此时不能轻易就否定策略不佳，而应该将策略中某些参数，做一些研究进
行优化。
不要忽视机械因素。当模型车的速度遇到一个新的瓶颈，在尝试了新的控制策略、提高
舵机响应等各种方法都没有效果时，就不要忽视了机械方面的因素，应及时检查运动部件是
否出现松动，两车轮转角是否符合，并作出相应的改进。