山 东 工 商 学 院

课程设计报告

设 计 题 目：智能车设计及实验 所属课程名称：智能车设计及实验 班 级： 姓 名：

学 号：

目录

目录 ..........................................................................................................

第一章 引言 ...........................................................................................

1.1 整车设计思路 ..................................................................................

第二章 硬件设计 ...................................................................................

2.1 小车机械改造 ............................................................................

2.1.1 舵机的改装 .................................................................................

2.2 单片机系统设计 ...............................11.........................................

2.3 摄像头的对比选型 ....................................................................

2.4电机驱动电路设计 ....................................................................

2.5 电源模块设计 ............................................................................

第三章 软件设计 .................................................................................

第四章 心得体会 ............................................................

引言

智能汽车是当今车辆工程领域研究的前沿，它体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。全国大学生智能汽车竞赛对高校学生而言是一次难得的机遇和挑战。智能汽车竞赛涉及的知识较为宽泛，为了设计出性能优越的智能赛车，需要在赛车的设计开发过程中参考许多有价值的文献资料，不断学习，不断创新。

智能汽车竞赛考验参赛选手的综合能力，包括传感器的应用、电动机的应用、电路设计、自动控制原理、系统调试、机械结构设计等，将这些知识合理运用到智能汽车上是对选手的巨大挑战。对于竞赛选手来说，临场发挥对比赛成绩的好坏至关重要，及时制定并调整策略才能发挥出智能汽车的最大性能。

关于飞思卡尔微控制器

竞赛指定控制芯片为飞思卡尔系列芯片，飞思卡尔公司是嵌入式控制领域的全球带头人，是主要技术创新者，开发了首个基于Flash 存储 的MCU。

“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛是由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的一项以智能汽车为研究对象的创意科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践性活动，是教育部倡导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、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。该竞赛以智能车电子为背景，涵盖自动控制，模式识别，传感技术，电子，电气，计算机等多个学科的科技创意性比赛

1.1 整车设计思路

1.2 自主驾驶系统的三个子系统——环境感知系统、自主决策系统和操作执行系统。它们相互联系、相互制约，共同完成控制任务。 环境感知系统，我们的该部分主要包括感知路面信息的传感器和感知车体状态的传感器。传感器的选择相当灵活，我们的车选用了两种传感器。

?CMOS 摄像头：感知车体与路面的相对位置信息，预视距离远。 ?光电码盘：感知车体信息，推算车体状态。

自主决策系统，主要通过单片机的软件来实现决策控制。 操作执行系统，就是从单片机发出控制指令到车体响应这一部分的系统， 主要就是相应的驱动电路，H桥之类。 三个系统相互联系、制约，它们都统一于一个共同的系统，有共同的目标和核心的控制策略，这些直接决定了三个系统的构成和性能要求。比如由控制策略，我们就可以确定环境感知系统要选什么传感器、什么精度、怎么安装，决定自主决策

系统要如何分配CPU时序，各部分各用多少资源；决定操作执行系统的能力，比如是否要双向的H桥。 比赛要求在组委会提供统一智能车竞赛车模、单片机HCS12开发板、开发软件Code Warrior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自动识别道路行驶。比赛要求在不违反大赛规则的情况下以最短时间完成单圈赛道。

第二章 硬件设计

2.1 小车机械改造

3.1.2 舵机的改装

由于舵机初始位置空程较大，所以我们对舵机的位置进行了改动，通过减少舵机的连杆机构来达到响应速度灵敏和足够的转角，具体改造位置见下图：

2.2 单片机系统设计

大赛推荐参赛选手使用 MC9S12XS128 作为主控器，不得使用其它辅助处理器以及可编程器件。MC9S12XS128 是飞思卡尔半导体公司生产的采用HCS12 内核的16 位单片机，有丰富的外设接口资源。关于单片机的使用，在智能小车控制系统中，我们使用锁相环（PLL）来设定系统的工作频率，用PWM 模块控制舵机偏角和电机转速，用通用异步串口（SCI）把赛车调试或比赛的行驶过程中的各种有用参数发送到PC 机以便进行分析和改进，我们还使用同步串行外设接口（SPI）或IIC 总线来控制CMOS 摄像头。

2.3 摄像头的对比选型

目前市场上的摄像头所采用的感光器件分为 CCD 和CMOS 两种，CCD 的 全称为电荷耦合装置，而CMOS 的全称则是互补金属氧化物半导体。 目前的 CMOS 摄像头有很多都自带有可编程控制模块和模数转换模块，无论从结构上、工艺上、性能上和使用方法上，都与普通的存储器有非常相似之处。与CCD 摄像头相比之下，CMOS 摄像头不需要斩波升压来提供电源，并且具有较强的可编程控制能力，也不需要额外地进行A/D 采样，各方面都更适合于作为小车的视觉传感器。 市场上的 CMOS 图像传感器产品各种各样，数不胜数，大部分是彩色的，分辨率也比较高。从小车需要识别的目标特征来看，CIF 分辨率甚至QCIF 分辨率的黑白摄像头足够提供路径识别和规划所需要的信息。摄像头具体情况见下图：

2.4 电机驱动电路设计

在智能汽车竞赛中，智能车的速度较快，通常达到2m/s 以上，因此对电机驱动电流的要求较高，电机驱动电路必不可少。首先，竞赛级电调并不使用全桥驱动，而是使用半桥，其原理图如图所示。 我们使用BTS7960 驱动芯片。这种芯片的好处是外围电路简单。通过设计电路，能使电机正转以及反转，而且使用PWM 波控制，能起到很好的驱动效果。具体情况见下图：

2.5 电源模块设计

驱动电路板中的电源模块为系统其它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可充电镍镉电池提供。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括多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。主要包括如下不同的电压：

1.主要为单片机、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。

2.主要是为舵机提供工作电压。实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。

3.一部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块提供电源。

4.采用摄像头进行道路检测时，为摄像头供电。 具体情况见下图：

第三章 软件设计

本系统控制软件采用大赛提供的CodeWarrior软件及BDM作为调试工具，此外，厂家提供的编程环境支持C语言和汇编语言的程序设计，以及C语言与汇编语言的混合编程，大大方便了用户的程序设计，提高了系统开发效率。本系统程序代码使用C语言编写。 本程序设计由以下几个模块组成：单片机初始化模块，实时路径检测模块，舵机控制模块，驱动电机控制模块，中断速度采集模块，速度模糊控制模块。

（1）单片机的初始化模块包括：I/O模块、PWM模块、计时器模块、定时中断模块初始化。

（2）实时路径检测模块：前排光电传感器检测黑线，将返回信号输入单片机的输入端口，程序不间断地读入输入端口的信号，通过判断语句，得出合适的PWM信号控制舵机转向

（3）舵机控制模块，驱动电机控制模块：通过直接输出PWM信号控制。舵机的控制采用开环控制，驱动电机采用模糊算法闭环控制。

（4）中断速度模糊控制模块实现：通过输出比较中断实现每5ms产生一次中断，并由累加器从旋转编码器信号线读入脉冲数，通过模糊运算得出PWM信号值输出控制转速电机控制速度

心得与体会

参见智能车比赛，让我从中学会了很多知识。智能车比赛需要细心和耐心，以及丰富的知识和极强的动手能力。拿耐心来说，在我画板的时候，必须极其小心，一个小小的失误就有可能让整个板子废掉。我是画了四次才算是成功，而且你在画板布线的时候更得有耐心，遵循布线的规则，寻找最优的路线说实话，有时候真的会看的眼晕。所以说，画板需要很好的耐心。

在做车过程中，也让我学会了很多知识。你要学会使用需要的软件，学会焊电路，知道各个元器件的性质以及各种芯片的性质还有引脚的功能。而且大部分资料都是英文版的，需要极有耐心的把他们看一遍，寻找你所需要的部分。

在做车过程中，极大的提高了我的动手能力。以前我焊电路的时候手一直会抖，现在是好了很多，手没有以前那样，抖个不停。

也许我们的知识还不够丰富，考虑问题也不够全面，但是这份技术报告作为我们小组辛勤汗水的结晶，凝聚着我们小组每个人的心血和智慧，随着它的诞生，这份经验将永伴我们一生，成为我们最珍贵的回忆。

第二篇：飞思卡尔杯智能车大赛摄像头组技术报告

第六届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学校：威海职业学院

名称：蓝海蛟龙

参赛队员：、、、、、、、、、

         、、、、、、、、、

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带队教师： 、、、、、、、   、、、、、、

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

        本人完全了解第五届“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：                     

带队教师签名：                     

日        期：                   

目录

第一章 引言................................................................................................................. 4

第二章 车模总体设计................................................................................................. 8

2.1 赛车主要参数................................................................................................ 8

2.2赛车硬件设计…………………………………………………………………………8

2.3赛车软件设计................................................................................................. 9

第三章 车模机械结构及安装................................................................................... 10

3.1 摄像头安装.................................................................................................. 11

3.2 舵机安装...................................................................................................... 11

3.3前轮倾角调整............................................................................................... 12

3.4 车模悬挂系统及底盘调整.......................................................................... 13

第四章 车模硬件系统设计与实现........................................................................... 15

4.1 硬件电路设计目标...................................................................................... 15

4.2电路设计实现............................................................................................... 15

4.2.1 单片机最小系统版........................................................................... 15

4.2.2 电源管理模块................................................................................... 15

4.2.3 电机驱动模块................................................................................... 16

4.3 摄像头选择.................................................................................................. 17

4.4 光电编码器选择.......................................................................................... 18

第五章 车模软件系统设计与实现........................................................................... 18

5.1 舵机控制策略.............................................................................................. 19

5.1.1 PID算法简介.................................................................................... 19

5.1.2 PID算法在舵机上的应用................................................................ 19

5.2 电机控制策略.............................................................................................. 20

5.3 图像采集与黑线提取算法设计.................................................................. 20

5.3.1 图像采集........................................................................................... 20

5.3.2 黑线提取........................................................................................... 20

5.4 起跑线识别法.............................................................................................. 21

5.5 赛道形状判定.............................................................................................. 22

第六章 系统调试....................................................................................................... 23

6.1 开发软件...................................................................................................... 24

6.2 蓝牙模块...................................................................................................... 24

第七章 总结与展望 …………………………………………………………………………26

第一章 引言

1.1 大赛背景和概况

“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛是由教育部高等学校自动化专业

教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办的全国性的比赛。

与以往的专业竞赛不同，智能车大赛是以迅猛发展的汽车电子为背景，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

的科技创新比赛，已经成为各高校展示科研成果和学生实践能力的重要途径，

同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛于2010 年7 月下旬举行分

区比赛，8 月中旬举行全国总决赛。竞赛内容包括：以飞思卡尔HCS12 单片机

为核心控制模块，以CCD 或光电检测元件检测赛道引导线，引导改装后的模型

汽车以最快的速度按照大赛组委会所设定的赛道行进，以赛车在最短时间跑完

全程的队为优胜队。该竞赛是涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、

计算机、机械等多个学科的科技创意性比赛，极具挑战性与竞争性。 该比赛已

经列入教育部主办的全国大学生五大竞赛之一。

1.2 智能车应用前景

智能车辆，是一个集外界环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体.它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆致力于提高汽车的安全性、舒适性和提供优良的人车交互界面，是目前各国重点发展的智能交通系统中一个重要组成部分，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。

随着科学技术的发展，特别是计算机技术、信息技术、人工智能、电子技术的突飞猛进，智能车辆技术有了实现的技术基础。目前智能车辆技术在轿车和重型汽车上主要应用于碰撞预警系统、防撞及辅助驾驶系统、智能速度适应、自动操作等，其在军事上的应用更加广泛和重要。

车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势，也是人们对安全性要求越来越高未来汽车的发展方向。随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，人工神经网络技术、模糊控制技术、神经模糊技术、虚拟实现等新技术的出现，智能车辆技术的研究将会有突破性的进展。智能车辆系统的实用化是是智能车辆发展的前进方向，适应性强、环境适应性好的智能车辆将是研究的重点。

第六章，系统调试。

第二章车模的总体设计

智能车是在车模结构的框架上，搭上硬件结构，通过 MC9S12XS128单片机的处理能力，将传感器采集到的信息处理分析后得出运算结果，指挥电机和舵机做出适应赛道及战术策略的响应的一套系统。其硬件结构框架如下图：

图1-1智能车硬件框图

2.1 赛车的主题参数

2.2 赛车的硬件设计

    依据系统设计思路及结构图，我们开始设计硬件电路，并既定了系统设计目标：稳定、简洁，在整个系统设计过程中严格按照规范进行。

稳定性是系统设计的基础，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性测试，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，使本系统工作的稳定性达到了设计要求。

简洁是指在满足了稳定的基础上，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。我们在对电路进行详细彻底分析后，对电路进行了大量简化，并合理设计元件排列和电路走线，使本系统硬件电路部分的重量、面积都达到了设计要求。

   硬件是系统的基础，为了给整个智能车系统提供一个稳定、可靠地硬件平台。本届我们的智能车在以STC5A60S2搭建追小系统的基础上，硬件电路方面主要分为三部分：电源模块；图像采集模块；电机驱动模块。

2.2.1 硬件电路总体结构框图

图4.1 硬件电路总体组成结构框图

硬件电路总体组成结构如图4.1所示。

整个智能车控制系统是由三部分组成的：S12为核心的最小系统板、主板、电机驱动电路板。

2.2.2 核心控制模块

单片机最小系统板使用MC9S12XS128单片机。该芯片采用5V供电，功能强大，总线频率高达40MHz。芯片含有丰富的片内设备，包括128K的Flash存储器，8K的RAM，8K的EEPROM，两路串行通信接口（SCI），一路串行外围接口（SPI），八路定时器通道，两个（80引脚为一个）八路可调转换精度的A/D口，八路PWM输出，91（80引脚为59）个离散数字I/O口，一个MSCAN模块。该单片机适合于在汽车电子中的应用，成为很多车载电子设备的控制芯片。其功能模块如图4.2所示。

图4.2 MC9S12XS128单片机功能模块示意图

MC9S12XS128单片机有112引脚和80引脚两种型号，前者比后者多出8位AD口和其他的一些引脚资源。基于模块化设计的思想，这里专门设计了单片机子板，以便维护和更新。同时，参考数据手册，对单片机的外围电路进行了详细的设计，高质量的实现了去耦、旁路与隔离等作用，保证了其稳定性能。在对小车各个模块进行逐一分析后，确定了单片机的引脚分配。

引脚分配如表4.1：

表4.1：最小系统引脚分配

2.2.3 电源模块

本系统全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充电镍镉电池提供。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。各模块供电如图4.3：

图4.3系统供电分析图

这里考虑到人机接口板所需电流为1A，而单片机等芯片要求电流不高，所以采用两块5V稳压芯片分别供电。由图可知，从电压上看，系统的供电电压分为+12V、+7.2V、+6V、+5V和+3.3V几个档。从功率上看，系统的电源又可以分为信号电源和功率电源两部分。功率电源为电机驱动模块和舵机供电，信号电源则为余下的部分供电。

（1） 5V电源

由上述分析，5V电源选取两种电源稳压芯片，一种要求纹波小，电流在1A以下，工作稳定，给单片机等芯片供电；另一种要求电流在1A座右，输出电流纹波没有太高要求，专门为人机接口板的数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片供电。

由于整个系统中+5V电路功耗较小，为了降低电源纹波，我们首先使用串联型稳压电路，另外，后轮驱动电机工作时，电池电压压降较大，为提高系统工作稳定性，必须使用低压降电源稳压芯片。

为了提高电源的利用率，我们进一步选择DC/DC电源稳压电路。DC/DC是开关型稳压电路，它的优点是电路结构简单，对电源的高频干扰有较强的抑制作用、效率高，输入电压的范围宽，输出电压，电流的纹波值较小。

此外，本系统选用LM2940为人机接口板的数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片供电。LM2940也是常用的高性能线性稳压芯片之一，它的工作压差较小，只要输入电压达到6V以上就可以稳定输出5V电压，同时它的输出电流为1.5A，满足人机接口板的1A要求。连接如图4.4所示：

图4.4  LM2940电路原理图

（2） 6V电源

由舵机的技术规格可知，其工作电压为4-6V。由于提高舵机的工作电压可以缩短舵机的反应时间，所以选择其工作电压的上限6V来供电。与5V电源苛刻的性能要求相比，6V电源的性能指标要宽松一些，故其选型也比较容易，这里采用国家半导体公司的低压差线性稳压芯片LM1117-ADJ来实现。

LM1117-ADJ的输入电压最大可达20V，工作温度范围为-65℃到150℃。本文选用的是贴片封装SOT-223，体积轻巧，使得布局更加灵活。LM1117-ADJ的输出电流最大可达800mA，此时其工作压差为1.2V，基本可以满足要求。对LM1117-ADJ可以使用一个外部可变电阻使其输出电压在1.25V到13.8V之间调整，然而舵机所需的电压值已经确定，加之电位器的封装尺寸较大，故这里用一个固定阻值电阻来代替电位器。查阅数据手册知输出电压计算公式如下：

                    （4.1）

式中，为基准电压1.25V，为变阻器的阻值。这里使=120，=470，这样， =6.15V。电路连接如图4.5所示。

图4.5 LM1117-ADJ电路连接图

 2.2.3赛车的软件设计

3.2    车模机械结构调整

 3.1 摄像头的安装

摄像头的安装位置应合适选取。安装位置太低，会导致视域不够广阔，影响寻线的有效范围；安装位置太高，导引线会变得过窄而无法被检测到，而且赛车系统会因重心抬高而稳定性变差。安装位置合适的一个标准是：在此位置的拍摄范围能满足控制的需要。

 3.2 PCB板安装

电路板是这个系统的核心，如何正确的设计和安装是智能车取得良好成绩的关键。我们分别制作了电机驱动板和人机接口板，这样一来，电路板的性能比较稳定而且重量比较轻，保证了智能车能快速稳定的跑完全程。

同时，主控板与各个执行单元的接口也是应该考虑的因素，所以要尽可能照顾到相应模块的接口方向，使接插线的连接不出现交叉或缠绕的现象。

根据小车实际的运行过程可以看出，各执行部件与主板的接口都很恰当，接插线没有缠绕和交叉，该方案达到了良好的效果。

 3.3 舵机连杆的改造

  经过多次试验，我们发现把舵机直立起来效果较明显，这样使舵机连接杆与转向摇臂在水平方向连接，从而使舵机力矩大部分用于转向，同时舵机的前置增加了车头的重量即增加了前轮摩擦力，对转向起到一定促进作用，为了进一步提高舵机转向的灵活性加快舵机的反应速度，我们加长了舵机的连接杆，使舵机输出力臂增加，即让舵机转动一小角度前轮转动大角度，但这种做法一定程度上是以减小力矩为代价的，所以连接杆不能加的太长，为此经过我们反复的调试，选取了恰当长度的连接杆，同时保证了较快的舵机反应速度和足够大的输出力矩。

 3.4 底盘离地间隙的调整

在天使过程中我们发现，由于电源和电路板的重量多集中在车模中部位置，致使底盘离地间隙太小甚至与地产生摩擦，严重影响车速，对此我们做了两方面调整：（1）.将电路板位置向后移，是其与电池质量分散分布。（2）.将减震弹簧的自然状态拉长，这样可以增加其弹力，可抵消更多的载重的压力，不过这样的调整对车的减震作用略有影响，但经过试验此影响可以忽略。

 3.5 本章小结

本章对模型车车体的优化调整进行了介绍。根据汽车理论的基本知识，通过原理分析，对车体姿态参数进行了多方面的调整与优化，并取得了良好的效果。