第五届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告
第一章 引言
“飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。
智能小车系统由HCS12微控制器、电源管理单元、路径识别电路、车速检测模块、舵机控制单元和直流驱动电机控制单元组成。本系统以飞思卡尔公司的16位微处理器MC9S12XS128为控制核心，并采用CodeWarrior软件编程和BDM作为调试工具。运用激光发射强大光线，使用采集光敏传感器AD值进行道路信息采集，并采用PWM技术来控制舵机的转向和电机转速。舵机控制主要采用PWM信号开环控制,而速度控制方面，由数据表来设定速度，PID控制来调整速度。通过将总线频率超频到40M来更快更准确地进行控制。各个部分经过MCU的协调处理，能
够以较快的速度在指定的轨迹上行驶，在进弯道之前能够提前减速并改变角度，达到平滑过弯和减小路程的效果。
在前几个月的努力中，我们自主设计机械结构和控制电路，构思独特算法，并一次次地对单片机具体参数进行调试。可以说，这辆在跑道上奔驰的小车凝聚着我们的汗水和智慧。
在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用。


第二章 方案选择
    智能汽车比赛以快速平稳地完成赛程作为目标，这就要求赛车能够快速准确地检测跑道路径，及时做出合理的控制并迅速执行。这跟总体方案的确立有很大的联系。
2.1 路径识别传感器的选定
路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此，选定黑线识别传感器模块是总体方案确立的首要步骤。主要有以下几种识别方法：
（1）使用光电发射接收管来检测黑线：
光电发射管发射出光，经过赛道的反射回来，由于白平面和黑线反射光强度不同，不同位置上的光电接收管接收到强弱不同的光，因此可以判断出黑线相对小车的位置。这种检测的方法明显的优点是检测速度快，检测的方法简单，成本相对低廉。但是比赛规定传感器不能超过16个，这样就限制了水平分辨率。不能精确的分辨黑线的位置，同时也许垂直分辨率可能只有一线，不能很好的预测路径的走线。总的来说使用这种方法优点很明显，缺点也很明显。
（2）使用图像传感器CCD来检测黑线：
图像传感器分为线阵和面阵两种。
线阵的图像传感器分辨率高，能克服光电传感器水平分辨率低的缺陷，但是检测速度较慢，
且垂直分辨率只有一线。
面阵的图象传感器成象是一个平面，无论是水平分辨率还是垂直分辨率都很高，识别上具有很大的优势，可以做到提前预测路径，是最理想的路径检测传感器；但是数据量比前两种方案都大很多，而且数据处理较为困难，大大加重了单片机的负担。
（3）使用磁传感器来检测黑线：
黑线下面部有电线，通电后会产生磁场，根据磁场场强大小和电线距离的关系，可以用磁传感器测出车体与黑线的相对位置。这样检测稳定，但是磁场场强大小与电线距离有着较复杂的非线性关系，而且使用磁传感器无法做到很好的前瞻，这是对车速很大的限制。
比较了三种传感器优劣之后，决定选用应用广泛的光电传感器，相信通过选用大前瞻的激光传感器，加之优秀的程序控制和较快的信息处理速度，相信激光传感器可以极好的控制效果。
2.2 系统总体框图
智能车系统采用飞思卡尔的16位微控制器MC9S12XS128单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。在选定系统采用光电传感器后，由安装在车前部的光电传感器负责采集信号，并将采集到的信号传入核心控制单元，核心控制单元对信号进行判别处理后，由内部ECT模块发出PWM波，分别对转向舵机、直流电机和制动电机进行控制，完成智能车的转向、前进和制动。智能车驱动电机上安装有光电编码器，用来对车轮转速反馈信号的采取，经由核心控制单元进行专家PID控制算法自动调节输入到电机驱动模块的PWM波占空比，从而控制小车的速度。另外，系统带有拨码开关选择程序的运行参数，还有液晶显示模块实时显示智能车的状态。
汽车测速器
系统总体结构方框图如图2.1所示。
图2.1 系统总体结构方框图
根据上面的方案设计，可知系统主要由以下几个部分组成：
（1）MC9S12X128主控制器。系统采用112脚的MC9S12XS128MAL，该单片机具有ECT模块，2个SPI模块，8路16位计数器，4路外部事件触发中断输入端口，8路PWM，16路10位AD，转换时间约为3us；
（2）传感器模块。使用一字线激光器发射强大光线，用13个光敏传感器采集路面信息，将信号反馈给控制单元，由控制单元判别黑线位置以控制车的速度、转向和制动；
（3）电机驱动模块和速度控制模块。根据码盘反馈信号，用MOS管搭建的桥式驱动电路驱动电机的运转状态，形成闭环控制，对电机的速度机型准确快速的调节；
（4）转向控制模块。根据路面信息，准确地控制转向舵机的转角；
（5）刹车模块。使用伺服舵机构成刹车装置，使智能车在转弯时两轮差速，更及时地转向；
（6）人机交互模块。我们使用拨码开关调整智能车的运行参数，并用液晶将车的运行状态显示出来。


第三章 机械结构设计
为了使模型车更能发挥竞速特长，我们对车体进行了机械设计和改造，主要包括前轮定位，传感器的设计安装，转向舵机的安装，测速编码器的安装和后轮刹车装置的设计。
3.1 车体机械建模
光电组采用的是新的B型车模。B型车模采用的是国内厂商生产的1：16的电动越野遥控车的底盘部分，突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂。
    智能车的外形大致如图3.1所示：
图3.1 智能车大致外形
3.2 前轮定位
车轮定位是为了使智能车具有直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动转正，并减少轮胎和转向系零件的磨损等优点。车轮定位主要的参数有：主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。由于前轮负责转向，我们主要调整前轮的各个参数。
主销后倾能够产生一个方向与车轮偏转方向相反的力矩，使车轮回到原来的位置，从而保持了汽车直线行驶的稳定性。但回正力矩过大，将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并导致转向沉重。