【正文】 I第六屆 “飛思卡爾 ”杯全國大學生智能車競賽技術報告學 校：東南大學成賢學院隊伍名稱：顛覆參賽隊員：蔣昌明 劉雙飛 孫榮俊帶隊教師：李振東 張志鵬 II關于技術報告和研究論文使用授權的說明 本人完全了解第六屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽關保留、使用技術報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名： 帶隊教師簽名： 日 期： III目錄第一章 引言 .........................................................1第二章 方案設計 .....................................................2 總體設計思路 .................................................................................................................................2第三章 機械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化 ...........................................3 機械結(jié)構(gòu)部分 .................................................................................................................................3 傳感器的安裝 ...........................................................................................................3 前輪定位的調(diào)節(jié) ......................................................................................................3 舵機的安裝 ..............................................................................................................3 主控板的連接與固定 ............................................................................................4 賽道起始檢測元件及安裝 ....................................................................................4 電機驅(qū)動模塊的安裝 ............................................................................................5 編碼器的安裝 ..........................................................................................................5 后輪差速的調(diào)整 ......................................................................................................6第四章 電路的設計說明 ...............................................7 電磁傳感器電路的設計 .................................................................................................................7 主控板的設計 .................................................................................................................................8 電機驅(qū)動模塊的設計 .....................................................................................................................9第五章 控制軟件的設計說明 ..........................................11 程序流程圖 ...................................................................................................................................11 速度控制 .......................................................................................................................................13第六章 開發(fā)工具與調(diào)試過程說明 ......................................14第七章 賽車的主要技術參數(shù) ..........................................15第八章 總結(jié) ........................................................16參考文獻 ...........................................................17附 錄 ...............................................................I源代碼 ................................................................................................................................I1第一章 引言全國大學生智能汽車競賽是全國高等教育司委托高等學校自動化專業(yè)教學指導分委會主辦，旨在培養(yǎng)創(chuàng)新精神、協(xié)作精神，提高工程實踐能力的科技活動。該競賽是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。本校積極組隊參加第六屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽。從 2022 年 底著手準備，歷時半年多，經(jīng)過不斷試驗設計，最終設計出較為完整的智能賽車。在賽區(qū)比賽中獲得了較好的綜合性能和成績。在本次比賽中，采用大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模，采用飛思卡爾 16 位微控制器 MC9S12XS128 作為核心控制單元，構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設計，進行包括機械結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化，硬件的設計與組裝、軟件控制算法的編寫與改進等過程（小車上的具體方案模塊有傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機控制等）從而實現(xiàn)小車智能化的識別道路，最終實現(xiàn)智能化競速。本技術報告主要對小車的整體設計思路，硬件與軟件設計與優(yōu)化，機械結(jié)構(gòu)的安裝以及賽車的調(diào)試操作等過程作簡要的說明。2第二章 方案設計 總體設計思路賽車是以檢測通以 20KHz、100mA 的導線的電磁場為基礎，通過單片機處理采集到的磁感應電壓信號，實現(xiàn)對賽車的轉(zhuǎn)向控制，進而識別賽道達到路徑尋跡的目的。根據(jù)電磁尋跡的設計方案，賽車整體包括以下四大模塊：塊 ，除此之外系統(tǒng)還有一些外部設備，例如編碼器測速、舵機控制轉(zhuǎn)向、直流電機驅(qū)動車體，干簧管起跑線識別等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 所示。單片機 系統(tǒng)起跑線 檢測人機交互傳 感器信號檢測電機驅(qū)動直流電機編 碼器串行通 信口舵機圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3第三章 機械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化 機械結(jié)構(gòu)部分機械結(jié)構(gòu)部分工作主要包含傳感器的安裝、前輪注銷傾向的調(diào)節(jié)、舵機的安裝、主控板得連接與固定，干簧管的安裝、驅(qū)動模塊的安裝、編碼器的安裝以及后輪差速的調(diào)整等。 傳感器的安裝傳感器采用的是 6 個磁場檢測電感一致字勻布的布局安裝，如圖 所示。傳感器伸出車體一定的距離以獲得相應的前瞻性。 圖 31 傳感器布局 前輪定位的調(diào)節(jié)對于汽車而言，要保持車輛直線行駛的穩(wěn)定性，使之轉(zhuǎn)彎自動回正、轉(zhuǎn)向輕便，必須確定車輪定位參數(shù)，包括主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪外傾和車輪前束。主銷后傾角和車輪前束可以提高車模行駛時的轉(zhuǎn)向回正力。所使用的車模中，車輪和主銷是平行的，調(diào)成了 0 度左右，適當?shù)恼笆梢蕴岣哌B續(xù)轉(zhuǎn)向的反應能力。主銷內(nèi)傾角給了一個適當?shù)闹?，會更有利于過彎。 舵機的安裝考慮到適當增加力臂來提高舵機的靈敏度和為了賽車布局的的緊湊，采取了如圖 所示的安裝方法。 第六屆全國大學生智能汽車邀請賽技術報告4 圖 舵機安裝結(jié)構(gòu) 主控板的連接與固定 采用接插件與焊接結(jié)合的方式連接傳感器、主控板、編碼器、電機驅(qū)動電路、電機、賽道起始檢測等單元，既考慮可靠性，又兼顧結(jié)構(gòu)調(diào)整與安裝的便利性。具體安裝結(jié)構(gòu)如圖 所示，圖 主控板安裝結(jié)構(gòu) 賽道起始檢測元件及安裝采用干簧管作為賽道起始線檢測元件，采用兩兩并聯(lián)，在實際比賽時，與比賽用的起始線磁鐵水平寬度相比，我們的賽車干簧管的安裝寬度較大，如此考慮，可以增大檢測的范圍，好處是可以有效地防止車子臨近終點時因跑偏太多而導致不能檢測到起跑線不能停車的情況的發(fā)生。第三章 機械結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化5 圖 賽道起始線檢測干簧管部位 電機驅(qū)動模塊的安裝 驅(qū)動模塊采用英飛凌半橋 MOS 驅(qū)動電路 BTS7960 構(gòu)成 H 全橋驅(qū)動電路，由于車模電機自身的空載電流很大，導致工作時電流偏大，但賽車實際運行中，快速加減速十分頻繁，易導致芯片過熱，為提高可靠性，采用了雙 H 全橋并聯(lián)分流驅(qū)動，運行穩(wěn)定。安裝結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖 電機驅(qū)動電路的安裝 編碼器的安裝軸編碼器用于電機測速，是電機閉環(huán)控制的關鍵檢測反饋元件。采用每轉(zhuǎn)500 線的編碼器通過齒輪傳動安裝，固定于賽車尾部。安裝部位結(jié)構(gòu)如圖圖 所示。第六屆全國大學生智能汽車邀請賽技術報告6 圖 軸編碼器的安裝 后輪差速的調(diào)整車在轉(zhuǎn)彎時后輪的速度會不同，再不打滑的情況下，存在差速。在后輪不打滑的情況下，差速越松，轉(zhuǎn)向效果越好，但是太松的差速會影響驅(qū)動力的提供。實際中在賽道上調(diào)整到比較平衡的值就可以了。在差速和摩擦軸承中適當加點油保持良好的輪滑，也可以一定程度上改善差速的性能。7第四章 電路的設計說明 電磁傳感器電路的設計電磁傳感器是賽車循跡的前提，采用圖 電路，由諧振回路，放大電路和倍壓整流電路三部分組成，電路如下圖所示。 R140KBC2E3T85W.+V6ADSLmHJONxuF/k主圖 電磁傳感器電路第六屆全國大學生智能汽車邀請賽技術報告8 主控板的設計主板承擔著整部賽車各類電源的提供以及信號采集控制任務，主要由各類電源電路和單片機系統(tǒng)與接口電路組成。我們沒有將傳感器和傳感器電路設置在主板上。否則，將大量消耗狹小的底盤安裝空間，使得主板面積過小元件信號線過度密集導致抗干擾性能變差，不利于系統(tǒng)的可靠性，電路圖與 PCB 圖分別如圖 、 所示。 201主FUSE5mA47nCR3WuGNDP+*ad圖 主控板電路圖圖 主控板 PCB 圖 電機驅(qū)動模塊的設計電機驅(qū)動電路的功率問題比較重要，驅(qū)動的好壞將會影響電機速度的 PID調(diào)節(jié)，本次比賽的 B 車模電機空載損耗很大，空載電流可達到 2 安培以上，考慮賽道運行機械負載與加速的加速度負載等，依據(jù)常規(guī)經(jīng)驗粗略推斷，電機電流至少可達十幾安培以上，對于低壓小型電機，如此的電流損耗是較為驚人的。驅(qū)動電路必須能夠驅(qū)動如此大的電機電流且必須擁有較為完善的過流、超溫保護等功能有效防止驅(qū)動電路的損壞。比較分立原件和集成芯片的優(yōu)劣之后我們選擇了英飛凌半橋 BTS7960 構(gòu)成全橋以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)以及能耗制動。BTS7960 電路不需要升壓電路，可耐受瞬時 45A 以上的電流，具備較為完善的保護功能。但在 B 車的使用過程中它也出現(xiàn)了一些問題：對 PWM 的頻率第四章 電路的設計說明9有要求，過高或過低都會使芯片發(fā)燙。頻繁的 PID 調(diào)速也會使芯片發(fā)燙。以上導致的的芯片發(fā)燙會偶然觸發(fā)其內(nèi)部的過溫保護電路，導致賽車中途停車。為了解決以上問題我們采用并聯(lián)雙 H 橋的形式，從而保證了賽車的穩(wěn)定運