【正文】 I第六屆 “飛思卡爾 ”杯全國大學(xué)生智能車競賽技術(shù)報告學(xué) 校：東南大學(xué)成賢學(xué)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(guān)于技術(shù)報告和研究論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解第六屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽關(guān)保留、使用技術(shù)報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計方案、技術(shù)報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)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(shè)計 .....................................................2 總體設(shè)計思路 .................................................................................................................................2第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化 ...........................................3 機(jī)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(jī)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(jī)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(shè)計說明 ...............................................7 電磁傳感器電路的設(shè)計 .................................................................................................................7 主控板的設(shè)計 .................................................................................................................................8 電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計 .....................................................................................................................9第五章 控制軟件的設(shè)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(shù)參數(shù) ..........................................15第八章 總結(jié) ........................................................16參考文獻(xiàn) ...........................................................17附 錄 ...............................................................I源代碼 ................................................................................................................................I1第一章 引言全國大學(xué)生智能汽車競賽是全國高等教育司委托高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)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(shù)、電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)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(xué)生智能汽車競賽。從 2022 年 底著手準(zhǔn)備，歷時半年多，經(jīng)過不斷試驗設(shè)計，最終設(shè)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(shè)計，進(jìn)行包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化，硬件的設(shè)計與組裝、軟件控制算法的編寫與改進(jìn)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(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機(jī)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(shù)報告主要對小車的整體設(shè)計思路，硬件與軟件設(shè)計與優(yōu)化，機(jī)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(shè)計 總體設(shè)計思路賽車是以檢測通以 20KHz、100mA 的導(dǎo)線的電磁場為基礎(chǔ)，通過單片機(jī)處理采集到的磁感應(yīng)電壓信號，實現(xiàn)對賽車的轉(zhuǎn)向控制，進(jìn)而識別賽道達(dá)到路徑尋跡的目的。根據(jù)電磁尋跡的設(shè)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(shè)備，例如編碼器測速、舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向、直流電機(jī)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(jī) 系統(tǒng)起跑線 檢測人機(jī)交互傳 感器信號檢測電機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)編 碼器串行通 信口舵機(jī)圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分機(jī)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(jī)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(yīng)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(dāng)?shù)恼笆梢蕴岣哌B續(xù)轉(zhuǎn)向的反應(yīng)能力。主銷內(nèi)傾角給了一個適當(dāng)?shù)闹?，會更有利于過彎。 舵機(jī)的安裝考慮到適當(dāng)增加力臂來提高舵機(jī)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(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告4 圖 舵機(jī)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(jī)驅(qū)動電路、電機(jī)、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(dǎo)致不能檢測到起跑線不能停車的情況的發(fā)生。第三章 機(jī)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(jī)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(jī)自身的空載電流很大，導(dǎo)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(dǎo)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(jī)驅(qū)動電路的安裝 編碼器的安裝軸編碼器用于電機(jī)測速，是電機(jī)閉環(huán)控制的關(guān)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(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)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(dāng)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(shè)計說明 電磁傳感器電路的設(shè)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(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告8 主控板的設(shè)計主板承擔(dān)著整部賽車各類電源的提供以及信號采集控制任務(wù)，主要由各類電源電路和單片機(jī)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(shè)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(dǎo)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(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計電機(jī)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(jī)速度的 PID調(diào)節(jié)，本次比賽的 B 車模電機(jī)空載損耗很大，空載電流可達(dá)到 2 安培以上，考慮賽道運行機(jī)械負(fù)載與加速的加速度負(fù)載等，依據(jù)常規(guī)經(jīng)驗粗略推斷，電機(jī)電流至少可達(dá)十幾安培以上，對于低壓小型電機(jī)，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(jī)電流且必須擁有較為完善的過流、超溫保護(hù)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(hù)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(shè)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(dǎo)致的的芯片發(fā)燙會偶然觸發(fā)其內(nèi)部的過溫保護(hù)電路，導(dǎo)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