【正文】 大轉(zhuǎn)向阻力，增加輪胎磨損，根據(jù)試驗(yàn)效果，確定主銷內(nèi)傾角為 6度 左右。這不僅會(huì)使轉(zhuǎn)向變得沉重，還將加速輪胎的磨損。 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 圖 3． 2 主銷內(nèi)傾角 ? 也具有使車輪自動(dòng)回正的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪在外向力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，由于主銷內(nèi)傾的原因，車輪連同整個(gè)汽車的前部被抬起一定高度，當(dāng)外力的作用消失后，車輪就會(huì)在重力的作用下恢復(fù) 到原來的中間位置。由于本次比賽采用的轉(zhuǎn)向舵機(jī)性能偏軟，會(huì)造成模型車轉(zhuǎn)彎遲滯，因此后傾角不宜設(shè)定過小，賽車通過增減黃色墊片的數(shù)量來改變主銷后傾角的，由于競賽所用的 轉(zhuǎn)向舵機(jī)力矩不大，過大的主銷后傾角會(huì)使轉(zhuǎn)向變得沉重，轉(zhuǎn)彎反應(yīng)遲滯．以便增加其轉(zhuǎn)向的靈活性，根據(jù)試驗(yàn)確定主銷后傾角為 3～ 4度 。為了使賽車轉(zhuǎn)向靈活，主銷后傾角可設(shè)定為 0度。通常后傾角設(shè)定為 1～ 3度 。例如，一輛直線行駛的汽車偏離行駛方向而向右偏轉(zhuǎn)時(shí)，由于汽車離心力的作用，在車輪與路面接觸點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生～個(gè)路面對(duì)車輪的側(cè)向反作用力 Y．由于其不通過軸線，而形成使車輪繞主軸線旋轉(zhuǎn)的力矩 YL，其方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，所以能使車輪恢復(fù)到原來的位置，從而保持了汽車直線行駛的 穩(wěn)定性。 (1)主銷后傾角 主銷在賽車的縱向平面內(nèi) (汽車的側(cè)面 )有一個(gè)向后的傾角 y，即主銷軸線與 地面 垂直線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角，稱為“主銷后傾角”，如圖 3 1所示。 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu) 調(diào)整 方案 前輪定位的 調(diào)整 賽車在正常行駛過程中，為了使其直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，并減少輪胎和轉(zhuǎn)向零件的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間形成一定的相對(duì)安裝位置，稱為車輪定位。 根據(jù)對(duì)上面三種不同組路徑識(shí)別方案的總結(jié)和比較，首先，考慮到電磁傳感器的抗干擾下差，以及獲得賽道信號(hào)的單向性，排除選擇電磁傳感器識(shí)別的方案，其次，對(duì)于光電識(shí)別和攝像識(shí)別兩種方案，我們 綜合列出了他們的優(yōu)缺點(diǎn)，比較如下表： 路徑識(shí)別方案 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) CMOS 攝像頭方式 范圍寬、 前瞻距離遠(yuǎn)、 抗干擾能力強(qiáng) 檢測(cè)信息更新速度慢、 數(shù)據(jù)量大， 處理復(fù)雜， 電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。 CMOS 攝像頭又可分為數(shù)字式和模擬式兩種，通過查閱往屆參賽隊(duì)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于數(shù)字式選擇的較少，雖可通過對(duì)單片機(jī)內(nèi)部寄存器進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置來提高幀速率，但受環(huán)境 影響較大，適應(yīng)性較差。缺點(diǎn)是工作電壓一般為 12V，需要升壓模塊，耗電量較大，且圖像穩(wěn)定性不高。 傳感器方式： ? CCD 圖像傳感器 CCD傳感器拍攝賽道圖像是以 PAL制式信號(hào)輸出到 CCD信號(hào)處理模塊進(jìn)行二值化（或連續(xù)化）并進(jìn)行同步信號(hào)分離，二值化（或連續(xù)化）后的數(shù)據(jù)和同步信號(hào)同時(shí) 輸入到 S12 控制核心，進(jìn)行進(jìn)一步的圖像處理 。 優(yōu)點(diǎn)：可以獲得較遠(yuǎn)路徑信息，可以有效進(jìn)行車模速度控制，提高了車模運(yùn)行速度并且增加路徑跟蹤精度。 采用攝像頭 方式采集： 原理：通過攝像頭鏡頭焦距的不同，可以將車模前方不同范圍的道路圖 像映射到器件中，得到車模前方的道路信息，對(duì)圖像中的道路參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。頻率上限為 1KHz?？梢栽谥圃旃に嚿鲜褂梅浅Ｃ舾?，分辨率最低為 1 奧斯特。磁通門的輸出時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率 f 的第二諧波。磁阻傳感器通常用于測(cè)量微奧斯特到 10 奧斯特的磁場。當(dāng)施加的磁場垂直于用鐵質(zhì)材料制成的薄板中的電流時(shí)，它本身的電阻明顯有變化。硅片中霍爾效應(yīng)在百分之幾到幾千奧斯特德范圍內(nèi)是呈線性變化的，可檢測(cè)的最小磁場為 1 奧斯特的數(shù)量級(jí)。因此，對(duì)十字線交叉道路的識(shí)別 較為困難，干擾較大。在實(shí)際檢測(cè)中會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同方向傳感器的變化規(guī)律有很大不同，這與磁場的分量變化規(guī)律相一致。 采用電磁傳感器 ： 原理：比賽賽道黑線下為電流約為 20KHz、 100mA 的導(dǎo)線，通過電磁傳感器整列來感應(yīng)20KHz 的磁場信號(hào)，經(jīng)過放大電路放大后，得到正弦波，再用 AD 采樣，得到正弦波的峰值，以判斷電磁傳感器距離導(dǎo)線的距離，從而定位車模路徑所處位置。模 擬式光電傳感器的發(fā)光和接收都是錐角一定的圓錐形空間，其電壓大小與傳感器距離黑色路徑標(biāo)記線的水平距離有定量關(guān)系：離黑線越近，電壓越低，離黑線越遠(yuǎn)，則電壓越高 (具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系與光電管型號(hào)以及離地高度有關(guān) )如圖 2 所示。從本質(zhì)上講，數(shù)字式光電傳感器的劣勢(shì)就在于它丟掉了路徑探測(cè)中的大量信息。光電管相對(duì)的感知距離較近并且只能提供非常少的前方車道走勢(shì)信息。光電傳感器的排列方法、個(gè)數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法密切相關(guān)。通過合理安排紅外發(fā)射 /接收管一般安裝在賽車前端，可以布置成一排，也可布置成多排。路徑識(shí)別 的主要要求是準(zhǔn)確、快速、盡量超前地采集路面信息，把它轉(zhuǎn)變成點(diǎn)信號(hào)，傳送第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 到單片機(jī)中處理，可見路徑識(shí)別 方案的好壞，直接關(guān)系到賽車的性能，影響著比賽的結(jié)果。 第二章 路徑識(shí)別方案 路徑識(shí)別功能即是在白底黑線的賽道上自動(dòng)識(shí)別行駛的路線，檢測(cè)賽車相對(duì)于賽道的偏移量、方向等信息使賽車自主沿著賽道運(yùn)行。 智能車通過圖像傳感器感知賽道信息，控制賽車的行進(jìn)方向 和行駛速度 。 智能車系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上包括 以 下模塊： 單片機(jī)模塊、 電源模塊、 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī) 控制及驅(qū)動(dòng)模塊 、 車 速測(cè)量模塊和 路徑 識(shí)別 模塊。從傳感器信息采集、信息處理、轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致賽車不能正確的跟蹤賽道行駛甚至偏離賽道。系統(tǒng)完成從傳感器采集信息、微控制器對(duì)信息處理并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制量的整個(gè)過程。 ； 5) 賽道為二維水平平面； 6) 賽道有一個(gè)長為 1000mm 的出發(fā)區(qū)，如下圖所示，計(jì)時(shí)起始點(diǎn)兩邊分別有一個(gè)長度100mm 黑色計(jì)時(shí)起始線，賽車前端通過起始線作為比賽計(jì)時(shí)開始或者與結(jié)束時(shí)刻。 可以選擇參數(shù)： 1) 開發(fā)軟件可以選擇 CodeWarrior ，也可以另行選擇； 2) 開發(fā)調(diào)試硬件可以選擇 BDM（清華大學(xué)制作）工具，也可以另行選擇； 3) 電路所使 用元器件（傳感器、各種信號(hào)調(diào)理芯片、接口芯片、功率器件等）種類 量都可以自行設(shè)計(jì)選擇。 對(duì)于智能競賽車模 1) 禁止改動(dòng)車底盤結(jié)構(gòu)、輪距、輪徑及輪胎； 2) 禁止改動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的型號(hào)及傳動(dòng)比； 3) 禁止改造滾珠軸承； 4) 禁止改動(dòng)舵機(jī)； 5) 禁止改動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電池，車模主要前進(jìn)動(dòng)力來源于車模本身直流電機(jī)及電池； 6) 為了車模的行駛可以安裝電路、傳感器等，允許在底盤上打孔或安裝輔助支架等。 如果比賽失敗，則不計(jì)成績。選手也可以在賽車沖出跑道后放棄比賽。賽車前兩次沖出跑道，選手可以申請(qǐng)恢復(fù)比賽，即將沖出跑到賽車重新放置在裁判指定的賽車沖出跑道的位置，恢復(fù)比賽。組委會(huì)將邀請(qǐng)獨(dú)立公證人監(jiān)督現(xiàn)場賽事及評(píng)判過程。參賽隊(duì)伍之名次（成績）由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時(shí)間為主，技術(shù)方案及制作工程質(zhì)量評(píng)分為輔來決定。全國共分成五個(gè)賽區(qū)，先進(jìn)行初賽，優(yōu)勝者將進(jìn)入全國總決賽。今年的比賽將更加引人注目。最終，清華大學(xué)二隊(duì)獲得第一名，交大之星隊(duì)以 秒之差屈居第二。由飛思卡爾公司資助，清華大學(xué)承辦了這項(xiàng)賽事。因其專業(yè)知識(shí)涉及控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力。同時(shí)在韓國的方案里面，也有些是采用 CCD，或者是將 CCD 和光電傳感器結(jié)合使用來完成車模循跡的，在這些方案里面也有很多成功的案例。參考韓國相關(guān)比賽中成功的案例，在關(guān)于路徑 識(shí)別的問題上，大都選用光電傳感器作為自己的方案，但傳感器在檢測(cè)及處理信號(hào)方面和對(duì)其排布方面都有所不同。 在國外，相關(guān)賽事在韓國從 2020 年開始已經(jīng)舉辦了近六屆，每年韓國大約有 100 余支大學(xué)生隊(duì)伍報(bào)名并參賽，該項(xiàng)賽事在韓國取得了很好的成功。這是對(duì)我們的將所學(xué)各學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用和動(dòng)手實(shí)踐能力的很好的培養(yǎng)。車?？梢愿难b，但改裝部位，及改裝后其長寬尺寸都有限制。 比賽要求控制器必須采用 MC9S12DB128B 作為系統(tǒng)唯一控制處理器。控制器自主識(shí)別引導(dǎo)線并控制模型車沿著賽道運(yùn)行。 比賽跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬 25cm。 設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)。參賽隊(duì)伍通過設(shè)計(jì)單片機(jī)的自 動(dòng)控制器控制模型車在封閉的跑道上自主循線運(yùn)行。比賽成績主要由賽車在現(xiàn)場成功行駛完賽道的時(shí)間為主。 第一章 背景 “ 飛思卡爾 ” 杯背景介紹 “ 飛思卡爾 ” 杯全國大學(xué)生智能車 競賽 是在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下 舉辦的以 S12 單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競賽。“ 神馬 ”隊(duì)設(shè)計(jì)方案 摘要 本文以 “飛思卡爾”杯 全國大學(xué)生智能車競賽為 主題 ，介紹了智能賽車 從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到 控制系統(tǒng)的軟硬件 設(shè)計(jì) 流程。 本次 比賽 使用競賽秘書處統(tǒng)一指定的競賽車模 及 套件，采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的 16 位微控制器作為核心控制單元， 配合 不同類型的 傳感器、 驅(qū)動(dòng) 電機(jī)、 轉(zhuǎn)向 舵機(jī)、 直流 電池、以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路， 使賽車 能夠自主識(shí)別路徑， 并 控制模型車高速穩(wěn)定 地 在跑道上運(yùn)行 ，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成跑完賽道的任務(wù) 。使用大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的競賽車模、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、直流電機(jī)和可充電式電池，采用飛思卡爾 16 位微控制器 MC9S12DB128B作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、控制算法及執(zhí)行、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點(diǎn)參加場地比賽。 全國大學(xué)生智能汽車競賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動(dòng)模型賽車，它由大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供。在保證模型車運(yùn)行穩(wěn)定，即不沖出跑道的前提下，跑完兩圈的時(shí)間越小成績?cè)胶?。自?dòng)控制器是以單片機(jī)為核心，配合有傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池、以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，它能夠自主識(shí)別路徑，控制模型車高速穩(wěn)定運(yùn)行在跑道上。比賽規(guī)則限定可賽道寬度和拐彎最小半徑等參數(shù)，賽道具體形狀在比賽當(dāng)天現(xiàn)場公布。 在嚴(yán)格遵守規(guī)則中對(duì)于電路限制條 件，保證智能車可靠運(yùn)行前提下，電路設(shè)計(jì)盡量簡潔緊湊，以減輕系統(tǒng)負(fù)載，提高智能車的靈活性，同時(shí)堅(jiān)持充分發(fā)揮創(chuàng)新原則，以簡潔但功能完美為出發(fā)點(diǎn)，并以穩(wěn)定性為首要前提，實(shí)現(xiàn)智能車快速運(yùn)行。系統(tǒng)開發(fā)工具及在線調(diào)試工具可以自選（可選擇使用 CodeWarrior 作為開發(fā)軟件，選擇清華大學(xué)制作的 BDM 調(diào)試工具進(jìn)行在線調(diào)試）。這就要求我們?cè)谟邢薏牧虾陀邢迺r(shí)間的條件下學(xué)習(xí)掌握 S12 單 片機(jī)的整套開發(fā)系統(tǒng)的使用方法，并能根據(jù)自身所學(xué)的有關(guān)力學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)模電和檢測(cè)技術(shù)等知識(shí)自主設(shè)計(jì)開發(fā)一套完整的自助循線行駛系統(tǒng)。對(duì)我們這樣在大學(xué)四年里很少有機(jī)會(huì)參加科技實(shí)踐的學(xué)生來說是一次很好的 鍛煉 機(jī)會(huì)。深受高校及大學(xué)生的歡迎，并得到了企業(yè)界的極大關(guān)注。他們?cè)趥鞲衅鞯臄?shù)量、排布方面，通常是將地面信息用數(shù)字量或是模擬量來完成數(shù)據(jù)采集，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有些想法是比較新穎的，這些問題都值得我們借第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 鑒和進(jìn)一步研究。其他方面如車模的改裝、動(dòng)力驅(qū)動(dòng) 、轉(zhuǎn)向控制，以及控制算法方面等，韓國選手的方案也都有各自的創(chuàng)新 和值得我們學(xué)習(xí)和進(jìn)一步研究 的地方。 在國內(nèi)， 2020 年 教育部成功將這項(xiàng)賽事引入中國。全國有五十多所學(xué)校共派出一百多支隊(duì)伍參賽。賽事的成功舉辦，引起了全國各高校和眾多學(xué)生的興趣。 每年 比賽將在七月中旬開始 預(yù)賽 ，八月將進(jìn)行決賽。 第六 屆競賽規(guī)則 參賽選手須使用大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的競賽車模，采用飛思卡爾 16 位微控制器MC9S12DG128 作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、控制算法及執(zhí)行、動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點(diǎn)參加場地比賽。組委會(huì)制定如下競賽規(guī)則，在實(shí)際可操作性基礎(chǔ)上力求公正與公平參與。 比賽過程中， 如果賽車碰到賽道兩邊的立柱并使之傾倒或移動(dòng)，裁判員將判為賽車沖出跑道。整個(gè)恢復(fù)比賽過程中計(jì)時(shí)不間斷。 比賽過程中如果出現(xiàn)有如下一種情況，判為比賽失?。? 1) 裁判點(diǎn)名后， 2 分鐘之內(nèi)，參賽隊(duì)沒有能夠進(jìn)入比賽場地并做好比賽準(zhǔn)備； 2) 比賽開始后，賽車在 30 秒之內(nèi)沒有離開出發(fā)區(qū)； 3) 賽車在離開出發(fā)區(qū)之后 10 分鐘之內(nèi)沒有跑完兩圈； 4) 賽車沖出跑道的次數(shù)超 過兩次； 5) 比賽開始后未經(jīng)裁判允許，選手接觸賽車； 6) 決賽前，賽車沒有通過技術(shù)檢驗(yàn)。 比賽中禁止： 1) 不允許在賽道周圍安裝輔助照明設(shè)備及其它輔助傳感器等； 2) 選手進(jìn)入賽場后，不允許進(jìn)行任何硬件和軟件的修改； 3) 比賽場地內(nèi)，除了裁判與 1 名隊(duì)員之外，不允許任何其他人員進(jìn)入場地； 4) 不允許其它影響賽車運(yùn)動(dòng)的行為。 電路器件及控制驅(qū)動(dòng)電路限制 1) 核心控制模塊可以采用組委會(huì)提供的 HCS12 模塊，也可以采用 MC9SDG128 自制控制電路板 ,除了 DG128MCU 之外不得使用輔助處理器以及其它可編程器件； 2) 伺服電機(jī)數(shù)量不超過 3 個(gè)； 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 3) 傳感器數(shù)量不超過 16 個(gè)（紅外傳感器的每對(duì)發(fā)射與接受單元計(jì)為 1 個(gè)傳感器， CCD傳感器記 為 1 個(gè)傳感器）； 4) 直流電源使用大賽提供的電池； 5) 禁止使用 DCDC 升壓電路為驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及舵機(jī)提供動(dòng)力； 6) 全部電容容量和不得超過 20