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　　作者：河北联合大学轻工学院 李帅 彭超星 王波

　　指导教师：许金钢 吴宝江

　　作品简介

　　摘要

　　本文以第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景，着重研究了智能小车控制系统的软、硬件结构及设计开发过程。智能车核心控制器采用飞思卡尔公司的MC9S12XS128MAA高性能16位单片机，单片机开发平台为CodeWarrior IDE 5.0 for XS128，车模采用大赛组委会统一规定的由北京科宇通博科技有限公司生产的B型车模。

　　本文介绍了智能小车控制系统的软件和硬件设计及全部开发过程。整个系统包含了对车模机械的改造和设计、硬件电路的设计和试验、程序算法的制定和优化等方面。车模传感器部分由上、下两排激光传感器构成，上排激光传感器为八字双摇头作为主循迹传感器，下排激光传感器为弧形用于辅助上坡和识别起跑线。智能车以MC9S12XS128MAA 作为核心控制器实现对上、下排传感器的切换控制。整个系统利用上、下排激光管反射回来的激光强弱判断是白色跑道区域还是黑线，然后将其所采集的信号转换为高低电平传送给主控芯片，测速方面采用一个500线增量式光电编码器来实时反馈脉冲，利用单片机的脉冲累加器采集实时速度。最后主控芯片MC9S12XS128综合激光采集的路面信息和编码器采集的速度信息，利用PID 算法实现上排摇头舵机的转角控制、转向舵机的转角控制及电机的调速控制。经实际场地测试，该系统可以很好的适应大、小“S”弯，发卡弯，“十”字交叉，大回环，坡道等不同类型的赛道。

　　第一章 绪论

　　1.1 引言

　　全国大学生智能汽车竞赛是教育部、财政部资助的大学生竞赛项目之一。竞赛由高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，清华大学承办，飞思卡尔半导体公司协办，已成功举办七届。比赛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意性比赛，旨在培养大学生对知识的把握和创新能力，以及从事科学研究的能力。

　　全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位、32位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作完成一个能够自主识别道路的模型车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。

　　在前几届比赛经验的基础上，本届比赛继续沿用激光传感器技术，但是由于大赛规则以及车模的更换，导致路径识别算法和车模型的参数发生了很大的变化，所以激光发射管和接收管的选择变得尤为重要。并对机械和电路进行了重新的调整和设计，使整个系统更加的可靠稳定。

　　1.2 模型车设计主要思路

　　模型车机械部分改装主要涉及随动舵机选择与安装，底盘降低技术，底盘加固技术等。

　　随动舵机的选择与安装：本车将采用单片机控制双摇头舵机摆头从而使每一排激光头的光点中心恰好处于赛道边缘的黑线上，实现时刻跟踪黑线，不会出现丢线的情况。底盘降低技术主要是将后轮固定轴承的塑料垫片反向安装，并将前轮的塑料垫片加厚以降低车身的重心。通过该技术，成功的将车底盘降低1cm。由于模型车的底盘较软，当模型车处于高速运行时，可能导致车模的轻微变形， 从而使车模在转弯时难以控制。因此，通过对车模底部加装一贯穿整个车模的覆铜板进行底盘加固，成功的解决了该问题。

　　模型车的电路部分设计包括单片机最小系统电路、电源电路、电机驱动路、传感器调制发射电路和接收电路等。

　　本模型车的控制整体思路为：采用两排八字双摇头激光传感器作为路面信息采集传感器，八字双摇头激光传感器具有大前瞻，用于识别黑线，保证时刻跟踪黑线。但当车子有稍微震动的时候，就会造成八字双摇头激光的不稳定，同时也不能很好的反映车子的当前姿态和路面状态，此时切换到下排激光传感器进行辅助识别判断，下排主要负责采集车子当前的姿态、起跑线的识别和上坡的辅助识别，扫描周期为2ms。八字双摇头激光发射部分采用调制发射，距离更远，更加节省功耗。首先，以激光中心传感器作为基准，通过黑线偏移中心激光光点的距离，以3ms为一周期进行采集信息、判断黑线的趋势。然后，根据此偏移量作为摇头舵机的输入，利用PID算法控制摇头舵机。最后，转向舵机根据PWM值，控制前轮的转向。同时以2.5ms为一周期利用光电增量式编码器测量车子的瞬时速度。主控芯片XS128 将综合激光光点的偏移距离、摇头舵机的PWM 值、转向舵机的转角和编码器的脉冲数等信息，利用PID 控制算法，完成对模型车的循迹控制。

全文请访问：光电组 河北联合大学轻工学院-光电1队技术报告.doc。