杭州电子科技大学钱江1号队光电组技术报告

1、关于技术报告和研究使用的说明本人完全了解第五届“飞思”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究的规定，即：参赛著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会集中。参赛队员签名：居正李带队教师签名：日期：2010-08-16- 2 -摘要科技大学钱江 1 号队队员们在准备第五届飞思本文了杭州智能车大赛中的工作成果。智能车的硬件平台采用带 MC9S12XS128 处理器的S12X 环境，平台为 CodeWarrior IDE 开发环境，车模采用大赛组委会统一提供的 1：16 的

2、车模。文中少了智能小车系统的软硬件结构及设计开发过程。整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、算法和策略优化等多个方面。车模以 MC9S12XS128 单片机为，以安装在随动舵机之上的激光管作为循迹传感器，采用红外传感器检测起跑线，以光电编码器检测速度信息。车模系统的简单工作原理是 MC9S12XS128 单片机收集激光管传感器和红外传感器返回来的赛道，通过其有效性，以激光管传感器返回的赛道，结合算法随动舵机及前轮舵机打角，单片机再综合赛道以当前速度，利用 PID 算法速度变化。经实际场地测试，本车模系统可以很适应各种不同的赛道类型。在我们的 35 米练习赛道上，我们的车模单圈

3、最短时间为 11.1s，速度达到达到 3.15m/s！：智能车，MC9S12XS128 单片机，激光传感器，编码器，舵机摆头，PID 算法I目录第一章引言. - 1 -1.1 概述 . - 1 -1.2第二章2.12.22.32.42.52.62.72.82.9系统整体构想. - 1 -系统硬件电路设计 . - 3 -硬件电路整体架构设计 . - 3 -单片机最小系统板电路设计 . - 3 -激光发射与接收电路设计 . - 4 -信号放大电路设计. - 4 -红外对管电路设计 . - 5 -电机驱动电路设计 . - 5 -舵机驱动电路设计 . - 7 -液晶显示电路设计 . - 7 -系统电源

4、电路设计 . - 8 -2.10 系统主板电路设计. - 9 -2.11 硬件电路部分总结 . - 9 -第三章 传感器布局架构与机械结构调整 . - 11 -3.13.2机械部分总体概述. - 11 -传感器布局与安装 . - 11 -3.2.1 红外对管布局与安装 . - 11 -3.2.2 激光管布局与安装 . - 12 -电路板及其他硬件部分的固定 . - 13 -3.33.3.13.3.23.3.33.3.4前轮舵机的安装. - 13 -光电编码器的安装 . - 14 -液晶显示电路板的安装 . - 15 -系统主板的布局与安装 . - 15 -3.4机械部分调整. - 16 -3.

5、4.1 前轮调整 . - 16 -3.4.2 差速机构调整 . - 19 -模型车外形 . - 21 -系统设计 . - 22 -的总体思路 . - 22 -3.5第四章4.14.2 主程序设计. - 22 -4.2.1 主程序结构 . - 23 -4.2.2 程序的运行 . - 23 -4.3 循迹子程序设计 . - 23 -II4.4舵机摆头与打角子程序设计. - 24 -4.4.14.4.2速度4.5.14.5.2随动舵机程序设计. - 24 -前轮舵机 PD 打角程序设计. - 25 -4.5子程序设计. - 26 -速度的给定 . - 26 -速度 PID. - 26 -4.6部分总

6、结. - 26 -第五章 开发工具、制作、安装、调试过程说明. - 29 -5.1 Codewarrior IDE 的安装与使用 . - 29 -5.1.1 工程的创建 . - 29 -5.1.2 程序源代码的编辑、编译与链接 . - 31 -5.1.3 BDM 调试. - 31 -5.2 现场调试 . - 33 -5.3 调试中遇到的问题及解决过程 . - 34 -5.3.1 高速舵机问题 . - 34 -5.3.2 光点宽度问题 . - 34 -第六章 车模技术参数说明 . - 35 -6.16.26.36.46.5车模主要技术参数. - 35 -机械部分其它参数 . - 35 -电路中的

7、种类及数量 . - 35 -其它技术参数 . - 36 -设计过程中用到的主要工具 . - 36 -第七章 总结. - 37 -致谢. - 39 -参考文献. - 40 -附录 B 车模系统 C 语言源程序.III第一章引言1.1 概述全国大学生飞思智能汽车竞赛时由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的，以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，是以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技竞赛。该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，已举办四届。第五届飞思准备第五届飞思智能车大赛全国总决赛在我们杭州科技大学举行。为智能车大赛，我们从 10 年 1 月开始集训，历时 7。在上

8、一届比赛经验的基础上，硬件、机械与方面都有很大的改造与提高。在继承了上届学长们所开发出的激光管传感器技术之后，我们花了大量的时间寻找更的激光发射管与接收管，目的是尽可能的提高激光传感器的前瞻与性。我们花了很多精力尝试不同的循迹方案，如摆头，舵机随动摆头以及两者的结合，目的是找出最优的传感器布局架构。最后基于今年的车模机械的复杂性以及保证前瞻的考虑决定沿用舵机随动摆头这种较普遍的激光循迹方案。硬件电路同样测试对比过不同的方案才最终确定下来。在后来的调试中不断在机械上有调整和改进，为小车的提速打下了基础。为使小车能适应各种不同路况的赛道，我们也花了大量的时间，精力与金钱设计赛道并切割制作出来。本报

9、告将以我们测试过的最优的传感器布局架构方案为主体，从硬件电路选型与设计，传感器的布局架构，机械部分调整，单片机的主要理论、策略及实现等方面阐述智能车的设计工作。1.2 系统整体构想模型车以激光作为道路传感器，单片机架在舵机上的激光在赛道上打出一排整齐的光点，以约 1ms 为一周期处理路况，并传感器舵机摆头，以使一排光点之中心恰好在赛道黑线上，从而时刻跟紧黑线，不出现丢- 1 -线的情况。单片机综合考虑上方传感器摆头舵机值与光点检测到的黑线位置，决定下方前轮的舵机打角。单片机综合考虑前轮舵机的黑线位置，以及当前编码器反馈回来的值等因素，作出速度值，光点检测到的具体策略。最终通过电机的。同时，通过

10、红外管辅助检测赛道，如坡道，起跑线等，并作出相应处理。在单片机的编写上，说的简单一点，就是让单片机的相关引脚在特定的时候输出高电平或低电平。但这个难度在于什么时刻出现高电平或低电平，以及保持多长时间。系统采用 PID 算法。对前轮舵机值取了分段的 P 项和D 项，而对于前轮舵机及速度，我们采用 PID 算法进行。- 2 -第二章 系统硬件电路设计这一章将说明我们车模的每一部分硬件电路的原理及设计的实现。2.1硬件电路整体架构设计图 2-1系统电路总体构架图系统整体结构如图 2-1 所示，电路分成几个模块单片机最小系统，电源电路，传感器电路，电路，电机驱动电路，调试用的液晶显示电路以及把它们连接

11、在一起的系统主板电路。2.2 单片机最小系统板电路设计为尽量减小模型车总重量，我们设计了单片机最小系统板，最小系统板中单片机时钟与复位电路，串口及 MAX232 电路，并将所有 I/O 口引出。图 2-2 为单片机最小系统板 PCB 图，最终的 PCB 图的为 54.4mm×47.0mm。- 3 -图 2-2 单片机最小系统板 PCB 图2.3 激光发射与接收电路设计对于激光发射管，我们采用分时发射模式，即每一时刻只有一个激光管在工作，激光管工作在脉冲大电流的方式下。这样既可以最大限度地减少激光管之间的干扰，又可以降低模型车的功耗。接收管在合适的角度上可以同时接收到两个甚至三个发射管

12、打出去的激光所返回来的信号。对于这部分电路设计，我们只放了激光发射管与接收管。PCB 布线上，我们将发射管与接收管的连线分放两层，以减小干扰，电路板 PCB 如图 2-3 所示。KKKAKAKA2222222222222233333333333333333333图 2-3 激光发射与接收电路 PCB 图激光管还有其它部分电路如驱动电路，信号后级处理电路。对于像激光管这样的多路驱动，我们采用驱动ULN2803。信号的后级处理，我们是将接收管收到的信号通过运算放大器放大。这部分电路都集成在其它电路部分。- 4 -22393430 29 302928 272222524 23 24232229878

13、753229726562322620359KK2.4 信号放大电路设计对于所选接收管，可以说是像一个“带宽滤波器”，对特定波长范围的光波很敏感，而对于其它波长的光波则反应很小。接收管接收激光通过赛道返回回来的信号，当激光管光点照在赛道黑线与白板上时，接收管接收到的返回回来的信号强弱有明显的差别，白板可以有 200 mV 左右，而黑线只有 10mV 左右，但这对于单片机的 AD 来说，还是不容易分辨出来，所以，我们在接收管之后增加了一个运算放大器。经过出来的信号在黑线与白板上的差距相当明显，光点在合适距离上，信号强度差距可达 4V 以上。图 2-4电路原理图2.5 红外对管电路设计这部分电路较简

14、单，采用 ST188 红外对管作为传感器。5V 电源为红外发射管供电，接收管不经过图如下：VCC直接接到单片机 AD 输入端口。电路原理图与 PCBR1270 1ADR210KGND图 2-5 红外对管电路原理图与 PCB 图- 5 -92.6 电机驱动电路设计对于电机驱动电路，我们用驱动电路作为电机的驱动。主要是看好它简单，并且驱动能不错。用可以让车模在高速入弯时顺利刹车减速入弯。两片英飞凌公司的 PN 型半桥BTS7960 联立就可以组成。BTS7960 封装及管脚分配如图 2-5 所示。这种方案较之其他常规的 MOS 管 H 桥有多方优势。只两片，硬件电路简单，并且减轻车模重量。我们就是

15、采用两个半桥联立成的作为电机驱动电路。实际应用中我们采用 4 片半桥，两两并联组成示。同样用，做出来的电路板只有：37.2mm×32.7mm，如图 2-6 所，方便；驱动电流可达 68A；内阻只有 79m。图 2-5 BTS7970 封装及管脚分配图 2-6 驱动模块电路原理图及 PCB 图- 6 -2.7 舵机驱动电路设计舵机工作在 6V，由于我们的路径识别方案上，传感器是架在舵机上的，也就是车上有两个舵机，不同的是传感器下面的舵机是属于高速舵机，但同样工作在 6V。舵机驱动电路就是为舵机供电以及给舵机转角信号。舵机工作电流在 1A 左右，我们就设想用一片开关电源同时为两个舵机供电

16、。选用LM2576-ADJ 3A 开关型降压稳压器，2576 最大可提供 3A 驱动电流，同时驱动两个舵机还有近 1A 的裕量，理论上是可行的，我们也通过实验验证这个设想是可行的。舵机的使舵机只要波，模拟舵机以 20ms 为周期，不同的占空比会在不同的角度上，具体如图 2-7 所示。图 2-7 不同的对应的舵机打角系统中用到两个舵机，分别用作传感器摆头及前轮打角。采用 MS9S12XS128的说明。16 位，45 和67，作为信号源。电源部分将在下面2.8 按键与液晶电路设计P0P1P2P3L GHTYE ING12A20 A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11

17、 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 P0P4576543P591112P64 5 6 7 81516P73 4 7图 2-8按键与液晶模块原理图与 PCB 图- 7 -8787654321212为使上参数调节的方便，我们特意制作的这个液晶加键盘模块。调试中，这个模块给我们对参数的确定带来了极大的方便，不用为改一个参数而重新为单片机烧一下程序。模块采用 4×4 矩阵键盘 + Nokia5110（84*48）液晶。电路板为：78.5mm×45.0mm，原理图与 PCB 图如图 2-8 所示。2.9 系统电源电路

18、设计系统要工作，首先电源要，系统中有多路电源，7.2V，6V，5V，3.3V 等。7.2V 电池电压直接接到电机启动模块，6V 为两个舵机供电，5V 为单片机，激光管驱动电路，信号放大电路以及速度传感器供电，3.3V 电源共有两路，是通过 5V 电源稳压得到的 3.3V，为液晶供电，另是直接由电池稳压到 3.3V 为激光发射管供电。整个电源部分电路如图 2-9 所示。图 2-9 电源管理部分整体框图这种供电模式也是我们多次经过试验得到的。对于激光管发射管，提供的电压高一点，就大一点，这样光点就可以打的远一点，前瞻距离就更远，但是，电压高，激光管就容易烧坏，对于这个电压的确定，我们也牺牲了一些激

19、光管，最终确定 3.3V 左右可以，由一片 1117ADJ 稳压得到。 整个电源模块都集成在接口电路板上， 总共用了电源， 分别是 LM2940 ×- 8 -1,LM2576-ADJ×1,LM1117-3.3×1，LM1117ADJ×1。LM2576 及 LM1117ADJ 的应用电路如图 2-10 所示。U2 LM1117ADJR1Res3 1K1IN 3INPUTGNDGNDC4Cap Pol3 10uFR2RPot 1KLM1117ADJOUTC6Cap Pol3 10uFGNDC7CapD20.01ufLED2GND GNDR4Res3 1KGN

20、D图 2-10LM1117-ADJ 及LM2576-ADJ 应用电路原理图2.10 系统主板电路设计由于硬件是分模块设计的，最终要接在一起才能相互通信。主板电路主要有电源接口、单片机最小系统板插座、信号放大电路板插座、接红外管的 AD 端口、舵机及电机驱动接口，光点编码器接口等。同时，接口电路中号集成电源电路及激光管驱动电路。接口电路板的 PCB 设计是要充分考虑与车模机械的配合，我们设计的 PCB图如图 2-11 所示。图 2-11接口电路板 PCB 图2.11 硬件电路部分总结对于硬件电路部分，一定要做的足够，这对于整个系统的性占着的位置。而整个电路中，电源电路更加重要，特别是为单片机供电

21、，- 9 -OUT 2一定要。不让，当电机启动的瞬间，或者舵机打角的时候，电机和舵机拉去很大的电流，这样会使电池电压瞬时拉到一个低电压状态，很可能会造成单片机供电不稳，而使单片机复位。对于提高电源，但是电容的最大电容量有限制。性，并上几个电容当然是在整个主板上，既有数字部分，又有模拟部分，所以，系统的性与主板的电路布局布线也有很大。为提高整板的性，我们是设计电路，绘制 PCB 版图，然后到工厂投板。在整个电路板的制作过程中，我们是先从总体上考虑电路布局，电路实现的功能，电路总体性能，然后再分模块绘图制作，最后通过排针排母，排线或者线连接在一起，整体构架。- 10 -第三章 传感器布局架构与机械

22、结构调整3.1 机械部分总体概述机械部分调校的好，对的编写有很大的促进。有时上为达到某个目的，不得不编写大量的代码，而同样的问题，可能在硬件后机械上的稍加修改就能完美的解决问题。优秀的机械是小车进一步提速的基础。当硬件电路下来后，机械部分的调校对的编写有很大的促进。第五届飞思智能车的光电组和摄像头复杂很多。在实际的多很多，并且有些问题组采用了新的车模，这种 B跑车过程中，我们发现 B的机械结构比 A的机械问题比 A相当棘手。在架车方面我们的技术还是有的，但在车模的机械方面我们的经验在开始时略显不足。为了让我们的小车跑得更快更稳，我们在分工上做了安排，即让一些队友专门研究机械问题。在刚起步时，队

23、友们吃了很多苦，因为一些问题如舵机打角不够快、不够大和打角虚位大的问题解决起来需要很大的耐心与技巧。我们虚心向有经验的车模玩家请教一些机械问题上的解决办法，从中学到了很多机械的妙法，然后动手，亲自实践摸索。可以说，我们在机械上花了大量的时间，精力和金钱。我们对小车机械的一切调校都是为使小车重量轻，重心低，结构牢固，舵机打角犀利，各种齿轮咬合恰到好处，重量在四个车轮上的分配基本均匀，车轮抓地力好，小车开动起来时顺滑流畅。下面，从传感器和车模两个部分叙述机械结构调整过程。3.2 传感器布局与安装传感器的布局与安装决定于系统方案，反过来又会影响系统的性与可靠性以及的编写。3.2.1 红外对管布局与安

24、装因为红外管只是作为辅助传感器，主要负责检测起跑线以及在坡道中辅助循- 11 -迹，就没必要放很多红外管，我们只用了 7 个红外管，中间一个红外管离两边距离为 3cm，其它的两两间距为 2.5cm。电路板总长为 17.3cm。多余的 PCB 板镂空以减轻重量。安装时也没必要提高前瞻，身之前，离地面大概 2cm。如图 3-2 所示。红外管的电路板固定图 3-2 红外管安装图3.2.2 激光管布局与安装我们在校赛前花费了大量精力来试验多种传感器布局架构方案并进行比较。如传感器架直接架在车模上的摆头和把传感器架在舵机上随动摆头。最终决定采用传感器架在舵机上的随动摆头这种循迹方案。因为它能根据黑线位置

25、来调整的角度以保证时刻看到黑线，从而不丢线，并且它可以把光点聚的很窄，电路板也就可以做窄，简化了硬件电路。综合考虑，我们的车模最终选择如图 3-3 所示的电路板作为我们的激光传感器布局方案。图 3-3我们所采用的激光管布局电路板实物图下面是我们的传感器布局的更进一步说明：单排传感器（激光接收管）对应单排激光发射管，共 7 个接收管 14 个发射管。发射管均匀分布，两两之间距离为 1.3cm，接收管也是均有分布，间距为两- 12 -个发射管间距。板子总长度 18cm，下面留下 1.2cm 长用作固定。对应方式为 1个接收管对两个发射管对于激光管的安装，我们需要将激光电路板固定连接在随动舵机上，的

26、竖直与激光电路板的水平且左右对称。连接激光电路板与舵机，机械结构纯手工制作。选用质地轻，韧性小的材质，用钢锯，锉刀，钻床共同打造出来的。激光电路版的俯角可以任意调节。同时激光管上有聚焦透镜可以旋转拉远或拉近。对于舵机的固定，我们用固定在车模底盘上的四根同长的铜柱，加上相应的辅助机械结构，牢牢的固定住舵机。安装好之后的激光管如图 3-4 所示。图 3-4激光管及摆头舵机安装详图在安装过程中，舵机的高度，激光管的高度，激光管的俯角，整体的重量、重心及其在车模上的位置等都是需要仔细考虑的因素。3.3 电路板及其他硬件部分的固定3.3.1 前轮舵机的安装原装车模的舵机是躺着固定在车模底盘上的，它的传动

27、级数多，加之舵机本身的速度就不快，不够大，所以就造成了小车行进时打角不快不大的弊端和容易烧舵机的缺点。为了改变这种境况，我们尝试了很多：如加长舵机的力臂，将传动由原来的狗骨头换成虚位更小的，但是效果始终不- 13 -是很明显。华东赛后，我们改变了舵机的安装位置，即按照 A 车模的安装舵机的经验，把它安装在车头上，这样既可以加长舵机的力臂，又可以减少传动级数，大大简化了车头的机械。最后，我们的舵机就这样被立放在车头上面，如图 3-5，我们用一片铝片把舵机牢牢固定在车头的差速箱上，并且在车身底盘上做加固装置，以消除舵机在打角时带来的车头晃动。图 3-5前轮舵机的安装及底盘的加固3.3.2 光电编码

28、器的安装为使整个们用了一个形成闭环，当前速度反馈是必须的。为了测出当前速度，我科技的编码器。该编码器为 200P/R，供电电压可从 5V 到 12V，共引出 3 跟线，应用时，棕色、蓝色分别是电源正极、负极，而黑色接到单片机的输入捕捉的管脚PT7。 首先用热熔胶初步固定住编码器，使编码器和电机的齿轮咬合得恰到好处，然后再在上面加固一片铝皮。安装编码器如图 3-6 所示。- 14 -图 3-6编码器的安装3.3.3 液晶显示电路板的安装图 3-8按键与液晶模块的安装考虑到这部分要能够方便插拔，从主板引出去的排线引到固定在车模后面，而在按键与液晶电路板上焊接上排针，电路板一接上，按键与液晶便处在工

29、作状态。按键与液晶模块安装好后如图 3-8。3.3.4 系统主板的布局与安装我们在绘制主板 PCB 板的时候，就充分考虑空间问题，以及安装的方便性。- 15 -系统主板应该是要紧贴车模底板以降低重心，但是今年的 B是四驱的，底盘中间装有一个差速箱，电机也装在底盘左前方位置，所以我们不得不把主板上抬。我们硬件是分模块做信，其中单片机最小系统板和，而每块都要连到接口电路板上以便相互通的子板是直接通过排针排母插放在接口电路板上，按键与显示模块，以及激光管模块通过轻质的排线连接过去，红外管直接用九线的线与接口电路板连接，对于驱动部分，我们用了较粗的电源线连接。主板上放了不少指示灯，指示各部分是否工作正

30、常以及各部分硬件连接是否有问题。图 3-7主板的左右两部分3.4 机械部分调整对车模机械部分主要做了以下调整：1）前轮倾角调整；2）前、中、后差速机构的调整。对前轮的调整，目的只是想让车模在行进中总是只有滚动而没有横向的滑动。这样可减小摩擦提高灵活性，对差速机构的调整是为了调高车模过弯性能。3.4.1 前轮倾角调整为了保证车模转向轻便，行驶要求。也就是通常说的前轮定位。轮外倾和前轮前束。1) 主销后倾，车模的前轮安装要有一定的角度位置转向节主销后倾、转向节主销内倾、前主销后倾可以增加小车直线行驶的性，也就是前轮在偏转以后有自动- 16 -恢复中立位置的趋势。这点可在日常生活中观察到，我们房间的

31、门如果门销后倾，开门后没有外力会自动回复。2) 主销内倾主销内倾后缩短了主销轴线与地面交点到车轮着地点间的距离，这样就减小了使车轮偏转时所受到的摩擦反力矩。也就是转向省力。3) 前轮外倾前轮外倾和主销内倾合作可进一步缩短车轮着地点与主销轴线和地面交点间的距离，更减小以前轮转向时需克服的摩擦力矩。4) 前轮前束汽车的两个前轮在中立位置时，后端的距离与前端的距离之差叫做前轮前束。由于前轮外倾，使车轮产生滚动的倾向，车轮滚动的同时将与地面产生横向滑动，这将引起轮胎的磨损，并增加行驶阻力，有了前前轮的前方略向内靠拢，这样就抵消了车轮由于外倾而产生的车轮趋势。，左右滚动的图 3-9前轮结构调整位置前轮定

32、位角度有一定的偏差，但数值要在一定的范围内。否则起不到应有的效果，并会带来一系列的弊病。调节如图 3-9 所示两处，调节的最适当位置会因。前轮调整还有一个虚位和旋转顺滑度的问题，并且两者是相关联的。B 型车模的前轮结构较复杂，解剖图如图 3-10。7 号转杯的里外各有一个 1 号和 2 号轴套，当把 6 号转轴放进去时旋转顺滑又有太大空隙，那说明是刚刚，如果 6 号转轴旋过紧就会影响和转弯，如果过松，有虚位会影响转弯，- 17 -这时就必需更换 1 号 2 号轴套，直到找到一组适合的为止。3 号和 4 号螺丝是将7 号转杯固定在 8 号杯套上的，这两个螺丝的松紧也是有讲究的，过紧螺丝会顶到 6

33、 号转轴，会卡住；过松转杯会固定不住，虚位会很大，所以必需刚好。还有就是不能把 7 号转杯的两个螺丝孔给转大了，如果转大了，那这个转杯就报废了，因为它会产生很大的虚位，因此在安装的时候必需正对螺丝孔。5 号六角卡环是固定轮胎用的，这个损坏，也给带来虚位。图 3-10前轮结构解剖图整体组装起来如图 3-11。对本届车模来说车头是车的一个部位，这边的机械调整好了，整辆车的机械就相当于完成了一半。所以我们在这上面花费了大量的时间、人力和物力，最后也算是能自如地把握。图 3-11前轮结构图- 18 -3.4.2 差速机构调整差速的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车

34、轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。前中后差速机构如图 3-12 所示。车模在过弯时车轮的轨线是圆弧，如果向左转弯，在相同的时间里，右侧走的弧线比左侧长，为了平衡这个差异，就要左边差异。慢一点，右边快一点，用不同的转速来弥补距离的图 3-12 前中后差速机构下面我们对差速机构解剖分析，前后差速机构其实是一样的，如图 3-13。车子在的调试的过程中难免有冲出赛道的情况，如果没及时拿起，会很容易导致差速里面的齿轮滑齿，滑齿后差速机构在车子或转弯的时候就会发出声响，差速的原本效果。还有就是左右的两个转杯，当传动过短的时候，这两个转杯会很容易被转大，必需及时更换。前后差速在使用前

35、最好加润滑油，可减少齿轮的硬性磨损。图 3-13 前后差速机构内部图- 19 -中差速结构图 如 3-14，电机的动力输出是在中差速的 1 号齿轮上，1 号齿轮带动 2 号齿轮，再由 2 号齿轮带动差速箱里的齿轮来传输动力，1 号和 2 号齿轮的咬合松紧必需适当，这可由 3 号的弹簧和螺母，即通过调整螺母来调节弹簧的松紧。如果过紧，车子在加的时候没有一个相对的缓冲作用，电机会很热，容易烧坏，也会损坏差速机构；如果过松，电机在加的时候 1号齿轮无力带动 2 号齿轮以进行动力传输。还有一个就是在中差速齿轮上加润滑油，我们发现这样很容易导致 1 号 2 号齿轮间打滑，那这个中差速基本就报废了，因为两

36、个齿轮间进了润滑油后，调整 3 号螺母以松紧弹簧是起不到效果的，所以，这个要和前后差速区，并不是所有差速都是加润滑油才好。图 3-14 中差速机构内部图从整体看，我们希望是车模在的时候，前后轮没有差速，而在车子转弯时有很大的差速。这样，即快又过弯灵活。但是，实际的差速机构不可能达到这种效果。我们检查差速是否完好就是为了使在转弯较灵活的情况下尽量不影响性能。- 20 -3.5车模外形图 3-15车模外形车模结构总体均衡，构架轻巧，结构牢固。每一小块机械结构都是经过自己亲手打造。为这次比赛，我们不知换过多少方案，架构过多少次车模，机械结构是改过又改过，车模在我们手上是架了拆，拆了又架。经过这次大赛

37、的训练，我们对车模结构可算是了如指掌，为下一届比赛积累不少宝贵经验。- 21 -第四章系统设计4.1的总体思路的，就是让车模在符合大赛规则前提下，以最快的速度跑完整个赛道。不论上哪种方案，的总体框架总是相似的，即，路径识别->舵机打角->速度。以我们的方案，上就是以激光做路径识别，并根据路径让上面的随动舵机摆头，下面的舵机打角，再作出速度会遇到很多很多事先想不到的问题。想法很简单，但是，实现起来4.2 主程序设计初始化设定参数激光传感器数据N是否完成？Y速度标准 是否置位？特殊状况YN综合位置运算速度PID打角舵机调整红外传感器数据是否完成？期望速度调整YN摆头舵机调整红外处理程序

38、图-主程序结构示意图- 22 -4.2.1 主程序结构主程序是一个大循环体，循环中对车模各部分硬件进行流程图如图 4-1 所示。，系统主程序4.2.2 程序的运行开机后，对所有硬件进行初始化，完成之后，PIT 定时中断，对激光管扫描发射，并对接收信号进行采样保存。在扫描完 14 个点以后，开始处理采样数据，并计算出当前黑线与车身的相对位置。单片机根据当前位置决定上舵机打什么样的角度以保证紧跟黑线。单片机再根据上舵机值与光点所得到的综合位置和前一时刻上舵机值与光电所得到的综合位置给出下舵机的值。单片机根据上方舵机的打角和光电的综合位置，经过复杂运算与处理得到速度期望值，并结合当前速度值对电机转，

39、反向刹车制动。，是还是，还是使电机倒前轮舵机的打角，以 PD我们在编写上，以比例加偏差的算法对车模速度上形成闭环。4.3 循迹子程序设计路径识别对传感器的以及接受信号的处理。对传感器的就是对激光发射管的扫描发射，对接受信号的处理激光接收管的信号采样，对采样结果的分析与。我们利用 PIT 定时中断，中断处理中主要是对当前通道进行 AD 采样并保存采样结果，然后选定下一个通道。选通方式是间隔选通以避免相互干扰。当14 个激光管全部扫描完成之后，扫描完成标志位便会置位。扫描完成标志位置以后便会有激光数据处理与位置函数的运行。函数根据检测到黑线点数不同的情况作出不同的处理，并以上次的位置作为参考本次数

40、据是否有效。具体来说，每个光点对应一个位置。将采样回来的 14 个数据分别与阈值比较，小于阈值，便认为是黑线，记下检测到黑线的光点个数。我们对每个光点所对应的位置也编号为 114。当没检测到黑线时就保持上一次的位置。当只有- 23 -一个光点看到黑线时，将这个位置与前一次的比较，如果前后两次，位置相差 3个，就认为这次的位置是个突变不可信，继续保持上一次的位置。但是当该突变连续发生多次的时候，我们就承认这个突变的位置是正确的。当有两个光点看到黑线时，我们就在限定范围内就以这个点作为当前位置。当出现 3其直接忽略掉。因为赛道上这两个点，哪个与上一次的比较接近，个或 4 个光点看到黑线的情况时，我

41、们对有这种情况。对上文提到的阈值，由于我们的激光管反射回来的信号经过后输入到单片机 AD 口。我们使用的特性是在信号小于 5mV,对信号不放大，而对大于 5mV 的信号放大几百倍。同时，放大的是差模信号，激光管对光线的适应能力很强。所以，对我们来说，阈值的设定可以相当简单，只要开机后为每个激光管设定一次阈值后，以后的道路基本都能适应。由于本次大赛，赛道首次采用蓝色底案，对于红外来说，蓝色就相当于黑线，但对于我们所选用的激光管来说，蓝色底案与赛道白板基本没区别，打在蓝色底案上返回回来的信号同样很强而被认为是白板。4.4 舵机摆头与打角子程序设计4.4.1 随动舵机程序设计在车模整个行驶过程中，舵机都在不停的摆头，使得一排激光的中心照在黑线上。舵机的转动是以步进的形式累加上去的，只要确定每个点照到黑线上时对应的步进值。当然，最靠近中点的光点的步进值就越小，而据中心最远的光点的步进