飞思卡尔智能车大赛华东理工大学1队技术报告

第一章引言1.1大赛情况介绍第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛沿袭了第一届的举办模式，由飞思卡尔半导体有限公司提供赞助，教育部自动化专业指导委员会主办、清华大学承办，总决赛将于2007年8月24-27日在上海交通大学举行。作为教育部主办的全国大学生五大竞赛之一，本届智能车大赛在规模和参赛队伍数量上比上届都有了大幅的提高。本次大赛基本规则为使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128［1］作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统架构设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车的工程制作及调试，于指定日期与地点参加比赛。同时要求车模改装完毕后，尺寸不能超过：250mm宽和400mm长，高度无限制，赛道要求宽度不小于600mm,跑道表面为白色，中轴有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm。本技术报告所介绍的就是本队（华东理工大学1队）为参赛而准备的智能赛车方案。文中，我们将系统地介绍本赛车系统的相关参数和性能，分别从软件设计、硬件结构、机械调整、控制策略等方面对赛车方案进行详细地阐述。赛车设计方案综述通过我们对第一届智能车大赛结果以及资料的分析，发现虽然采用光电传感器构成“线型检测阵列”的方案［2］简单易行，但是作为赛车道路检测传感器，其检测精度低、前瞻距离短、耗电量大的缺点很明显。通过分析比较，我们发现在赛车图像采集模块中，采用摄像头方案与光电传感器方案相比，检测前瞻距离大、范围宽、检测道路参数多，优势明显。因此此次设计中我们选择摄像头作为寻线传感器［3］，充分利用摄像头的优点，实现赛道的路径识别和车体运行控制。本文结构本技术报告正文部分共分为六个部分，其中第一章为引言，简单介绍比赛背景、本队采用设计方案综述以及本技术报告的结构。第二章将介绍我队对赛车机械结构的安装和调整，使其结构更适应在赛道上的行驶。第三章介绍赛车系统硬件的设计，包括对赛车硬件上电源管理模块、赛车转向模块、电机驱动模块、图像采样模块、车速检测模块、辅助调试模块的详细介绍以及这些模块和控制处理芯片MC9S12DG128构成系统结构关系。第四章介绍了赛车控制算法的设计，包括舵机控制策略和速度控制方法。第五章详细介绍了赛车系统开发和调试，包括调试工具、开发软件和各种调试方法以及调试赛车的赛道介绍等。最后第六章阐述了本队比赛的总结包括赛车的主要技术参数和设计方案的一些结论，同时概括了我们参加本次比赛的心得体会。第二章赛车机械结构安装和调整2.1赛车机械部分调整本次大赛采用的赛车车模采用了统一的G768仿真车模。赛车的转向和驱动模块分别采取了竞赛组委会提供的舵机和电机，在控制上采用的是前轮转向，后轮驱动方案。车模底盘的大致结构图如图2.1所示。通过测量得出车模底盘的参数为：长：275mm宽：162mm底盘41燹呦如底盘41燹呦如1住mm*电机去架图2.1车模底盘结构图2.1.1前轮定位我们知道，在赛车在行驶过程中，为了使其行驶稳定，转向后能自动回正，减少轮胎和转向零件的磨损等，需要在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的相对安装位置，在赛车系统中，前轮转向，因此我们要进行前轮定位。前轮定位的主要参数包括：主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前束。在车模中，四个参数都可以进行调整。主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1°左右。前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。2.1.2重心位置确定通过赛车结构调试实验，我们发现赛车重心位置对车模的行驶性能有很大的影响，重心位置的改变会影响汽车的动力性、制动性、操作稳定性等重要特性。根据赛车的整体性能，我们知道赛车控制上采用的是前轮转向、后轮驱动，而重心靠近后轴，对模型车动力性能有益，能保证驱动轮能够提供足够的附着力；同时，由于舵机响应速度慢，重心靠近前轴，对模型车的制动性和操纵稳定性有益。综合以上两点，结合比赛赛道弯道较多，直道距离较短的特点，我们在安装车模时，使赛车的重心位置稍微靠近前轴，提高赛车的过弯时的转向性能。2.1.3电机齿轮啮合度调整赛车后轮采用直流电机驱动，我们在进行赛车电机带动后轮空转的调试时，有时会听到刺耳响亮的非正常声音，经检查后发现电机主动轮和从动轮间的间隙过大，在传动中有撞齿的现象发生。这样大大增加了电机驱动后轮的负载，影响到了赛车的运行速度。因此我们在机械调整时，要针对电机齿轮的啮合度进行调整，调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行,齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又增加传动阻力；因此在调整时，根据经验，传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象。摄像头传感器的安装在图像采样模块中，摄像头的安装位置要选取恰当，如果摄像头安装位置过低，视域不够广阔，影响寻线的有效范围；摄像头安装位置过高，赛道在图像坐标上会变得过窄而无法被检测到，同时由于过于超前检测到赛道导致赛车提早过弯甚至冲出赛道。安装位置合适的标准是：在此位置的拍摄范围大小能满足控制的需要。根据本队方案中的控制算法要求，我们的摄像头安装方案具体如图2.2中的尺寸所示。

2.3车模整体布局根据前面介绍的机械结构调整问题，在考虑到赛车重心、摄像头安装、模块间布线和电池更换等，我们最终装车的布局如图2.3所示。■'■舵机4摄像头支架单片机4■'■舵机4摄像头支架单片机4PCB板4图2.3赛车底盘布局第三章赛车系统硬件设计根据我们对赛车整体的设计思路，我们采用摄像头作为传感器的方案，这样赛车在硬件上就包括七大模块：控制处理芯片MC9S12DG128，电源管理模块，赛车转向模块，电机驱动模块、图像采样模块、车速检测模块，辅助调试模块。这七大模块构成的硬件系统结构如图3.1所示。图3.1系统结构框图(f信号流向；电源流向)其中MC9S12DG128单片机是系统的核心部分，它负责接收赛道图像数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的实时处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制[4]。赛车全部硬件电路的电源由7.2V、2000mAh的可充电镍镉蓄电电池提供，但是由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流各不相同，因此电源管理模块的作用就是为其他各个模块提供所需要的电源。赛车转向模块和电机驱动模块分别用于实现赛车转向和驱动。图像采样模块由MC9S12DG128的AD转换模块，外围芯片(LM1881)和电路，与摄像头组成，用于获得赛道的信息，实现赛车的自主识别赛道。车速检测模块采用霍尔传感器配合稀土磁钢检测方案，通过检测磁信号变化，可以得到电脉冲信号，经过算法处理，获取后轮转动速度。辅助调试模块主要用于赛车系统的程序烧录，赛车状态监控，赛车系统参数调试，控制策略选择等方面。3.1电源管理模块在赛车硬件模块中，电源是系统正常工作的基础，赛车全部硬件电路的电源由7.2V、2000mAh的可充电镍镉蓄电电池提供，电源管理模块的作用就是为其他各个模块提供所需要的电源。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，所以在设计电路时添加多个稳压电路，将充电电池电压转化成各个模块所需要的电压。在我们的赛车硬件结构中，电源管理模块采用了星型结构组成的若干个相互独立的稳压电路，这样可以减少各个模块之间的相互干扰。图3.2为电源管理模块的电路结构。图3.2电源管理模块结构图通过上面电源管理模块的电路结构，可以发现，在各模块所需的电压中，除了电机驱动模块的电源可以直接取自电池外，其余各模块的工作电压则需要从电池电压通过变换稳压获取在这里我们采用集成稳压芯片实现。表3.1列出了我队赛车使用的电源稳压芯片：表3.1我队采用的电源稳压芯片序号卩芯片型号单m*r"n输出电压皿特点心LM2940^5P串联稳压，工作压差可于o.s.v^LM780^串联稳压点MQ34063API^2开关稳压，可禰戚升压、障压斩波电路q在设计稳压电路中，降压稳压电路我们采用了串联稳压芯片，此电路的电源噪声较低，比较适用于耗电量不大的电路。我队采用了CMOS摄像头作为道路传感器，工作的额定电压为8V,高于电池电压，我们采用了升压芯片MC34036API进行电路设计。另外，为消除电源中的噪声并减少电压波动，我们在各级电源模块中安装了低频和高频的滤波电容，同时我们在电池两端加大了电容容量以避免电机在启动和制动过程中产生的冲击电流对电源的影响电源管理模块的电路图如图3.3所示：

*rcisHT・CJl(b)7806供电模块aT<u硏(4)*rcisHT・CJl(b)7806供电模块aT<u硏(4)29-40供电模块,C.U■:fv5Q5KLg亦图3.3电源管理模块电路图3.2赛车转向模块为使赛车能够平稳的沿赛道行驶，我们需要对前轮转向舵机进行控制。在这里，转向机构我们采用了大赛统一的舵机进行驱动，该舵机由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成，可以通过内部的位置反馈，使其舵盘输出转角正比于给定的控制信号。舵机接口采用了三线连接的方式，黑线为电源地线、红线为电源线、白线为控制信号线。考虑到舵机是控制赛车前轮的转向，我们希望前轮的转动灵敏度尽量高，因此要求舵机的响应速度尽量快，舵机的响应速度与工作电压有关，电压越大速度越快，因此我们在舵机允许的工作电压范围内，尽量选择大的工作电压。我们从舵机参数可以看出在6.0V电源供电的情况下可以达到此要求。另外，由于舵机的工作电流变化大，对电路的干扰很大，因此我们要将舵机的供电电源与其他模块的电源分开。综上，赛车采用一路6.0V电源单独给舵机供电。表3.2舵机参数动作方向4■cw^pulse (1520-*-920[us]j；>ccw^pul死宽■(■1520-*-920[us]i'动作角度4 ■CWd60土i(y[度2ccw^60±10-[度2左右斗1MAXID度心我们知道，舵机输出转角与控制信号脉宽之间的关系如图2.4所示。转角代）中 脉宽一转角什矢顺时钟方向H图3.4舵机输出转角与控制信号脉宽之间的关系单片机S12脉宽调制模块有8路独立的可设置周期和占空比的PWM通道，每个通道配有专门的计数器。我们使用了S12的1路PWM产生控制舵机的脉冲。在舵机转向控制中，我们采取将2路PWM输出级联成一个16位PWM输出，这样可以有效地解决舵机转向角度细分的精度问题。在舵机控制的软件实现上，我们已知舵机的转角通过占空比来调整，舵机转角极限是正负60度，对应的脉宽的范围是：920us---1520us---2120us。我们选择的输出频率为200HZ，对应的周期是5000us的PWM信号，级联Channel0和Channel1,时钟源为clockA为32MHZ/8=4MHZ,这样可以提高精度，此时每个脉冲的宽度为1/4=0.25us。若输出波形频率为200HZ,则PWMPER01=20000,即：CLOCKA/PWMPER01=4000000/20000=200HZ舵机输出角度为0时对应的脉冲宽度为1520us,相当于PWMDTY01=1520/0.25=6080。输出角度为-60度时对应的脉冲宽度为920us，相当于PWMDTY01=920/0.25=3680。输出角度为+60度时，相当于PWMDTY01=2120/0.25=8480。即脉冲宽度可调范围为：3680---6080---8480调整PWM占空比时，也就是控制舵机转向时，只要通过设置寄存器PWMDTY01的值即可达到要求。3.3电机驱动模块在比赛过程中，赛车的速度是衡量比赛成绩最重要的方面，而赛车的最大运行速度是由驱动电机的性能来决定的。比赛中使用的模型车后轮驱动电机型号为RS-380电机，工作在7.2V电压下，空载电流为0.5A,转速为16200r/min。在工作电流为3.3A时，转速为14060r/min,工作效率最大［5］。在电机硬件设计中，我们采用了两块MC33886DH作为驱动芯片，来实现赛车电机的正转和反转。驱动模块的电路图如图2.5所示：V-V*DVTJV-V*DVTJEHJtL5?PvNL?TONDPONDPGNti图3.5驱动模块电路图在这里，芯片的封装如下图所示：图3.6MC33886芯片外部引脚的封装图由CPU发出PWM信号通过33886驱动芯片控制电机的电压.PWM7输出PWM波，经由IN1口输入。0UT1输出电机调速信号，MCU可以通过改变PWM7的占空比就能调节电机转速的快慢。在软件设计上，我们用D1口来控制电机的起停，通过输出口PTM_PTM5来控制°PTM_PTM5初始化，电机启动，电机停止。同时用IN1、IN2、0UT1、0UT2来进行调速控制，以PWM7作为控制信号的输入。3.4图像采样模块在比赛中如何使赛车正确地识别赛道的变化，使其自主地沿赛道运行，这就需要图像采样模块来对赛道进行检测［6］。通过对上届比赛中各队图像采样方案的比较，结合摄像头检测前瞻距离大、范围宽、监测道路参数多等优势，我队采用CMOS摄像头方案。在摄像头的选择上，由于赛道本身只包括黑白两种颜色，因此在设计中采用黑白摄像头，这样可减少单片机采样摄像头输出视频信号的负担。我们的方案中选择了一款型号为SS2000B的摄像头进

行参数测量，并基于所测量的摄像头的具体参数利用MC9S12DG128的AD模块对模拟视频信号进行离散化。图像采样模块的电路图如图3.7所示。图3.7图像采样模块电路图在摄像头采集的视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等，因此，若要对视频信号进行采集，就必须准确地把握各种信号间的逻辑关系，在这里我们采用了LM1881芯片来进行视频信号的同步分离。如图所示，我们可以从0.5~2V的标准负极性NTSC制,PAL制,SECAM制视频信号中提取复合同步、场同步、奇偶场识别等信号，这些信号都是图像数字采集所需要的同步信号，有了它们，便可确定采集点在哪一场，哪一行oLM1881能对非标准的视频信号进行同步分离，通过固定的时间延迟产生默认的输出作为场同步输出。图3.8LM1881引脚说明卜心。WWVinnnnrbuuuuuirrnnnhMh/i||卜心TnTmwwiuinrmnmrT住郦我鈔円疝已住郦我鈔円疝已图3.9LM1881信号时序图在摄像头对赛道进行采样时，要用到行同步信号和奇偶场同步信号。行同步信号（复合同步输出），如图3.9种的信号a,是对复合视频输入信号的箝位输出丄M1881芯片将视频信号同步顶箝位到直流1.5V,将比较器的阈值设在1.5V左右，这样便可使视频信号的图像波形部分被拉平，其他信号波形按原样复现，箝位线设在同步脉冲上，典型值为1.57mV左右。对于0.5V输入来说，箝位线大约为同步脉冲幅值的50%；而对于2V输入，箝位线大约为同步脉冲幅值的11%。奇偶场同步信号，如图3.9种的信号d,视频图像信号一帧画面分两场扫描，第1场先扫描奇数行1,3,5…称为奇场；第二场扫描画面中的偶数行2,4,6,...称为偶数场。奇偶场同步信号引脚输出的低电平表示偶场，输出高电平表示奇场。奇偶场同步信号的跳变发生在第一个场同步脉冲的上升沿。在道路检测过程中，摄像头参数测量的目的是获得某一特定摄像头的实际参数，根据所得参数设计具体的采样策略和控制策略。所需要测量的量包括：每场图像的行数（奇场或偶场），行同步脉冲的宽度，场同步脉冲的宽度，每行视频信号的宽度，场同步脉冲之后到行同步脉冲来之前的复合消隐脉冲的个数，每场最后一个视频信号之后到场同步脉冲之前复合消隐脉冲的个数，视频信号输出的电压范围。在实际采样过程中，摄像头是采用隔行扫描的方式，奇场时只扫描画面的奇数线，偶场时只扫描画面的偶数线。为了减轻单片机存储和数据处理的负担，我们实际只需对单一方向上的行图像数据进行分析就可以获得足够的赛道相关信息。我们将每场视频采样的图像数据存储到一个二维数组中，使用单片机对其进行处理，即可控制赛车自主的寻径运行。3.5车速检测模块为了使赛车在行使中能够平稳地沿着赛道运行，我们除了要控制前轮转向舵机之外，还需要

控制车速。通过速度的检测，我们可以对赛车进行闭环反馈控制，以优化赛车的运行。在车轮没有打滑的理想状况下，车速是正比于驱动电机的转速的。因此在检测车速时，一般是通过检测驱动电机转速来实现。由于受到车模机械结构的限制，必须采用体积小、重量轻的速度传感器。在这里，我们采取了霍尔传感器配合稀土磁钢检测的方案。霍尔效应的原理是：通电的载体在收到垂直于载体平面的外磁场作用时，载流子收到洛仑兹力的作用，有向两边聚集的倾向，并由于自由电子的聚集从而形成电势差。若给流过电流的导体施加一个与电流方向垂直的磁场，那么在与磁场和电流均垂直的方向将产生磁场，这种现象叫做霍尔效应。我们在车速检测模模块中使用A44E型的霍尔元件，我们在主后轮驱动齿轮处，贴上两块很小的稀土磁钢，然后将霍尔元件安装在附近，通过检测磁场变化，可以得到电脉冲信号，获取后轮转动速度。霍尔元件使用起来非常方便，只需要一个上拉电阻将输出接到电源就可以正常工作。电路原理图如图3.10所示，霍尔元件和稀土磁钢的安装方式如图3.11所示。我们采用霍尔元件测速的优势在于获取信息准确，体积小，而且不增加后轮负载。图3.11图3.11霍尔元件和稀土磁钢的安装方式3.6辅助调试模块在赛车系统的开发过程中，需要对其电路的各种信息以及工作参数进行必要的调试，使赛车更适应现场调试并使其控制策略达到最优化。在我们的辅助调试模块中，包括了三种调试控制方式：利用BDM开发工具的调试能力，显示单片机运行时其内部存储器中的数据，并通过串口、BDM接口将修正的参数发送到单片机并储存在单片机内部的EEPROM中。利用单片机MC9S12DG128核心板上提供的串口通信接口，通过无线通信模块对赛车运行状况进行在线实时监控，将数据采集到PC机上进行分析处理。我们在电路板上设置了几个拨码开关，通过它们不同状态的组合可以实现对不同的控制算法参数、运行模式等进行方便快捷的转换。虽然辅助调试模块对赛车的控制没有直接的影响，但是通过调试电路我们可以大大地提高赛车硬件与软件调试的工作效率，方便我们尽快地寻找到赛车的最优控制策略。第四章赛车控制算法设计由比赛规则可知，赛道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm，赛道的基本形状包括直道、90°及90°以上的转弯赛道和连续弯道(S弯道)。控制赛车的目的，我们是为了使赛车在跑道上行驶时既快又稳，因此在控制策略上需要考虑两个方面：舵机转向的控制和赛车的速度控制。4.1舵机转向控制为了使赛车在弯道上能够平稳地拐弯，沿赛道继续正常地行驶，需要控制赛车在进入弯道时提前减速转向平滑过弯，出弯时提前加速高速出弯，这里采用到的是迟滞算法的思想。由于我们的赛车采用的是摄像头采样方案，其优势就是探测距离远，可以提前知道路况，同时因为舵机转向具有延迟存在，所以我们采用PD控制：0UT=Kp*e1+Kd*(e1-e2)，其中，OUT为舵机输出量，Kp为比例系数，Kd为微分系数，el为本次的偏差，e2为上次的偏差，这样我们需要控制Kp、Kd两个参数。我们对转向的控制是通过有黑线的第一行(或前几行的平均值)和最后一行(或最后几行的平均值)两点连线的斜率来判断。可以知道摄像头的横向和纵向的物像比例。设摄像头的横向比例系数分别为：Kia,其中分为三个档次。前三分之一为Khead，中间三分之一为Kmid，后三分之一位Ktail。其中Khead和Kmid都是Ktail的倍数，设倍数分别为Khead_Ktaii，Kmid_Ktaii。Kia_Ktaii代表上述两个倍数的积，代表纵向比例系数为纵向物象缩小比例Klo。由试验可以确定。则偏差角度为：tg(theta)=(Kla&error[i]-Khead+error|jl)/(Klo=(Khead/Klo)(Kls...Ktail^：error[i]-error[j])/(jJ)所以需要知道Kla_Ktail的值，其余的可作为参数一起调整。其中通过调整Kla_Ktail的大小也可以缩放角度的大小。但是Kla_Ktail通过实验测量得到真实值直接用就可以了，不要在调整。假设在舵机转角范围之内，角度和其正切值是成比例的也就是可以得到舵机的转角：theta=4站tg(theta”=45^K_had/Klo)(Kla.Ktail*:etTor[i]-error[i])/(j-1) ：(舒舵机输出角度为0时对应的脉冲宽度为1520us,相当于PWMDTY01=1520/0.25=6080。输出角度为-60度时对应的脉冲宽度为920us,相当于PWMDTY01=920/0.25=3680。输出角度为+60度时，相当于PWMDTY01=2120/0.25=8480。即脉冲宽度可调范围为：3680---6080---8480,根据舵机转角对应的PWM脉宽可以得到：theta应为正负60之间。angle_out=6080+theta 0)/(60-0)+deviation+J=40+45+(K_hsid/Klo)(Kla_Ktail^error[i]-error]j]j©耶+(60S0+deviation')=Kr+(Kla_Ktail+error[i]-error[j]j-i)+(jfi080+deviation)：其中，deviation是theta为0时，让小车自主沿直线行走时angle_out-6080的值。如上只要调整Kr就可以控制舵机了。我们可以首先通过计算给出Kr的一个参考值。假设theta在正负60度之间，则有Kla_Ktail=1.2，又-16verrorv+16,16*1.2=19.2(假设在前三分之一行)。则有(Kla_Ktail*error[i]-error[j])最大为24，又(j-i)最小为20，即黑线正好在中间拐出去。此时设为60度，则可求出(K_head/Klo)约为1.8。综上可得Kr=1.8*40*45=3248则最终控制方案为为：Kr=324翠deviation=0；b1voidrudder_control(void)(+Jangle_out=Kr*(Kla_Ktail*error［i］-aror|j］歎j-i升隨080+deviation)4.2速度控制我们通过实验发现，赛车驱动电机负载运行时，响应速度较慢，而控制周期相对于电机的响应特性较短，因此我们采用Bang-Bang控制方法［7］来实现赛车速度的闭环控制。在这里我们已知赛车的最低理论速度为转过最小弯时(曲率半径为50mm)所需要的最大速度。这个速度可以通过在真实赛道上测试得到。赛车的最高速度为在直道上时电机所能达到的最大转速，即PWM调速波的占空比为100%时的速度。在不同弯道上可根据曲率半径来设置当前的速度。当我们知道了赛车转弯时的极限速度后，可以直接设置好转弯时的速度，到时候只需调整舵机的控制参数(两个参数Kp和KdO。这时如果对电机采用Bang-Bang控制的话，则整个车模仅需整定舵机的两个参数。当赛车在直道上高速运行时要确保进入弯道时把速度减下来使其速度恰好能过弯，如果不能的话可能要引入电机反向制动刹车。我们可以根据舵机的输出转角来控制速度。转角越大速度应该越小，转角越小速度应该越大。设最小速度为：min_speed，为通过最小曲率半径时的速度；最大速度为：max_speed，为直道上时电机所能提供的最大速度。则speed_out=(max_speed-min_speed)/(angle_rang)*angle_out+min_speed经过分析，我们把赛道大致分为三种情况，如表4-1所示：表41赛道速度分析a序号4赛道特点〜行驶特点Q速度要求门宣线赛道心稳定'性好护尽■量高速卫町及以上的转弯寡道茁-稳定性一般门低速入弯，转弯过程可提高车速+営弯道殺•稳定性差屮中速保证稳定厂第五章赛车系统的开发和调试.1开发工具我们在对赛车系统进行设计和调试时，采用的是大赛组委会提供的CodeWarrior开发环境。该开发工具是Metrowerks公司推出的、专门面向飞思卡尔所有MCU与DSP嵌入式应用开发的软件工具，是飞思卡尔向用户推荐的产品。它包括集成开发环境IDE、处理器专家、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。它能够为单片机MC9S12DG128提供与之配套的应用程序开发模块。CodeWarriorIDE能够自动地检查代码中的错误，它通过一个集成的调试器和编辑器来扫描代码，以找到并减少的错误，然后编译并链接程序以便计算机能够理解并执行程序。每个应用程序都经过了使用像CodeWorrior这样的开发工具进行编码、编译、编辑、链接和调试的过程。这样，软件代码在IDE中编译完成，通过BDM下载至S12的Flash中，用来控制赛车的运行，同时我们可以采用无线通信模块实时监控赛车的行驶状态，以便对程序再作进一步的调整。辅助调试方法——拨码开关的使用受比赛规则的限制，在比赛中不能进行软件的修改，那么当需要参数细节调试或控制方式改变的时候就需要利用到拨码开关。运用拨码开关除了可以现场调控外，在平时参数调试和控制策略比较时，可以方便地进行转换，不需要每次再像单片机中烧制程序，利于我们尽快地找到最优控制策略。在最终的设计电路图中，我们采用了3个拨码开关，以便在实际调试和比赛中能根据现场的情况来调整赛车的行驶策略。对赛车整体调试为了软硬件的调试以及对赛车系统的性能进行调试，我们自行制作了用于调试的赛道，在赛区初赛阶段，我们采用了较为简单的标准韩国智能车赛道，示意图如图5.1所示。在准备全国决赛期间，通过对分赛区决赛赛道的观察，我们重新改造了调试赛道，修改后的赛道包括了各种基本的形状：直道、90。弯道（包括a型弯道）、连续弯道（小S弯道和大S弯道）和十字交叉道，赛道效果如图5.2所示。

图5.1韩国智能车比赛赛道（第一阶段测试赛道）示意图图5.2第二阶段测试赛道示意图（根据实验场地设计）

注：图5.1，5.2中绿线代表赛道引导线，红线代表赛道边界）第六章比赛总结及心得6.1赛车的主要技术参数根据大赛的规则要求，我们对赛车进行改装后的主要技术参数如下：改造后的车模总体重量为1.05Kg，长为275mm，宽为162mm,高为343.5mm；平均电路功耗约为12.24W，所有电容总容量约为1705.66951微法，电容最高充电电压为25V；赛车采用了一个SS2000B型号的COMS摄像头作为赛道检测传感器，并采用了一个霍尔传感器测试车速；除了车模原有的驱动电机、舵机之外，本队方案中没有采用其他伺服电机；赛道信息检测精度为8.3mm、频率为40次/秒。比赛过程总结及心得体会这次大赛我们从拿到车模到最后参加决赛，经历了近半年的时间。在这半年的准备时间里我们完成了赛车机械结构的调整、赛车硬件和软件部分的设计、控制算法的优化以及赛车整体系统的联调，基本达到了大赛的要求。通过这次比赛，我们对Freescale公司的S12系列单片机的使用和摄像头视频信号采集技术等有了深入的了解，同时也熟练掌握了CodeworriorIDE开发环境和BDM的调试使用方法。在具体的调试实验后，我们最终采取了摄像头采样，Bang-Bang控制算法使得小车在直道能高速平稳的地行驶，而在弯道上能灵敏地转弯，同时采用霍尔元件结合磁钢的测速方法准确可靠地获取赛车的速度。在比赛过程中我们通过拨码开关来实现赛车控制方案之间的转换。但是在准备比赛的过程中，我们还发现了许多本方案的不足之处，有待今后继续研究解决包括：速度传感器的选择，采用霍尔元件配合稀土磁钢的方案虽然获取速度准确，不增加后轮负载，但是由于齿轮处靠近主驱动电机，容易受磁场干扰；摄像头的安装角度、高度并没有达到最理想的状态，还需要做更多测试实验；赛车机械结构特性还可以进一步调节，使其更适合赛道要求；MC33886控制芯片在工作过程中过热，可以自行开发设计新的驱动电路。总之，通过本次大赛，我们得到了很好的学习和锻炼机会，也培养了我们一定的自主研发和创新能力。在此，首先要感谢大赛组委会和飞思卡尔公司举办这样的大赛给我们提供了学习和锻炼的良好机会；同时我们要感谢学校和学院的老师对这次比赛的关注及支持；最后希望我们团队能在决赛场上取得优异的成绩。多次地试验证明，再好的控制算法和软件程序都是需要好的机械结构来支撑和实现，在这一章我们主要介绍车模的机械结构和特点，以及我们根据自己需要对赛车的机械结构所做的调整。4.1车体模型赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，后轮驱动方案。车体总体的尺寸没有改动，如图4.1所示：

图4.1车模结构图4.2智能车前轮安装4.2.1主销后倾角调整图4.2主销后倾角主销后倾角指车体纵向平面和地面垂直线的夹角，如图4.2所示，主销后倾角可以产生一个与转向相反的力矩使得车轮具有自动回正的能力，一般主销后倾角越大，车速越高，前轮的自动回正能力就越强。但是主销后倾角太大，将会引起前轮回正过猛，导致转向沉重。调试中发现，我们发现车速加快后，增加主销后倾角未必是好事，所以我们仍然采用0。的后倾角。4.2.2主销内倾角调整主销在汽车横向平面内向倾斜了一个0角，即主销轴线与地面垂线在汽车断面的夹角，如图4.3所示，调整可以根据图4.4