“飞思卡尔”杯大学生智能汽车创意赛车模的制作-8页word资料

“飞思卡尔”杯大学生智能汽车创意赛车模的制作

Abstract: Based on the \college student''s smart cars, this paper designs and makes a CCD camera-based smart car, which can run in complex road conditions. The car system takes the Freescale16 microcontroller MC9S12XS128 as the system control processor, access to the track image information from the image sampling module of the camera; it controls the car''s direction and speed through the PID control strategies, measures the spacing by using the ultrasonic sensor, finally realizes the function of seeking road performance, turning left or right, two cars of the track road performance. 0 引言

近年来，智能车辆和智能交通已成为汽车和智能控制领域的热点研究课题之一。本文是在第六届飞思卡尔全国大学生智能汽车创意赛背景下创作的，具体介绍了一种基于CCD摄像头的智能车在复杂道路条件下的运行情况。

飞思卡尔CCD（Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件，称为CCD图像传感器）循迹智能车，是限定16位微控制器MC9S12XS128作为唯一控制处理器，硬件方面主要由电源管理，电机驱动，舵机转向控制，路径检测，车速管理等模块构成，在软件方面是使用CodeWarrior 3.1实现控制。根据CCD摄像头在黑色跑道，和两端白色边线的反射率的反差所检测到的信号，再将信号传输到处理器中。通过比例控制实时修正舵机

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的PWM占空比，使智能小车能够按照只按照中间黑色跑道行驶。 1 系统设计

1.1 系统硬件设计方案 系统硬件设计是整个智能车设计最基础同样也是最重要的部分，硬件各模块会影响到车模行驶稳定性和转向灵活性。正确的硬件设计方向与思路为软件系统的发挥提供了强大的保障，硬件设计框图如表1所示。

1.2 系统软件设计方案 软件程序高效稳定运行是车模快速平稳完成各个功能的基础。智能车系统主要包括以下模块：飞思卡尔MCU模块、电源模块、转向舵机模块、CCD视频采集模块、电机驱动控制模块、转速反馈（编码器）模块以及超声波模块。CCD摄像头采集赛道图像信号后，以PAL制式信号输出到信号处理模块进行片外AD转换并同时进行视频同步信号分离，分离出场同步信号，行同步信号，奇偶场信号。经AD转换后的数据和同步信号同时输入到9S12XS128控制核心，进行进一步处理以获得图像信息，通过光电编码器来检测车速，并采用9S12XS128的输入扑捉功能进行脉冲计数，计算车模的当前速度，以处理后的信号为依据控制PWM模块发出PWM波，通过输出不同占空比分别对转向舵机、直流电机进行控制，完成智能车的转向前进和制动。此外，单片机对接收到的超声波信号进行处理，实现两车模的跟踪行驶，当两车模距离超过阀值时，后车报警并降低车速。 2 机械结构与调整

2.1 机械结构组成部分 硬件方面主要由电源管理，电机驱动，舵机转向控制，路径检测，车速管理，超声波模块组成。

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下面主要对电机驱动模块与超声波模块做说明：

电机驱动模块：智能车采用后轮驱动，驱动电机采用了标准微型马达公司生产的RS－380SH型电机。该电机额定电压为7.2V，空载电流为0.5A，转速可达16200r/min；当电机转速在14060r/min时，工作效率最大，转矩达到了10.9N·m。

由于单片机输出的脉宽无法驱动大赛提供的直流电机，因此需要通过驱动电路来驱动电机。赛车的电机驱动没有采用大赛组委会提供的MC33886电机驱动芯片，而是采用了自制的H桥电路，可以方便地实现电机正转和制动。

对于直流电机转速的控制采用了基于“H”桥驱动电路的PWM（Pulse Width Modulation脉冲宽度调制）控制技术。“H”桥驱动电路原理图如图1。

在电机驱动上，我们用MOS管作为分立元件搭建了H桥驱动电路。通过逻辑设计，可以让电机处于多种模式下工作，经过在赛道上对智能车进行试验，电机的加减速效果很好，完全可以满足智能车对不同类型的赛道上加减速的要求。

超声波模块：超声波是指频率高于20khz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。超声波测距的原理一般采用渡越时间法，首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。 只需要提供一个10us以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲

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宽度与所测距离成正比。测量周期必须在60ms以上，不然发射信号会对回响信号产生一定的影响。

2.2 机械结构的调整 智能车的控制算法和软件程序都需要通过智能车的机械结构来执行和实现。为使模型车在行驶中发挥出最佳的机械性能，需要结合汽车理论相关知识对赛车的运动特性进行分析，并据此对智能车的底盘结构进行相应的调整。

车体重心位置调整：赛车在行驶过程中，重心位置也会对其行驶性能产生重大影响。根据汽车理论，车身重心前移，会增加车轮的转向不足趋势，有利于提高转向稳定性；但是由于前轮负载的增加和后轴负载的减少，前轮转向灵敏度会降低，后轮附着力也同时减少，造成动力损失与后轮打滑；而重心后移，虽转向稳定性降低，但使转向更灵敏，后轴动能充分利用。

差速器调整：智能车在转弯时内外两侧车轮会移动不同的曲线距离，外侧车轮经过的线性距离大于内侧车轮。差速器的作用就是保证智能车在转弯时内外驱动轮能以不同的转速作纯滚动运动，避免发生车轮拖滑。 差速器主要分两种：齿轮差速器和滚珠差速器，组委会所提供的A型车模即采用的是滚珠差速器。滚珠差速器的差速效果与两边压盘的夹紧力有关，如果压紧力过大，那么滚珠之间的摩擦力就会随着增大，相对滑动困难，影响差速效果。反之，如果夹紧力过小，加速时齿轮与两边压盘之间会发生打滑现象，影响动力传递。 3 软件系统的设计与实现

3.1 图像采集与处理 通过图像处理把摄像头至核心板处的视频信号

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