《毕业设计---基于激光传感器智能车的设计与实现.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计---基于激光传感器智能车的设计与实现.doc（72页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、基于激光传感器智能车的设计与实现摘 要教育部高等学校自动化专业教学指导委员会为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，将于2010年7月举办全国大学生第五届智能汽车竞赛。该竞赛要求以MC9S12XS128单片机为核心控制模块，使改装后的智能小车能够自动识别赛道，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜，是一次涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、计算机、机械等多个学科的科技创意性比赛。本课题的主要工作是进行控制算法与硬件驱动的研究，以实现智能小车按照一定的规则自动检测路面信息，达到速度与稳定性的最佳结合，主要包括硬件与软件的设计。软件主要包括赛道黑线位置精确提取，舵机、
2、电机控制模块以及路面抗干扰模块；硬件电路主要包括电源管理、激光传感器、转向舵机及电机的驱动、车速检测等硬件电路。关键词：MC9S12XS128；智能车；激光传感器The Study and Realization of Smart Car Based on Laser sensorAbstractTo enhance students practice, innovation and the cultivation of team spirit, and promote higher education reform, National University Students smart ca
3、r race will be held in July 2010，sponsored by the Ministry of Education colleges the automated specialized teaching instruction subcommittee. We use MC9S12XS128 as the core control module, guiding the modified smart car tracks a set line, the winner is the team, whose smart car used the shortest tim
4、e. This creative scientific and technological competition includes many disciplines ,such as control, pattern recognition, sensor technology, Electronic, electrical, computer, machinery and so on.The main work of this topic is work of the hard drive and control algorithm, in order to realize intelli
5、gent car according to certain rules automatically detect road information, speed and stability of the best combination. Mainly includes hardware and software design. Software including track position accurately extracted black, steering, motor control module and pavement anti-interference module. Th
6、e hardware circuit including power management, laser sensor, steering servo motor drive, speed detection hardware circuit. Key words: MC9S12XS128；Smart car；Laser sensor目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 智能车比赛背景介绍11.2 智能车比赛规则的简单介绍11.2.1 比赛规则11.2.2 对智能车比赛规则的分析及需要做的工作52 智能车机械结构的研究72.1 智能车车模参数72.2 舵机和电机参数82.3 舵机
7、安装方式92.4 前轮倾角的调整102.5 前后轮差速机构调整122.6 齿轮传动机构调整132.7 传感器的设计安装132.8 测速编码器的安装142.9 其它机械结构的调整152.10 整车结构安装图153 硬件电路的设计173.1 设计思路简介173.2 单片机简介173.3 最小系统183.4 电源管理模块203.4.1 电源供电模块203.4.2 电机驱动223.5 检测系统243.5.1 前瞻的确定253.5.2 激光管点亮与信号接收254 智能车软件设计294.1 软件设计总体流程294.2 系统初始化设置304.3 路径识别传感器信号采集处理324.4 转向控制策略384.5
8、车速控制策略404.5.1 模拟PID控制原理404.5.2 增量式PID控制原理414.5.3 增量式PID算法程序434.6 液晶显示模块454.7 主程序494.8 程序小结525 总结53参考文献54致 谢55附录一 部分英文参考资料及译文56附录二 主要电路原理图67681 绪论1.1 智能车比赛背景介绍智能汽车又叫轮式移动机器人，是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感器、信息、通信人工智能等技术，是典型的高新技术综合体。它具有重要的军用及民用价值，如美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星探测器实质上都是装备先进的智能车辆，除此之外，智能
9、汽车在野外、道路、现代物流业及柔性制造系统中都有广泛运用，该研究已成为人工智能领域的热点8。鉴于智能车辆拥有越来越广泛的市场前景和应用价值，多年以来，韩国汉阳大学和飞思卡尔公司进行合作，针对韩国大学生连续多年举办了智能车大赛；自2006年起，中国教育部与相关高校进行合作，开始在中国举办全国大学生智能车竞赛。本次邀请赛要求参赛队引导改装后的模型汽车按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导分委员负责主办的全国大学生智能车竞赛至今年已是第五届。在这场综合性很强，以汽车电子为背景，涵盖控制，模式识别，传感，电子，电气，计算机和机械等多学科交叉的科技创
10、新性比赛中，各高校同学积极参与，勇于突破，仅在前四届的比赛中，参赛车的速度已有了突飞猛进的提升。大赛根据车模检测路径方案不同分为电磁、光电与摄像头三个赛题组。车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路径检测的属于电磁组；车模通过采集赛道图像（一维、二维）进行路径检测的属于摄像头组；车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路径检测的属于光电组。 1.2 智能车比赛规则的简单介绍今年已是第五届比赛，在本次比赛中，参赛选手仍须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，以Freescale公司生产的16位单核微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力
11、电机驱动、转向舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制软硬件系统。各参赛队完成智能车工程制作及调试后，于指定日期与地点参加比赛。参赛队伍之名次以赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及工程制作质量为辅来决定。但与往届不同的是，今年的比赛增加电磁组，包括光电组、电磁组和摄像头组。同时，从第四届开始组委会在赛道上人为加入路面干扰信息（黑色三角标志、减速带、十字黑条、窄道等），难度有所加大。在第五届比赛中，赛道宽度由原来的60cm变为50cm，如何正确判断道路特征信号以及时正确控制智能车是在比赛中获得好成绩的前提。本文所述的内容即是为本届光电组（激光）比赛而
12、准备的技术方案。1.2.1 比赛规则参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16位单核微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，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，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术报告、制作工程质量评分为辅来决定。大赛分为电磁、光电与摄像头三个赛题组，在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，使用电磁感应检测赛道属于电磁组，除此之外则属于光电赛题组。竞赛秘书处制定如下
13、比赛规则适用于各分赛区预赛以及全国总决赛。在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。秘书处将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。比赛过程中，如果赛车碰到赛道两边的立柱并使之倾倒或移动，裁判员将判为赛车冲出跑道。赛车前两次冲出跑道，选手可以申请恢复比赛，即将冲出跑到赛车重新放置在裁判指定的赛车冲出跑道的位置，恢复比赛。整个恢复比赛过程中计时不间断。选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。1、比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败：1) 裁判点名后，2分钟之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备；2) 比赛开始后，赛车在30秒之内没有离开出发区；3) 赛车在离开出发区之后10分钟之内没有
14、跑完两圈；4) 赛车冲出跑道的次数超过两次；5) 比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车；6) 决赛前，赛车没有通过技术检验。如果比赛失败，则不计成绩。2、比赛中禁止：1) 不允许在赛道周围安装辅助照明设备及其它辅助传感器等；2) 选手进入赛场后，不允许进行任何硬件和软件的修改；3) 比赛场地内，除了裁判与1名队员之外，不允许任何其他人员进入场地；4) 不允许其它影响赛车运动的行为；5)不允许车模设计方案抄袭，参赛队伍的车模设计的硬软件需要相互之间有明显不同。3、对于智能竞赛车模 1) 禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎； 2) 禁止采用其它型号的驱动电机，禁止改动驱动电机的传动比； 3) 禁
15、止改造车模运动传动结构，包括滚珠轴承； 4) 禁止改动舵机，但可以更改舵机输出轴上连接件； 5) 禁止改动驱动电机以及电池，车模前进动力必须来源于车模本身直流电机及电池； 6) 禁止增加车模地面支撑装置。在车模静止、动态运行过程中，只允许车模原有四个车轮对车模起到支撑作用； 7) 为了安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。 4、电路器件及控制驱动电路限制1) 车模控制电路须采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位MCU作为唯一的微控制器。对于摄像头组16位MCU只能采用9S12XS128 80脚QFP封装（具体型号为：MC9S12XS128MAA、S9S12XS128J1CAA/R
16、、S9S12XS128J1VAA/R或S9S12XS128J1MAA/R），也可以选用16位DSC或8位MCU（8位MCU可以使用2片）。对于光电组和电磁组16位MCU只能采用9S12XS128（封装不限），也可以选用16位DSC或8位MCU（8位MCU可以使用2片）。核心控制模块可以采用组委会推荐的9S12XS128模块，也可以选用飞思卡尔公司微控制器自制控制电路板。每台模型车的电路板中只允许使用一种型号微控制器。8位微控制器最多可以使用2片，16位微控制器限制使用1片；不得同时使用8位和16位微控制器； 2) 除了上述规定的微控制器之外不得使用辅助处理器以及其它可编程器件； 3) 伺服电机
17、数量不超过 3个； 4) 传感器数量不超过16个：光电传感器接受单元计为1个传感器，发射单元不计算；CCD传感器计为1个传感器；磁场传感器在同一位置可以有不同方向传感器，计为一个传感器； 5) 直流电源使用大赛指定的电池； 6) 禁止使用DC-DC升压电路直接为驱动电机以及舵机提供动力； 7) 全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏； 8) 不鼓励使用各类昂贵的器件和模型组件。 5、可以选择参数：1) 开发软件可以选择CodeWarrior ，也可以另行选择；2) 开发调试硬件可以选择 BDM（清华大学制作）工具，也可以另行选择；3) 电路所使用元器件（传感器、各种
18、信号调理芯片、接口芯片、功率器件等）种类与数量都可以自行设计选择。6、赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局） 1) 赛道路面用专用白色基板制作，在预赛阶段时，跑道所占面积在5m7m左右，决赛阶段时跑道面积可以增大； 2) 赛道宽度不小于50cm； 3) 跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm。铺设赛道地板颜色不作要求，它和赛道之间可以但不一定有颜色差别； 4) 赛道中心黑色线下铺设有直径0.1-0.3mm漆包线，其中通有20KHz，100 mA的交变电流。频率范围20K2K，电流范围(50-150mA)。漆包线既可以购买全新的，也可以通过拆卸二手变压器线圈等获得，
19、后者价格便宜，质量也可以满足要求； 5) 跑道最小曲率半径不小于50cm； 6) 跑道可以交叉，交叉角为90； 7) 赛道直线部分可以有坡度在15之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路； 8) 赛道有一个长为1m的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度10cm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束时刻。在黑色计时起始线中间安装有永久磁铁，每一边各三只。磁铁参数：直径7.5 - 15mm，高度1-3mm，表面磁场强度3000-5000Gs5 ；根据组委会提供的对到类型，我们自己拼接了赛道，如图1-1所示。制作赛道时弯到完全采用50cm半径，依靠直道，30度，60度，90
20、度，120度，180度拼接而成。图1-1 自制赛道图1-2 引导线示意图参赛队伍必须使用主委会指定的车模，今年车模和去年车模有较大变化，首先车模变为四轮驱动，所以比起去年仅用后轮驱动，车模传动结构更加复杂，所以机械性能的调校具有一定难度；由于组委会对车模改装的限制，而车模承重部分空间较去年有所减小，所以对其他硬件的分布也有较大影响。新车模照片如图1-3所示。图1-3 车模示意图1.2.2 对智能车比赛规则的分析及需要做的工作本届大赛将参赛队伍划分光电组、电磁组与摄像头组三个赛题组分别进行比赛，这样一来，光电组就摆脱了以前与摄像头组相比竞争力不强的劣势，并且从前几届比赛来看使用激光作为路径检测手
21、段的参赛队较少，所以激光检测具有更高的潜力空间。从去年的华北赛区的预赛来看，光电组有70支队伍参加，而摄像头组有60支队伍参加。由于激光具有光线集中，反射光强度大，很大程度地提升智能车的前瞻，接收量数字化等优点，越来越多的光电赛题组参赛队伍选择使用激光传感器作为路面检测手段，从而相对地使用红外等其他光电检测手段的减少。从前几届形势分析，激光的确比红外具有明显优势，即使同为激光传感器，强队与弱队的差别也非常明显。所以我们认为这一届使用激光传感器具有很大的提升空间。智能车比赛考验的是各个赛车跑完单圈的最短时间，本届大赛还要求赛车能识别起跑线并在通过起跑线后三米范围内自动停止。从第四届开始组委会认为
22、在赛道加入诸多干扰信息，增加了比赛的难度。由此可知，要取得好成绩关键是在保证稳定性的前提下最大的提高赛车的速度。简单地说，我们所要做的就是处理好赛车的转向和速度控制，使其达到最佳结合。具体看来，需要考虑以下方面：第一，保证小车的稳定性是进行好比赛的前提：优化车身的机械结构，使重心降低，保证小车转弯的稳定性与灵活性；从软件上改进控制方案，即让小车在行驶过程中的控制算法达到最优；第二，传感器是智能车的“眼睛”，精确地提取赛道（黑线）信息，是进行所有控制的前提条件。要让小车“看”得更加清楚，必须从硬件和软件两个方面来做工作。第三，提高速度需要赛车“看”的更远，以便能够预知前方更远路况，提前加速减速或
23、者转弯，进一步克服舵机动作的滞后，从而达到速度最优。第四，对于直道、弯道等不同的赛道应采用不同的转向和速度策略。由于对车模的机械性能和改装有严格限制，因此如何更大程度地发挥舵机的转向能力和提高转向的灵敏程度十分重要。同时，需要测速装置随时反馈赛车当前速度，才能更好的提高速度；第五，硬件电路方面，应尽量减少使用的元器件数量，在满足要求的基础上尽量简化电路，合理布局电路并印刷电路板，减少电子器件之间的干扰等。第六，软件上，程序应模块化以方便调试与修改，并且具有灵活性和可选择性以适应未知的赛道情况以及比赛时的突发状况。第七，研究先进的控制算法，算法是小车的核心，优秀的控制算法能使小车达到稳定性与快速
24、性的结合。2 智能车机械结构的研究硬件是智能车系统的基础，所有系统功能以及任何控制思想的实现都是以硬件作为平台。优秀的硬件能为小车快速、稳定打下良好的基础。机械结构也是小车稳定的一个重要因素，第四届比赛中，由于时间仓促，我们没能好好研究小车的机械机构，机械结构松散，导致在行驶过程中机械延迟，动作不灵活。科学的机械布局对小车的运行至关重要，因此有必要对其机械结构进行深入的研究。在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进和提高。由于组委会已经指定车模型号，所以重要的是对
25、小车上各部件进行合理布局，尽量减轻车身重量，降低车身重心，使重心处于一个合理的位置；科学安装舵机和调整前后轮差速，争取使小车机械性能达到最佳。本章将主要介绍赛车模型的机械特性和参数以及我们根据实际情况在规则允许的范围内对赛车机械性能做出的调整。2.1 智能车车模参数此在本次智能车邀请赛中，最主要的比赛内容是速度，而车辆的机械结构无疑是影响速度的一个关键因素，鉴于这个原因，我们小组在车辆机械方面的改进也作了很多的工作。此次比赛选用的赛车车模采用1/10 的仿真车模。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，前后轮四轮驱动方案。具体车模数据如表2-1：表2-1 车
26、模基本尺寸参数基本参数尺寸轴距175mm前轮距148mm后轮距152mm车轮直径65mm车长240mm车宽178mm传动比18/76如图2-1所示，其中虚线部分为轮胎，连接轮胎的实线为智能车的传动轴，第五届freescale比赛为四轮驱动，所以前后轮皆为驱动轮。图2-1 车模尺寸示意图2.2 舵机和电机参数本车模配套的舵机为模拟舵机，其基本参数为5：型号：T170A 模拟伺服器尺寸：31.5*16.5*28.5*28.5MM重量：17G工作电压：4.8-6.0 V角度及偏差：503回中角度精度：2速度：0.1-0.13S/50扭矩：1.7KG-2.3KGCM车模配套的RS385S电机基本参数为
27、5：工作电压：DC7.2V空载电流：750mA负载电流：3.9A空载转速：20000RPM10%负载转速：15000RPM10%起动电压：0.6V起动电流：400mA 堵转电流：5.2A绝缘电阻：10%10M欧姆2.3 舵机安装方式舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装方式，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。分析舵机控制转向轮转向的原理可以发现，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。这相当于增大力臂长度，提高线速度。转向系统在车辆运行过程中有着非常重要的作用，合适的前桥调整参数可以
28、保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，即保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向后，合适的前桥可以使得车辆自行回到直线行驶状态，即具有好的回正性。基于这个原因，前桥参数调整及转向系统优化设计必然会成为智能车设计中机械结构部分的重点，在实际操作中，我们通过理论预测进行方案的可行性分析，然后做出实际结构以验证理论数据。另外，在模型车制作过程中，除了遇到“如何得到良好的方向稳定性”的问题外，还要考虑如何尽快实现转向。而由于功率是速度与力矩乘积的函数，追求速度，必然会使力矩减小，因此设计时就要考虑到舵机的动力与来自地面的摩擦阻力间的关系，避免因舵机力量太小使得车辆无法转向的情况发生。为了解决以上问题，我们希
29、望通过设计一些可调整的机构，加上实际测算，最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。图2-1 改装后的舵机安装示意图在最终设计的这套机构中，由原来的平放改为直立式安装，我们综合考虑了速度与扭矩间的关系，尽量减小舵机的负荷，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标，不过该机构仍存在自身重量太大的问题，在平时实验中发现，当小车的速度达到2m/s以上的速度时，小车存在向左转向不足，经分析认为是舵机力臂过长，导致扭矩不足，于是在平时调试中，采用了图2-2所示的安装方式。图2-2 舵机实际安装图实际上小车在运行过程中，舵机转角与空载不完全一致，原因是由于小车在负载的情况下，舵机力矩可
30、能会不足，或者响应延迟，导致舵机转向不足。特别是左右极限情况特别明显。因此需要软件中加以修正。2.4 前轮倾角的调整调试中发现，在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束7等四个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。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
31、度越小前轮自动回正的作用就越弱7。图2-3 主销内倾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。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能17。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用小。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
32、内倾侧，导致车轮连接件损坏。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。图2-4 主销后倾所谓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18。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。图2-5 前束角在这个过程中我们不断的探索，去年比赛过程中没有参观到传统强队的前轮机械结构的调整，而我们队伍没有对这方面知识有深刻理解的队员，由于没有理论上的支撑，所以只能从经验上一点点地改进。但是随着速度不断的提高，机械上的缺陷也逐渐地暴露出
33、来，如何把机械调整到最佳，还需要不断地总结经验，不断地分析和改进，这样才能是小车在比赛中更加具有优势。在调试过程中，一般采用如图2-6所示的前轮安装方式。图2-6 前轮调整实物图2.5 前后轮差速机构调整由于在转弯时，后轮两个轮之间的转速不完全一致，所以两个后轮之间必须要有适合的差速。差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动，增加拐弯的灵活性；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。由于小车速度较高，在大角度转弯时容易翻倒，为了增加小车的抗翻能力，可用组委会提供的配件把后轮改为大轮距。在拐弯时由于弯道内侧轮比外侧轮的拐弯半径小，则内侧轮比外侧轮的速度小，这就使两侧轮胎
34、有一定的速度差，称为差速。今年根据组委会提供的车模，赛车的差速机构在车的前后轮上均有，中间电机对前后轮驱动，通过传动连接的行星齿轮可以拥有不同的转动速度，甚至可以一边正转，另一个轮反转来对两侧的车轮来进行差速。经多次调试观察发现差速对赛车转弯有很大的影响，而且前轮差速影响较大。如果差速过紧，即两轮胎的速度很接近时，转弯的时侯会拐出一个较大的圈，导致50cm的弯难以通过，甚至产生侧滑，使赛车滑出赛道。所以差速调整要适当，才会使直道驱动能力强，弯道转弯灵巧。我们调试差速的方式是把赛车放在赛道上捏住一个轮胎不动让另一个轮胎能在赛道上半滑动时为准。由于没有具体的理论依据可供参考，所以我们在实验室调整差
35、速更多是以经验为主导，观察小车运行的状态，听小车的声音，逐步调整，直至最佳。2.6 齿轮传动机构调整车模后轮采用RS385S电机驱动，由竞赛主办方提供。电机轴与后轮轴之间的传动比为 9：38（电机轴齿轮齿数为18，轮轴传动轮齿数为76）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。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，过紧又会增加传动阻力，白白浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象。判断齿轮传动是否调整好的一个依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。声
36、音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。2.7 传感器的设计安装我们赛车的激光发光管与接收管分排成一行，采用的是简单的“一”字形布局，在点亮激光管的时候，考虑到74HC154是416译码器，只有十六路输出，如果需要将24个激光管分别点亮，将会需要两片74HC154，这样一来不仅浪费元器件，而且在程序上需要片选，增加了程序和硬件的难度，因此我们只利用一片74HC154中的12路输出，将每两个相隔12个的激光发光管做成一个最小并且独立的单元，同时点亮，避免
37、了相互之间的信号干扰，也节省了软硬件的复杂度。同时，在采集路面信息的时候，我们有充分利用接收管有较大视野，可以接受三个或者更多发光管的信号，考虑到信号的稳定性和车身重量，即要使接收回来的信号足够稳定，没有发光管处在接收管的盲区内，又要使车身重量不能过于沉重，所以，综合考虑，我们将从左往右相邻三个发光管一次划分给同一个接受管，这样一来24个发光管只需要使用8个接受管就能满足采集信息的需求。由于传感器具有相当大的重量，因此传感器的安装方式是个很值得考虑的问题，具体地说需要考虑以下几个方面的问题：(1) 要保证有足够的前瞻，且信号稳定，在一定摆幅内无故障；(2) 且需要使车身重心分布合理，不能过大地
38、增加舵机的负担，从而导致转向不灵活的状况；(3) 要给其余电路板留出足够的空间；接收管接受激光管照在路面后通过漫反射回来的光，通过聚焦使接收管能够接受到足够强的光，最后给单片机二值化的信号“0”和“1”。前瞻是通过传感器的不同倾角a来确定的。倾角a大则前瞻大，a小则前瞻小，原理示意图如图2-7所示：图2-7 前瞻示意图通过不同安装方式的比较最后确定了传感器架起的高度和在车身所处的位置，保证了以上提出的三个需要考虑的方面。传感器安装的实物图如图2-8所示：图2-8 传感器的安装图2.8 测速编码器的安装小车控制系统为一个以速度为反馈的闭环控制系统，为了能够更加准确地测量得到小车的运行速度，精确地
39、控制小车，我们在比赛中采用欧姆龙测速编码器。考虑到测速编码器本身测速方式的限制，为了能尽量减小电机驱动的阻力以及控制重心位置，并且考虑到方便其他器件的安装，我们将测速编码器用自制器件将其固定在小车中间，使编码器齿轮与电机轮咬合，再调整合适的松紧度，通过车模齿轮传动齿数比、车轮半径，根据定时计脉冲的方法，程序就可以精确地测量出小车运行的速度。测速编码器的安装如图2-8所示。 图2-9 欧姆龙测速编码器的安装图2.9 其它机械结构的调整另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、悬架、底盘、车身高度等。在调试过程中我们都进行了相应的改进和调整，如悬挂臂、转向联杆的动作要灵活自如
40、，准确无误；主悬架要松紧适度；驱动电机的螺丝一定要上紧，并要经常检查，一旦在行驶中松动就会造成零件的损坏，以上均取得了不错的效果。另外，在小车的调试过程中，发现齿轮的咬合松紧和小车的噪声有相当大的关系，比如编码器和电机齿轮的咬合过松，小车在运行过程中噪声很大，而咬合过紧的话又增加了电机的负担。所以调试过程中也很注意这些细节方面的技术调整。2.10 整车结构安装图经过多次的实验和调试，最后机械上确定如图2-10的安装。图2-10 整车结构图在这种安装方式下，综合考虑了前排传感器对舵机的压力，使直立安装的舵机能够比较灵活地拐弯，同时保证了传感器在这种安装方式下拥有足够的前瞻解决舵机转向延迟的问题，
41、而且给其余电路板留下了相对充足的空间；电池是比较重的部件因此放在小车后部，使智能车重心比较合理地向车尾稍微偏移。3 硬件电路的设计硬件系统是基于9S12XS128单片机，自主构思控制方案及系统设计，主要包括最小系统、传感器信号采集模块、电源模块、电机驱动等。3.1 设计思路简介本次比赛我们采用16位MCU采用9S12XS128芯片作为控制核心，自行设计了基于9S12XS128的最小系统、激光传感器电路、电机驱动电路、电源管理模块等。在整个系统中，由电源管理模块实现对其他各模块的电源管理，包括单片机、激光管发光及接收管阵列、测速电路、直流电机和舵机等。其中，对单片机和测速电路提供5V电压，对激光
42、管阵列采用180KHz PWM调制的方式点亮，这样可以很方便地调整PWM占空比调整激光管发光时间，舵机采用了5V直接供电，提高灵敏度。直流电机自行设计，电池向驱动模块提供7.2V的电压。硬件设计思路是在保证信号检测质量的基础上尽可能精简电路，以提高系统的可靠性以及整车的机械特性。系统简图如图3-1所示： 图3-1 系统简图 其中电源管理模块为系统的各个子模块提供正常工作的电压；路径识别模块引导小车按黑色引导线行驶；按键模块可以改变小车行驶的状态和参数；LCD模块用来实时显示小车的运行参数；舵机调节控制小车的转向；电机驱动来控制小车行驶速度；速度检测模块用了实时检测小车的速度，以便及时调整；无线
43、模块用来发送小车行驶过程中的一些重要参数，以便于分析。3.2 单片机简介 S12XS1281是freescale半导体公司对16位微控制器系列针对一系列成本敏感型汽车车身电子应用进行了优化。S12X产品满足了用户对设计灵活性和平台兼容性的需求，并在一系列汽车电子平台上实现了可升级性、硬件和软件可重用性、以及兼容性。S12XS系列可以经济而又兼容地扩展至带XGate协处理器的S12XE系列单片机，从而为用户削减了成本，并缩小了封装尺寸。S12XS系列帮助设计者迅速抓住市场机遇，同时还能降低移植成本。主要特性： S12X CPU，最高总线速度可超频至80MHz 64KB、128KB和256KB闪存
44、选项，均带有错误校正功能（ECC） 带有ECC的、4KB至8KB DataFlash，用于实现数据或程序存储 可配置8、10或12位模数转换器（ADC），转换时间3s 支持控制区域网（CAN）、本地互联网（LIN）和串行外设接口（SPI）协议模 块 带有16位计数器的、8通道定时器 出色的EMC，及运行和停止省电模式作为智能车的控制核心，MCU M9S12XS128完全可以满足控制需求，丰富的引脚资源为用户提供了极大的扩展空间。I/0接口包括，A口、B口、E口、K口、H口、J口、M口、P口、S口、T口；单片机与微机通信（SCI）模块，脉冲宽度调制（PWM），系统时钟（CRG），锁相环技术(PL
45、L)等功能为智能车的控制提供了非常丰富的资源。3.3 最小系统为了控制智能车，必须对MC9S12XS128坐外部扩展，我们自己制作了最小系统。尽量缩小了最小系统板的体积，以减轻车体重量。由于今年车体结构的变化，导致各个电路板在车身上的分布成了一个非常值得考虑的事情。因此，今年最小系统版做就最大的简化，除了对必要的引脚做了外部拓展，其余的能简则简。以做到体积最小，重量最轻。考虑到，各种功能的实现，常用的I/O口，比如B口，M口，K口，A口，T口，M口等，以及可能用到的引脚比如AD转换口AN0_AN16，H口等，都做做成了外部插针式的引脚。另外，作为单片机运行的时钟基准，必须外接晶振，因此我们在外
46、部接入16M的晶振。图3-2 最小系统原理图图3-3 最小系统PCB图 图3-4 最小系统板实物图3.4 电源管理模块3.4.1 电源供电模块电源用于给系统各部分供电。由于电池的输出电压会有扰动，而且电机的功率改变会导致电源电压输出产生突变，因此需要给各电源进行稳压。单片机和逻辑电路需要5V电压，在转向舵机模块使用5V电压舵机转向更灵敏，驱动电机的电压决定电机转速，因此要重点考虑各供电模块之间的影响。稳压器件可以使用三端稳压器，但电机的电压和转速之间成正向的关系。为了提高电机转速，可以使用DC/DC升压电路，但这不符合比赛规则。集成三端稳压器与模拟器件构成的稳压器相比具有稳定、简单、便宜等优点。因此综合考虑本次比赛电源稳压部分使用集成三端稳压器。电源供电模块示意图如图3-5所示。图3-5 电源供电模块示意图 图3-6 供电原理图图3-7 供电模块PCB图图3-8 供电模块实物图3.4.2 电机驱动智能车使用组委会指定的电机型号为RS385S，需要7.2V供电，通过PWM控制电机的正转以及反转和速度。电机作为智能车的动力，对其实行稳定精确