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1、第八届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技 术 报 告 学 校： 中南民族大学 队伍名称： 混沌骑士 参赛队员： 姚德翔 甘仕举徐睿带队教师： 尹建新 陈锟 吴岭清 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第七届“飞思卡尔”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论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔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视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。摘 要本文以第八届飞思卡尔杯全国智能车竞赛光电平衡组为背景，介绍了直立车模循迹系统。系统设计采用了自顶向下
2、的整体设计思想，以Freescale微控制芯片XS128为核心，并以CodeWarriorIDE为系统的开发平台。硬件部分采用自主设计的主板电路、传感器电路以及驱动电路。传感器电路采用LM358运放实现微弱信号放大，采用速度传感器MMA7260和加速度传感器陀螺仪（ENC-03）实现对车模状态的检测，驱动电路采用集成驱动芯片BTS7960B来实现对电机的有效驱动。关键词：XS128 直立控制 第一章 引 言1.1 概述全国大学生智能汽车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探
3、索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。特别需要说明的是，智能汽车竞赛组委会将电磁组比赛规定为车模直立行走，车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。在电磁组比赛中，利用了原来C 型车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平衡行走。相对于传统的四轮行走
4、的车模竞赛模式，车模直立行走在硬件设计、控制开发以及调试等方面提出了更高的要求本技术报告主要将阐述我们队整个智能车的设计理念和思想，本着交流与共享的原则，我们毫无保留的提供了所有的核心思想及算法理论，希望与大家共同成长交流，因为我们相信思想只有在交流中产能碰撞出火花，技术只有在分享中才能成长进步，希望本文能为下一届同学提供一定帮助。1.2系统体系结构光电平衡组比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，这势必增加了控制难度，算法也相对复杂，我们将控制分为三个基本方面：直立控制，速度控制和方向控制，分别进行算法控制，最终将三方面融合实现目标控制。根据功能不同，光电平衡车体系结构大致
5、包括传感器、控制、执行机构、人机接口和电源五大部分。1.控制部分分析传感器数据，提取赛道信息，运行控制算法，向执行机构发出动作信号，控制赛车沿赛道行驶。控制部分主体是单片机XS128。2.传感器部分负责感知外部世界的环境信息和车模自身的状态信息，为小车完成赛道的检测与跟踪以及实现小车的直立、速度和方向控制提供所需的信息。传感器部分包括TSL1401传感器、速度编码器、加速度计和陀螺仪等几个模块。3.执行机构负责执行动作信号，实现车的直立、变速和转向。执行机构包括电机驱动和电机。4.电源部分负责向各部分提供合适的电源，包括电池和稳压模块。5.人机接口实现模式和参数选择、状态指示、实时监控以及数据
6、存储等人机交互功能，包括拨码开关、LCD液晶显示、无线等模块。1.3论文结构安排本技术报告总共分为七个章节。 第一章节是引言，主要介绍研究背景、系统方案和论文安排等。 第二章节是系统的硬件设计，分别介绍了硬件的几个基本部分：TSL1401传感电路，加速度计和陀螺仪，编码器和控制器。 第三章节主要介绍系统的机械设计，车模改造。第四和第五章节主要是赛车主要技术参数和结论，就车模制作过程整体情况和技术指标做简要说明，以及存在的问题和改进方法。第二章 系统硬件设计硬件设计是整个系统的基础，只有搭建好了稳定可靠的硬件环境，才能为后续的软件提供帮助，同时硬件设计也能为软件算法提供一种补偿作用，所以说好的硬
7、件设计是系统最初设计的关键。2.1、蓝宙TSL1401 线性CCD环境光影响问题试验表明TSL1401 线性CCD 的输出信号和环境光线密切相关，在自然光条件比晚上灯光下AO 引脚输出电压值高出很多，正对着光线比背着光线输出电压高，白炽灯光下比日光灯下输出电压高。因此，同一参数（曝光时间、镜头光圈）难以适应各种环境，在光线较弱环境下的参数在强光下会出现输出饱和，在较强光线下调节好的参数在弱光下输出电压过低，甚至处于截止状态。在智能车应用中，白天自然光环境和晚上灯光环境、正对光和背光、不同的比赛场地之间都不能采用相同的曝光参数。与输出电压密切相关的参数是曝光量，曝光量取决于CCD模块所采用的镜头
8、光圈大小和程序所控制的曝光时间。智能车为适应各种运行环境，必须实时感知环境，并根据环境闭环调节曝光量，使得在不同环境中曝光量都处于一个合理的范围，这样才能保证在不同环境中CCD输出电压在合理范围，以利于算法提取黑线信息。镜头相关参数一旦选定在智能车运行难以改变，曝光时间比较容易通过程序控制，因此比较容易实现的调整曝光量方法是通过软件调整曝光时间。曝光时间调整方法见“曝光时间自适应策略”一章。输出信号放大根据上一章所述，可以通过调整曝光时间来适应各种环境，在弱光环境增大曝光时间，在强光下减小曝光时间。但是曝光时间不能无限增大的，因为增大曝光时间势必降低采样率（每秒采样次数）采样率低控制周期就长，
9、智能车反应就慢。根据历届摄像头车参赛经验，1米的前瞻，3.5m/s 的速度情况下，控制周期不得高于20ms（采样率不得低于50Hz），否则智能车转向机构反应再快也无法很好跟随赛道而冲出赛道。控制周期不高于20ms就意味着曝光时间不能超过20ms。试验时，我们将TSL1401线性CCD曝光时间调整到20ms（采用周期20ms），分别在强光、弱光、灯光不同环境进行采用，采样数据表明环境光线较弱时CCD输出信号较低，以致赛道黑线信息不够明显，晚上日光灯环境下输出信号电压值更低，几乎接近0，根本无法辨别赛道信息！由于智能车制作和调试很大部分时间都是在晚上，因此必须在不降低采样率的情况下，增大晚上弱光环
10、境下线性CCD的输出电压。要增大输出电压，简单有效的方法就是放大输出信号，我们可以采用运放来放大AO 输出信号。蓝宙电子实践表明增大运放能非常有效的解决弱光时输出电压低问题，在晚上环境同样能达到50Hz 的采样率，这是无运放的线性CCD 无法达到的。为了能保证输出电压在合理范围（不饱和、不截止、能分辨赛道黑线），需要根据选定的镜头确定运放放大倍数。以下是蓝宙电子线性CCD模块（镜头为无畸变镜头）中的运放电路图：其中运放放大倍数A = 1+R5/R4，此电路中A = 11，也就是对TSL1401 的AO信号进行11倍放大。由于增加了运放，白天环境下的采样率可以调节到更高，甚至可以达到100Hz。
11、增加了运放也会带来一个问题，就是在全黑的环境（例如盖上镜头盖）下线性CCD的输出已经不再接近0V，这里我们称全黑的环境对应的电压为暗电压，蓝宙电子设计的CCD 模块暗电压是1V 左右。其实暗电压完全不影响上层软件提取赛道黑线，我们可以把这个暗电压当做信号中的直流分量，将采集的每个像素点的电压减去暗电压就可以了，该方法已经验证可行，读者也可以实践。曝光时间自适应策略如果竞赛环境各个方向的光线均匀一致，我们可以在赛车出发前根据环境光线调节一个合理的曝光时间，以得到合理的输出，这样赛车就能采用一个固定的曝光时间跑完全程。但是这是最理想的情况，实际比赛环境远没有假设的这么理想，实际比赛场馆会有窗户，赛
12、道顶上也可能有灯，因此赛车的前进方向正对窗户和背对窗户不能采用同一曝光参数，电灯下和里灯较远处也不能采用相同曝光参数。换句话说要想赛车完整跑完全程需要适时地、动态的调整曝光参数。以下就蓝宙电子研究的曝光时间自适应策略跟大家做一个介绍，策略示意图如下： 线性 CCD 模块的曝光时间，反馈是线性CCD 感应到的曝光量。调节的目标是设定曝光量。控制器的工作原理是将设定的曝光量减去实际曝光量，差值即为曝光量的偏差e，曝光量调节器用Kp 乘以e 再加上上次的曝光时间作为新的曝光时间进行曝光，曝光时间调整后直接影响实际反馈的曝光量。如此反复进行调节就能达到适应环境光的目的。需要大家注意的是实际曝光量并不是
13、某一个像素的曝光量，因为单个像素是无法反应环境光强度的，实际曝光量应该是一段时间和一定像素点强度的函数。蓝宙电子的做法是取一次采集到的128个像素电压的平均值作为曝光量当量，设定的曝光量也就是设定的128像素点平均电压。采用该策略后线性CCD采集到电压值在正常的智能车运行环境中都能保持在合理范围内。2.2加速度计和陀螺仪2.2.1加速度计加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。竞赛规则规定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器。该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻。由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发
14、生变化，从而改变了两个电容的参数。通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化，形成了与加速度成正比的电压输出。MMA7260是一款三轴低g半导体加速度计，可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号。通过设置可以使得MMA7260各轴信号最大输出灵敏度为800mV/g ，这个信号无需要在进行放大，直接可以送到单片机进行 AD转换。图2-6 MMA7260 三轴加速度传感器只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比如使用Z 轴方向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在 Z 轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度 g 便会在Z 轴方向形成加速度分量，
15、从而引起该轴输出电压变化。变化的规律为：式中，g为重力加速度，为车模倾角；为加速度传感器灵敏度系数系数。当倾角比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比，。似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车模的倾角，车模运动产生的加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动，为了减少运动引起的干扰，加速度传感器安装的高度越低越好。2.2.2陀螺仪陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。竞赛允许选用村田公司出品的ENC-03 系列的加速度传感器。它
16、利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。图2-7 陀螺仪官方参考电路在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响，因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。2.3速度传感器为了使得智能车能够平稳地沿赛道导引线运行，需要比较精确地控制车速，使智能车在急转弯时不会由于速度过快而冲出跑道。根
17、据自动控制原理可以知道闭环的系统一般比较稳定，通过一定的方法实时测量智能车的速度，从而形成闭环控制，使得智能车更加准确的运行。一般可以采用以下几种测速方法：方案一：霍尔传感器测速。在后轮的轴附近安装一个霍尔传感器，相对应的再在轴上安装多个小型永磁铁，根据霍尔传感器特点，用一个上拉电阻将其接至5V，随着后轮的转动就会形成多个脉冲信号。根据单位时间内的脉冲数量据可以测得当前车速。方案二：反射式光电管测速。在后轮的轴上安装一个黑白相间的光码盘，然后通过一侧安装的反射式光电管读取光码盘转动的脉冲。方案三：投射式光电管测速。采用具有齿槽结构的圆盘固定的后轴上，采用直射式红外光传感器读取齿槽圆盘的转动脉冲
18、。方案三：光电编码器测速。光电编码器可以分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式光电编码器可以输出正比于转速的脉冲，记录单位时间内的脉冲数就可以间接测取实时速度。鉴于光电编码器安装简单，输出信号比较规整，所以我们采用方案三。速度传感器用于感知车模本身的行驶速度，是速度闭环控制的一个必须环节。电磁车使用光电编码器作为速度传感器，安装在车尾与传动齿轮啮合，使用与电机相同齿数的齿轮，相当于直接测得电机的转速。光电编码器测量精度为300P/R，有AB两相输出，相位差9045，信号波形为方波。图2-8光电编码器2.4主板电路设计主板电路是整个系统的硬件核心，只有正确合理的规划设计，才能高效地完成设
19、计。2.4.1微控制器（MCU）整个系统的核心控制采用Freescale的XS128型号16位单片机,5V电压供电。单片机内部资源： ColdFire V232位内核；主频80MHz；片内512K Flash ROM； 片内64K SRAM；一个快速以太网控制器模块（FEC），可用于以太网应用；一个USB On-The-Go (USBOTG)，可作为USB主机或设备;一个灵活的CAN总线模块（FlexCAN）；3个异步串口模块（UART）； 2个IIC模块（I2C）；队列型SPI模块（QSPI）；8通道12位模拟数字转换（ADC）；4通道直接存取访问模块（4 channel DMA）；4个32
20、位支持DMA的输入捕获/输出比较定时器(DTIM)；4通道通用定时器，可以配置成输入捕获，输出比较，脉冲宽度调制（PWM），脉冲编码器（PCM），脉冲计数器；8通道/4通道，8位/16位脉冲调制模块（PWM）；2个16位周期中断定时器（PIT）； 实时时钟模块（RTC）；可编程的软件看门狗模块；57个外设中断源内部集成锁相环，可将外部8M晶振时钟倍频到80M系统时钟；BDM或JTAG调试方式。 图2-10实际效果图2.4.2电源电路由于采用7.2V的电池供电，而受到单片机所需的正常工作电压是3.3V,，所以必须采用降压电路，从电池的7.2V稳压到5V和3.3V。我们最后采用了AS2850芯片，
21、它具有低压差工作特性，相比一般的稳压芯片而言，它所需的工作压差很小，这对于我们的应用情景十分有用。最后采用的电路图如下：图2-11 主板电源电路2.4.3外围接口部分主板上的接口主要包括传感器、电机、编码器、薄码开关、无线模块、LCD模块等外设接口。这些接口的设计能方便整体的系统规划和设 2.5驱动电路设计常用的电机驱动方案有采用独立MOS管，或者集成的电机驱动芯片来实现BTS7960B是NovalithIC家族三个独立的芯片的一部分:一是p型通道的高电位场效应晶体管，二是一个n型通道的低电位场效应晶体管，结合一个驱动晶片,形成一个完全整合的高电流半桥。所有三个芯片是安装在一个共同的引线框,利
22、用芯片对芯片和芯片芯片技术。电源开关应用垂直场效应管技术来确保最佳的阻态。由于p型通道的高电位开关，需要一个电荷泵消除电磁干扰。通过驱动集成技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上。BTS7960B可结合其他的BTS7960B形成全桥和三相驱动结构。 图2-13 驱动原理图第三章 系统机械设计良好的车模机械设计与制作，对于车模稳定运行、安全调试都非常重要。所以我们对车体进行了精心改造，为后期调试做好准备！3.1 车体改造固定车模底盘与后轮支架原有车模为了减轻后轮振动对于车体的影响，后轮的支架与底盘之间采用了活动连接方
23、式。但是，为了保证车模直立车体稳定性，需要将原有车模地盘与后轮支架固定在一起。我们采用PCB板配合热溶胶固定车体，这样便于直立控制。图4-2 车模底盘与后轮固定3.2 加固电机引线C车模的后轮电机引线管脚非常单薄，多次晃动之后极易从根部折断，造成电机无法使用。增加一个电机转接板，将电机的引线先焊接的转接板上，然后将转接板固定在电机支架或者车模地板上，这样拆卸相关的电路板时则不会造成电机引线的折断。图 4-3 加固电机引线3.3 传感器安装车模中的传感器包括有：速度传感器，车模姿态传感器（陀螺仪、加速度计），以及光电平衡传感器TSL1401。3.4 速度传感器安装我们采用光电编码器，由于C模车留
24、有固定的孔眼，所以安装轴编码器很方便。图 4-4 编码器安装第四章 赛车主要技术参数 改造后智能车的主要技术参数如表所示：项目参数路径检测方法（赛题组）光电平衡组车模几何尺寸（宽）（毫米）240车模平均电流（匀速行驶）(毫安)5000电路电容总量（微法）1200传感器种类及个数TSL1401*2，加速度计*1，陀螺仪*1，编码器*2赛道信息检测空间精度（毫米）10赛道信息检测频率（次/秒）200主要集成电路种类/数量4/5车模重量（带有电池）（千克）1.2第五章 结论本文主要的写作思路是由硬件到软件，由分析到结果，由现象到本质。通过借助于上位机软件对各项指标数据进行分析研究。首先，着重分析传感
25、器的设计，因为对于电磁组，赛道信息的检测至关重要，我们抛弃了传统的三极管电路，采用了最新运放检测赛道下的交流信号，非常好地完成了任务。为了更好的控制车模，我们对车体进行的改造，将车体的重心降得很低；为了提高电路的可靠性，我们将驱动，最小系统等做到了一张PCB上，增强了系统的抗扰性和可靠性。直立车模控制最重要就是如何将角度控制、速度控制和方向控制综合起来，采用PID算法来控制两电机，实现车模直立循迹。目前，软件算法还存在一定的瑕疵，还没有达到我们理想的目标，有待改进。参考文献1 竞赛秘书处.第八届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛电磁组直立行车参考设计方案.http:/ 2 竞赛秘书处. 第八
26、届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛竞速比赛规则与赛场纪律. 2011-11-01.3 竞赛秘书处.第八届全国大学生“飞思卡尔” 光电平衡组直立车模参数整定与调试指南手. 4 竞赛秘书处.第八届全国大学生“飞思卡尔”光电平衡组20kHz电源设计参考方案. 5 竞赛秘书处.第八届全国大学生“飞思卡尔”光电平衡组DSC F8013开发工程文件. 6 竞赛秘书处.第八届全国大学生“飞思卡尔”光电平衡组制定比赛控制策略. 7 张昊飏,马旭,卓晴.基于光电平衡的寻线智能车设计.EB/OL. article/99721.htm,2009-11-10.8李仕伯,马旭,卓晴.光电平衡的寻线小车传感器布局研究.EB/OL. article/101038.htm,2009-12-10.9卓晴,黄开胜,邵贝贝.学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯M.北京:北京航空航天大学出版社,2007.3-5.10Richard C Dorf,Robert H Bishop.Modern ConTrol SystemsM.Reading,Massachusetts: Addison Wesley Longman Inc., 1998.366-368.11刘明俊,杨壮志,张拥军,郭鸿武.计算机控制原理与技术M.长沙:国防科技大学出版社.1999.87-94.附录附录 整车效果图
