東北林業(yè)大學(xué)基于ARM處理器的電磁導(dǎo)航智能車設(shè)計

1、第八屆“飛思卡爾”全國大學(xué)生杯智能汽車競賽技 術(shù) 報 告 基于arm處理器的電磁導(dǎo)航智能車設(shè)計學(xué) 校：東北林業(yè)大學(xué)隊伍名稱：和諧號參賽隊員：楊玉龍史佳俊潘國華帶隊教師：白雪冰王 琢關(guān)于技術(shù)報告和研究論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解第七屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽關(guān)保留、使用技術(shù)報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計方案、技術(shù)報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名： 帶隊教師簽名： 日 期： 目 錄第一章 引 言 . 1 1.1 概述 . 1 1.2

2、 各章主要內(nèi)簡介.1 第二章 系統(tǒng)設(shè)計 . 3 2.1 系統(tǒng)方案介紹 . 3 2.2 智能車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) . 3 2.2.1 中央處理單元 . 4 2.2.2 電源模塊 . 4 2.2.3 電磁檢測模塊 . 4 2.2.4 速度檢測模塊 . 4 2.2.5 電機驅(qū)動模塊 . 4 第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 4 3.1 智能車參數(shù)要求 . 4 3.2 前輪 . 5 3.2.1 主銷后傾 . 5 3.2.2 主銷內(nèi)傾. 6 3.2.3 前輪前束. 6 3.3 差速調(diào)整 . 7 3.4 車身布局 . 8 3.4.1 前瞻的安放.83.4.2 重心調(diào)整.83.4.3 底盤高度調(diào)整.93.5 舵機的安放及

3、力臂的選擇 . 93.6 其他調(diào)整. . .9第四章 智能車硬件系統(tǒng) . 10 4.1 單片機最小系統(tǒng) . . 10 4.2 電源管理模塊 . . 10 4.3 電機驅(qū)動模塊 . . 124.4 傳感器模塊 . . 13 4.5 速度檢測模塊 . 16 4.6 起跑線檢測 . . 18 4.7 藍牙模塊 . 19 4.8 小車底板設(shè)計 . 20 第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 . 21 5.1 軟件開發(fā)平臺 . 22 5.2 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計 . 22 5.3 智能車控制系統(tǒng)總體方案 . . 245.4 各功能初始化 . . 245.4.1 初始化串口 . 245.4.2 ad初始化 . 24 5.4.

4、3 撥碼開關(guān)初始化 . 24 5.4.4 控制舵機的pwm . 27 5.4.5 dma編碼器的初始化 . 27 5.5 路徑識別模塊的軟件設(shè)計 . 30 5.6 智能車速度控制算法 . . . . . 32 第六章 智能車技術(shù)參數(shù) . 32 第七章 總 結(jié) . 33參 考 文 獻. 34 附錄a: 智能車電路原理圖 . 35附錄b: 智能車源代碼 . 36第一章 引言1.1 概述 飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能車競賽是為了加強大學(xué)生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)，促進高等教育教學(xué)改革，由教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦全國大學(xué)生智能汽車競賽。該競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求

5、卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進高等學(xué)校素質(zhì)教育，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該賽事是以智能自循跡小車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是由飛思卡爾半導(dǎo)體公司贊助的面向全國大學(xué)生的一種具有探索性的工程實踐活動，其根本宗旨在于促進高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團隊協(xié)作的人文精神。 飛思卡爾杯全國大學(xué)生杯智能汽車競賽是國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項目，以飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位單片機為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、電機驅(qū)動電路以及編寫相應(yīng)程序，制作一個能夠自主識別道路的汽車模

6、型。因而該競賽是涵蓋了智能控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學(xué)科的比賽，對學(xué)生的知識融合和實踐能力的提高，具有良好的推動作用。 本組采用第七屆飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能車競賽的汽車模型作為研究平臺，以32位單片機mk60dn512zvlq10作為主控制單元，運用iar軟件作為開發(fā)工具進行智能控制策略研究。道路信息檢測模塊普遍采用工字型電感 ，該傳感器在工作穩(wěn)定性、分辨率、價格等方面均比較優(yōu)秀，基于研究需要，經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計采用電感傳感器采集道路信息，經(jīng)過后續(xù)處理，完成對賽道信號檢測并以此來控制車子的轉(zhuǎn)向和行駛速度。關(guān)于軟件，我們采用魯棒性較強的pid控制算法來作為車

7、子的主導(dǎo)控制。為滿足智能車在高速與急轉(zhuǎn)等惡劣情況下的動力性能和穩(wěn)定性能，我們參考了前幾屆的隊伍參賽經(jīng)驗，經(jīng)過深思熟慮對整車經(jīng)行了合理的重心與電路等的布局。1.2 各章主要內(nèi)容簡介 本文作為我們小組近一年的做車經(jīng)歷和經(jīng)驗的總結(jié)，主要從硬件電路設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件設(shè)計制作過程等方面介紹了制作本智能模型車的各項關(guān)鍵技術(shù)，以供組委會老師審閱及以后的參賽隊員參考，其概要內(nèi)容如下：第一章 引言：主要介紹了該項比賽的背景、發(fā)展歷程、以及本隊的開發(fā)及控制策。第二章 系統(tǒng)設(shè)計：總體介紹了整個智能車系統(tǒng)各模塊；第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及調(diào)整：詳細介紹了本智能車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)校； 第四章 智能車硬件系統(tǒng)：分模塊詳

8、細介紹了小車硬件電路設(shè)計與制作； 第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計：詳細介紹了智能小車軟件設(shè)計及算法實現(xiàn)； 第六章 智能車技術(shù)參數(shù)：智能車主要技術(shù)參數(shù)說明； 第七章 總結(jié)：主要說明一下我們在設(shè)計過程中遇到的問題和解決辦法，以及還存在的問題； 附錄a:智能車電路原理圖附錄b:智能車源代碼第二章 系統(tǒng)設(shè)計2.1 系統(tǒng)方案介紹 本智能車系統(tǒng)采用“飛思卡爾”32 位單片機mk60dn512zvlq10 作為核心控制單元， 由安裝在智能車前部的電磁傳感器獲得賽道空間磁場信息并傳到核心控制單元單片機中，由智能車“大腦”接收并處理從傳感器傳回的信息，pwm 模塊產(chǎn)生相應(yīng)的pwm 波，通過輸出不同占空比控制智能車的轉(zhuǎn)向舵

9、機與直流電機，以實現(xiàn)控制智能車按照規(guī)定在賽道上行駛。 為了使智能車能夠更加快速穩(wěn)定的行駛， k60單片機必須把對賽道路徑的判斷、轉(zhuǎn)向舵機的角度控制以及對直流電機的控制緊密的聯(lián)系在一起。不論是某一路采集信號的誤判還是單片機對轉(zhuǎn)向舵機控制的失當，都會引起智能車在行駛過程中產(chǎn)生抖動甚至偏離賽道。所以，對智能車總系統(tǒng)設(shè)計的合理性和科學(xué)性就顯得尤為重要。2.2 智能車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 智能車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2.2.1 所示： 圖2.2.12.2.1 中央處理單元 本智能車系統(tǒng)采用freescale 單片機mk60dn512zvlq10作為核心控制芯片，對采集的信號進行分析和處理，再根據(jù)信號對直流電機和轉(zhuǎn)向舵

10、機進行有效控制。mk60dn512zvlq10單片機cpu 屬于增強型32 位cpu，片內(nèi)總線時鐘最高200 mhz，ieee1588以太網(wǎng)，全速和高速usb2.0on-the-go帶設(shè)備充電探測，硬件加密和防竄改探測能力。豐富的模擬、通信、定時和控制外設(shè)從100lqfp封裝256kb閃存開始可擴展到256mapbga1mb閃存。大閃存的k60系列器件還可提供可選的單精度浮點單元、nand閃存控制器和dram控制器。快速，高精度16位adc、12位dac、可編程增益放大器、高速比較器和內(nèi)部參考電壓。2.2.2 電源模塊 為各個電路模塊提供穩(wěn)定電源，保證各模塊正常工作。 2.2.3 電磁檢測模塊

11、 完成對賽道中心導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場進行檢測，判斷道路信息，通過連接線把信息傳送給中央控制單元分析、處理，使智能車沿著跑道軌跡穩(wěn)定運行。2.2.4 速度檢測模塊 對模型車的速度進行檢測，實現(xiàn)閉環(huán)控制，以便調(diào)整彎道和直道的速度，從而提高平均速度，使小車更快跑完全程。 2.2.5 電機驅(qū)動模塊 對模型車上的電機進行驅(qū)動，控制賽車的速度。第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及調(diào)整3.1智能車參數(shù)要求1、車模使用a型車模。車模運行方向為：轉(zhuǎn)向輪在前，動力輪在后；2、參加電磁賽題組不允許使用光學(xué)傳感器獲得道路的光學(xué)信息，但是可以使用光電碼盤測量車速；3、車模中禁止改動的部件發(fā)生損壞，需要使用相同型號的部件替換；4、車模改裝完

12、畢后，車模尺寸寬度不超過250mm，長度沒有限制；5、禁止改動車底盤結(jié)構(gòu)、輪距、輪徑及輪胎；如有必要可以對于車模中的零部件進行適當刪減。3.2前輪3.2.1主銷后傾主銷的軸線相對于車輪的中心線向后傾斜的角度。前輪重心在主銷的軸線上由于主銷向后傾斜使前輪的重心不在車輪與地面的接觸點上，于是產(chǎn)生了離心力，主銷后傾形成的離心力，可以保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性還可以幫助車輪自動回正。主銷后傾角延長線離地面實際接觸越遠，車速越高，離心里就越大。主銷后傾角的作用：在中高速行駛中保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，適當?shù)募哟笾麂N后傾角可以幫助轉(zhuǎn)向輪自動回正，可有效扼制轉(zhuǎn)向器的擺振，可使轉(zhuǎn)向便輕，單獨適量調(diào)一側(cè)主銷后傾角

13、可修理行駛跑偏主銷后傾角靠離心力保證汽車直線行駛和車輪自動回正。實際中經(jīng)過實驗我們選擇原車設(shè)置。通過如圖3.2.1紅色圈中的黃色墊片調(diào)節(jié)。圖3.2.13.2.2主銷內(nèi)傾主銷內(nèi)傾是指主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動回正。角度越大前輪自動回正的作用就越強烈，但轉(zhuǎn)向時也越費力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱，因此這個主銷內(nèi)傾角都有一個范圍，約58之間。經(jīng)過不斷的實驗，本車采用大約5度的內(nèi)傾角。通過如圖3.2.2紅色圈內(nèi)螺絲調(diào)節(jié)。圖3.2.23.2.3前輪前束所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證

14、汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動時，其慣性力會自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當，輪胎滾動時的偏斜方向就會抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會減少。在實際調(diào)整中我們開始采用大約-3度的角度，但是發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎輕松但是轉(zhuǎn)彎后不容易回正。經(jīng)過不斷的改進最終選擇現(xiàn)在大約7的角度。通過如圖3.2.3紅色圈內(nèi)螺絲調(diào)節(jié)。 圖3.2.33.3差速調(diào)整飛思卡爾智能車使用的是滾珠差速器（如圖3.3），雖然差速效果不及行星輪差速器，但如果調(diào)整得好的話，足以滿足車模的需要。飛思卡爾車模的差速器的松緊程度可以通過后輪的緊固螺母來調(diào)節(jié)。最終差速的效果需要達到在加速時差速不會打滑，但是在轉(zhuǎn)向時兩輪能有不同的運動速度。圖3.33

15、.4車身布局3.4.1前瞻的安放為了能快速提前檢測到賽道信息我們需要盡量長的前瞻，但前瞻太長又使得車的重量增加不利于轉(zhuǎn)彎，同時也給前瞻的固定增加難度。最終經(jīng)過我們不斷的實驗與改進，選擇了碳纖維桿搭建前瞻傳感器支架，因為沒有長度要求，我們的前瞻長度大概為50厘米。此前瞻有點：1：機架簡單，質(zhì)量輕，強度大：2：可根據(jù)需要改變傳感器位置和高度，固定簡單牢固，減少了小車在行駛過程中的晃動，是檢測的數(shù)值更加穩(wěn)定。3：前瞻緊連車身，使轉(zhuǎn)彎很靈活，能夠很輕松轉(zhuǎn)彎并快速穩(wěn)定進入直道。4：拆卸更換方便，如果碳素桿不小心折斷能夠很快更換。3.4.2重心調(diào)整車身重心位置的前后調(diào)整，對智能車行駛性能有很大的影響。按照

16、車輛運動學(xué)理論，車身重心前移會增加轉(zhuǎn)向，但會降低轉(zhuǎn)向的靈敏度，同時降低后輪的抓地力；重心后移會減少轉(zhuǎn)向，但會增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會增加。因而調(diào)整合適的車體重心，讓智能車更加適應(yīng)跑道是很關(guān)鍵的。根據(jù)實際調(diào)試經(jīng)驗，鑒于當前舵機響應(yīng)遲緩，因此，需要將車的中心前移，增加轉(zhuǎn)向性能。 小車的布局以精簡、可靠、穩(wěn)定為前提。電路板盡量貼近車底盤，并與電池、舵機盡量集中在地盤中心。最終小車重心實現(xiàn)重心集中并稍有靠前。使得前輪有很好的抓地力的同時轉(zhuǎn)彎也相對輕盈。車身總體如圖3.4。圖3.4小車整體圖3.4.3底盤高度調(diào)整飛思卡爾a車模前輪與后輪的懸架的高度均可調(diào)。前輪是通過改變墊圈的個數(shù)來調(diào)節(jié)。后輪是通過

17、安裝不同高度的支架來調(diào)節(jié)。為了是小車轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定，車的底盤需要盡量的低，但是考慮到需要過障礙，我們將車的底盤高度調(diào)整到了大約1厘米。3.5舵機的安放及力臂的選擇舵機安裝直接影響到轉(zhuǎn)向問題。如果舵機調(diào)整不到位，將很大程度上限制轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向靈敏度。車模原始舵機被安放在了車模中心，為了空間的合理利用，我們把舵機轉(zhuǎn)移到了兩前輪之間，為小車主板留出了一定的空間。為了能完全固定舵機，我們自制了l型鋁片并使用銅柱。如圖3.5。舵機力臂對舵機轉(zhuǎn)向有很大影響，舵機力臂太短會使舵機打角增加，這樣就增加了舵機的響應(yīng)時間；舵機力臂太長會使轉(zhuǎn)彎力矩增加，可能造成舵機轉(zhuǎn)彎沒力甚至燒壞舵機。在不斷的實驗中我們選擇了合適的舵機

18、力臂，并對舵機采用直立式。最終是舵機轉(zhuǎn)彎靈活、輕盈。圖3.5舵機的安放3.6其他調(diào)整底盤上為了安放電路板、舵機等會有打孔，甚至對于有些影響安放的地方會打磨掉。為了減輕重量，部分螺釘、螺母是使用塑料的。本車輪胎使用橡膠填充海綿形式，摩擦力是不錯的，所以對于輪胎沒有大的改動，只是在跑的過程發(fā)現(xiàn)輪胎軟了后性能會更好，所以新輪胎會簡單進行打磨。第四章 智能車硬件系統(tǒng)4.1 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)為本智能車系統(tǒng)的核心。為了穩(wěn)定和可重復(fù)使用，易于更換，我們購買了單片機最小系統(tǒng)板。這個最小系統(tǒng)板引出了幾乎所有功能引腳，板上自帶晶振電路、復(fù)位電路、單片機電源電路，指示燈。電路圖如圖4.1.1 所示。圖

19、4.1.1 單片機最小系統(tǒng)原理圖4.2 電源管理模塊 電源模塊相當于有缸內(nèi)的燃油，給整個系統(tǒng)提供電能，而供電的穩(wěn)定直接關(guān)系到整個小車的穩(wěn)定運行。 比賽要求智能車供電電源只能使用指定型號的7.2v 2000mah ni-cd 電池供電。而系統(tǒng)單片機需要3.3 電源，電機驅(qū)動需要7.2v 電池供電，檢測電路需要5v 電源，數(shù)字舵機需要6v電源。對于單片機電源我們用的是低壓差穩(wěn)壓器tps7350穩(wěn)壓到5v，其特點是其輸出電壓精度高（20）；輸出噪聲低（2a）；壓差低，在輸出為100ma時，最大壓差為35mv；靜態(tài)電流小，典型值為340a（與負載電流大小有關(guān)）；有關(guān)閉電源控制端，在關(guān)閉電源狀態(tài)時，耗電

20、僅為0.5a；內(nèi)部有監(jiān)視輸出電壓電路，降到門限電壓時，reset端輸出低電平復(fù)位信號（當輸入電壓上升時，使輸出電壓上升到門限電壓時，有200ms的延遲后，輸出正常電壓）；內(nèi)部有過流限制及過熱保護。再用11173.3v穩(wěn)壓到3.3v為整個單片機系統(tǒng)提供電源。如圖4.2.1所示。圖4.2.1單片機電源原理圖檢測電路是整個系統(tǒng)的眼睛，檢測電路的的電源也是要做的穩(wěn)定才不至于有大紋波信號干擾，才能使檢測得到的信號更準確，基于此相比其他的穩(wěn)壓元件來說tps7350更有優(yōu)勢。舵機所用電源是6v，用tps7350穩(wěn)壓，再用兩個二極管抬升對地電壓，把輸出電壓控制在5.5v6.5v之間，其電路簡單，且控制舵機更加

21、靈敏。如圖4.2.2所示。圖4.2.2舵機電源原理圖對于液晶、無線模塊、蜂鳴器等其他一些外圍電路只需用一片lm2940足以。如圖如圖4.2.3所示。圖4.2.34.3 電機驅(qū)動模塊 起初的驅(qū)動芯片我們沿用了英飛凌公司的大電流電機驅(qū)動半橋芯片bts7970。輸出最大電流68a，內(nèi)部帶有一個p 溝道的高邊mosfet、一個n 溝道的低邊mosfet和一個驅(qū)動ic。bts7970 通態(tài)電阻典型值為16m。p 溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求, 因而減小了emi(electro magnetic interference)。集成的驅(qū)動ic 具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生和過溫、過壓、

22、欠壓、過流及短路保護的功能。 但在使用中，發(fā)現(xiàn)bts7970應(yīng)對a型車電機發(fā)熱嚴重，而且驅(qū)動力不足，電池電壓到了7.5v就相當于沒電了，我們采取了直接并聯(lián)多片，或者更改電機的控制頻率，效果都不是很好，最后，我們選用了導(dǎo)通內(nèi)阻更小，輸出電流更大的mos管來搭建h橋驅(qū)動電路。其電路圖如圖4.3.1所示。圖4.3.1 mos管h橋電路4.4 傳感器模塊 穩(wěn)定的電磁傳感器是小車穩(wěn)定運行的前提。起初用的lm358，在做測試時，當小車速度很快轉(zhuǎn)過一個彎道時，其轉(zhuǎn)換速率不夠，出現(xiàn)丟值現(xiàn)象。其特性如圖4.4.1所示。圖4.4.1為了提高轉(zhuǎn)換速率，我們選擇了性能更好、參數(shù)更優(yōu)的高速運放ne5532。ne5532

23、應(yīng)用在無數(shù)優(yōu)秀的前級放大調(diào)音電路之中。其具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當高的小信號與電源帶寬。其特性如圖4.4.2所示。但其需要雙電源來維持供電，這樣對于設(shè)計pcb電路板時需要更多空間，而且還需設(shè)計雙電源，元件多而且復(fù)雜。圖4.4.2基于以上的因素，我們選用了tlc2274，其特性如圖4.4.3所示，單電源供電，4運放，低功耗器件，其轉(zhuǎn)換速率足以滿足需求。圖4.4.3基于選用的tlc2274運放，設(shè)計電路如圖4.4.4所示，對于12的采樣精度，小車靜止時采樣數(shù)據(jù)數(shù)值上下波動-15+15之間，且設(shè)計電路簡單，總以滿足采樣需要。圖4.4.4 傳感器原理圖4.5 速度檢測模塊 速度檢測模

24、塊是為了反饋小車當前速度，形成閉環(huán)，獲知小車當前狀態(tài)并決定控制策略的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)經(jīng)驗，我們直接選用了歐姆龍e6a2-cw3c型500線編單片機最小系統(tǒng)為本智能車系統(tǒng)的核心。為了穩(wěn)定和可重復(fù)使用，易于更換，我們購買了單片機最小系統(tǒng)板。這個最小系統(tǒng)板引出了幾乎所有功能引腳，板上自帶晶振電路、復(fù)位電路、單片機電源電路，指示燈。電路圖如圖4.1.1 所示。電源模塊相當于有缸內(nèi)的燃油，給整個系統(tǒng)提供電能，而供電的穩(wěn)定直接關(guān)系到整個小車的穩(wěn)定運行。 比賽要求智能車供電電源只能使用指定型號的7.2v 2000mah ni-cd 電池供電。而系統(tǒng)單片機需要3.3 電源，電機驅(qū)動需要7.2v 電池供電，檢測電

25、路需要5v 電源，數(shù)字舵機需要6v電源。對于單片機電源我們用的是低壓差穩(wěn)壓器tps7350穩(wěn)壓到5v，其特點是其輸出電壓精度高（20）；輸出噪聲低（2a）；壓差低，在輸出為100ma時，最大壓差為35mv；靜態(tài)電流小，典型值為340a（與負載電流大小有關(guān)）；有關(guān)閉電源控制端，在關(guān)閉電源狀態(tài)時，耗電僅為0.5a；內(nèi)部有監(jiān)視輸出電壓電路，降到門限電壓時，reset端輸出低電平復(fù)位信號（當輸入電壓上升時，使輸出電壓上升到門限電壓時，有200ms的延遲后，輸出正常電壓）；內(nèi)部有過流限制及過熱保護。再用11173.3v穩(wěn)壓到3.3v為整個單片機系統(tǒng)提供電源。如圖4.2.1所示。檢測電路是整個系統(tǒng)的眼睛，

26、檢測電路的的電源也是要做的穩(wěn)定才不至于有大紋波信號干擾，才能使檢測得到的信號更準確，基于此相比其他的穩(wěn)壓元件來說tps7350更有優(yōu)勢。舵機所用電源是6v，用tps7350穩(wěn)壓，再用兩個二極管抬升對地電壓，把輸出電壓控制在5.5v6.5v之間，其電路簡單，且控制舵機更加靈敏。如圖4.2.2所示。對于液晶、無線模塊、蜂鳴器等其他一些外圍電路只需用一片lm2940足以。如圖如圖4.2.3所示。起初的驅(qū)動芯片我們沿用了英飛凌公司的大電流電機驅(qū)動半橋芯片bts7970。輸出最大電流68a，內(nèi)部帶有一個p 溝道的高邊mosfet、一個n 溝道的低邊mosfet和一個驅(qū)動ic。bts7970 通態(tài)電阻典型

27、值為16m。p 溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求, 因而減小了emi(electro magnetic interference)。集成的驅(qū)動ic 具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能。 但在使用中，發(fā)現(xiàn)bts7970應(yīng)對a型車電機發(fā)熱嚴重，而且驅(qū)動力不足，電池電壓到了7.5v就相當于沒電了，我們采取了直接并聯(lián)多片，或者更改電機的控制頻率，效果都不是很好，最后，我們選用了導(dǎo)通內(nèi)阻更小，輸出電流更大的mos管來搭建h橋驅(qū)動電路。其電路圖如圖4.3.1所示。穩(wěn)定的電磁傳感器是小車穩(wěn)定運行的前提。起初用的lm358，在做測試時，當小車速度很快轉(zhuǎn)過一

28、個彎道時，其轉(zhuǎn)換速率不夠，出現(xiàn)丟值現(xiàn)象。其特性如圖4.4.1所示。為了提高轉(zhuǎn)換速率，我們選擇了性能更好、參數(shù)更優(yōu)的高速運放ne5532。ne5532應(yīng)用在無數(shù)優(yōu)秀的前級放大調(diào)音電路之中。其具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當高的小信號與電源帶寬。其特性如圖4.4.2所示。但其需要雙電源來維持供電，這樣對于設(shè)計pcb電路板時需要更多空間，而且還需設(shè)計雙電源，元件多而且復(fù)雜?；谝陨系囊蛩?，我們選用了tlc2274，其特性如圖4.4.3所示，單電源供電，4運放，低功耗器件，其轉(zhuǎn)換速率足以滿足需求?；谶x用的tlc2274運放，設(shè)計電路如圖4.4.4所示，對于12的采樣精度，小車靜止時采樣數(shù)

29、據(jù)數(shù)值上下波動-15+15之間，且設(shè)計電路簡單，總以滿足采樣需要。速度檢測模塊是為了反饋小車當前速度，形成閉環(huán)，獲知小車當前狀態(tài)并決定控制策碼器，其輸出脈沖穩(wěn)定，500線足以滿足精度要求，且其數(shù)字量輸出，可供單片機直接采集以獲得速度值。安裝圖如圖4.5.1所示。圖4.5.1編碼器安裝圖4.6 起跑線檢測 經(jīng)過測試，在滿足檢測空間距離的前提下，我們選擇了干簧管。干簧管是一種磁敏的特殊開關(guān)，它的兩個觸點由特殊的材料制成，被封裝在真空的玻璃管里， 只要用磁鐵接近它，磁場達到一定強度，干簧管兩個觸點就會吸和在一起，使電路導(dǎo)通。應(yīng)用此原理可以準確的檢測起跑線處的高強度磁場。但要注意的是當干簧管經(jīng)過磁鐵正

30、中央時，兩個簧片受力相同，出現(xiàn)干簧管不吸合的現(xiàn)象，即干簧管的盲區(qū)。而且干簧管在擺放時，偏有一定角度其檢測更靈敏，電路圖如圖4.6.1所示。圖4.6.1 干簧管檢測電路4.7 無線模塊和液晶調(diào)試過程中，無線模塊在小車沖出賽道時可以人為的讓小車及時停車，防止小車撞擊外界物體而損壞，起到保護作用。而且在賽道上有時有幾輛車再跑，稍有不慎就會發(fā)生撞車，為了防止撞車也可以用無線模塊控制其停車。但在比賽時不能使用無線設(shè)備。如圖4.7.1所示。圖4.7.1液晶在調(diào)試時的作用很大，可以通過視覺來觀看顯示的信息，更直觀更方便。我們所用的液晶是oled，小巧節(jié)省空間，易于控制。如圖4.7.2所示。圖4.7.24.8

31、 電路板設(shè)計前期的小車底板我們直接采用萬通板搭建，元件大空間利用率低，而且重心過高，導(dǎo)致速度提不上去，如圖4.8.1所示。圖4.8.1中期考慮pcb設(shè)計電路板，使電路板降低，落在車盤上，這樣重心有所降低，易于過連續(xù)彎道。如圖4.8.2所示。圖4.8.2后期的電路板設(shè)計更多的是配合車的整體機械在調(diào)整，使車底盤降低，重心前移，這樣在提速時不易出現(xiàn)甩尾，穩(wěn)定不易沖出賽道。如圖4.8.3所示。圖4.8.3第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計5.1 軟件開發(fā)平臺 此次智能車軟件開發(fā)環(huán)境采用了飛思卡爾mk60dn512zvlq10系列單片機開發(fā)軟件iar。該軟件具有支持多種語言、開發(fā)界面統(tǒng)一、交叉開發(fā)平臺以及支持插件工具

32、等特點。在界面完成編譯后，通過jlink工具，在iar環(huán)境下向mk60dn512zvlq10模塊下載程序。jlink工具使用簡單，十分方便且支持在線調(diào)試。k60 微控制器系列具有以下性能：ieee 1588 以太網(wǎng)，全速和高速 usb 2.0 on-the-go 帶設(shè)備充電探測，硬件加密和防竄改探測能力。豐富的模擬、通信、定時和控制外設(shè)從100 lqfp 封裝 256 kb 閃存開始可擴展到256 mapbga 1mb 閃存。 大閃存的 k60 系列器件還可提供可選的單精度浮點單元、nand 閃存控制器和dram 控制器。5.2 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計 在整個系統(tǒng)設(shè)計中，主要用到了單片機5個基本功能

33、模塊：pll模塊、pwm輸出模塊、ect模塊、pit模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊。通過配置寄存器先對所用到的模塊進行硬件初始化，并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器或狀態(tài)寄存器的讀寫，實現(xiàn)期望的功能。為實現(xiàn)期望的功能所需芯片資源如表5.2.1所示。表5.2.1 系統(tǒng)所用到的芯片資源ad模塊adc1, adc0電感ect模塊pit0, pit1定時器中斷pwm模塊ftm0, ch7舵機控制ftm1, ch0, ch1電機控制io 端口模塊 porta按鍵porteoled, 干簧管5.3 智能車控制系統(tǒng)總體方案道路檢測由電感傳感器完成。其中使用了mk60n512vmd100的ftm模塊。電機、舵機驅(qū)動和測速部分使用了單

34、片機的pwm 模塊，spi 模塊，外部中斷等。小車主程序框圖如圖5-1?？刂撇呗缘倪x擇對于小車的行駛性能是非常重要的。速度固然越快越好，但也要使小車能夠平穩(wěn)完成比賽。譬如，直道入彎道前速度需要減慢，以免沖出道路；而從彎入直時則應(yīng)讓小車加速，在直道上能夠以較高速度完成。 所以控制小車是要使小車在平穩(wěn)安全行駛的前提下，盡可能地以最快的速度和最短的路線行駛。為保證小車一直沿軌跡快速行駛，系統(tǒng)的主要控制對象是通過路徑識別單元的電感傳感器檢測小車相對軌跡的當前位置，控制小車的轉(zhuǎn)向和速度。小車相對軌跡黑線的三種典型位置如圖5-2 所示，根據(jù)檢測結(jié)果判斷小車與軌跡偏離的情況，如前方為直線軌跡，則控制舵機轉(zhuǎn)向

35、正中，同時控制驅(qū)動電機使其速度上升到最大速度；如檢測到前方為左彎曲線 (或右彎曲線)，則控制舵機使前輪向左（或向右）偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，同時根據(jù)車速檢測單元檢測的當前速度，控制電機使速度下降，當前速度越大，則下降速度越大，以免小車沖出道路。圖5-2 小車相對黑線的典型位置5.4 各模塊初始化init(); oled_init(); key_init();uart_init(uart5, 9600); /初始化串口，用來發(fā)送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)adc_init(adc1, se13); / 最右gpio_init(porta,13,gpi_up,high); /撥碼開關(guān)初始化gpio_init(porta,2,

36、gpi_up,high); /干簧管gpio_init(porte,2,gpo,low); /ledexti_init(porta,2,zero_up); /干簧管pit_init_ms(pit0,2); /總線頻率 2ms 定時器中斷*/gpio_init(porta,17,gpo,low); /燈porta17;ftm_pwm_init(ftm0, ch7, 100, 500); /控制舵機的pwmdma_count_init(dma_ch3, pta25 ,0x7fff,dma_rising); /dma 編碼器的初始化5.4.1 uart_init(uart5,9600); /初始化串

37、口，用來發(fā)送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) uart_c2_reg(uartxuratn) &= (uart_c2_te_mask | uart_c2_re_mask ); /計算波特率，串口0、1使用內(nèi)核時鐘，其它串口使用外設(shè)時鐘if (uratn = uart0) | (uratn = uart1) sysclk = core_clk_khz * 1000; /內(nèi)核時鐘 else sysclk = bus_clk_khz * 1000; /外設(shè)時鐘 /設(shè)置 uart 數(shù)據(jù)通訊波特率。通過設(shè)置 uart 模塊的波特率寄存器 sbr = (u16)(sysclk / (baud 8); uart_bdl_reg(u

38、artxuratn) = (u8)(sbr & uart_bdl_sbr_mask); /brfa = (sysclk*32)/(baud * 16) - (sbr * 32); brfa = (sysclk 5) / (baud 4) - (sbr 5); /* save off the current value of the uartx_c4 register except for the brfa field */ temp = uart_c4_reg(uartxuratn) & (uart_c4_brfa(0x1f); uart_c4_reg(uartxuratn) = temp |

39、 uart_c4_brfa(brfa); /* 允許發(fā)送和接收 */ uart_c2_reg(uartxuratn) |= (uart_c2_te_mask | uart_c2_re_mask );5.4.2 adc_init(adc1, se13) /ad初始化sim_scgc3 |= (sim_scgc3_adc1_mask ); sim_sopt7 &= (sim_sopt7_adc1alttrgen_mask | sim_sopt7_adc1pretrgsel_mask) ; sim_sopt7 = sim_sopt7_adc1trgsel(0);5.4.3 gpio_init(porta,13,gpi_up,high); /撥碼開關(guān)初始化assert( (n 32u) & (data 2u) ); /使用斷言檢查輸入、電平 是否為1bit/選擇功能腳 portx_pcrx ，每個端口都有個寄存器 portx_pcrx port_pcr_reg