第九屆-飛思卡爾-初步技術(shù)報(bào)告（江漢大學(xué)）

第一章引言1.1概述為了能夠進(jìn)一步提高大學(xué)生創(chuàng)新能力、豐富競(jìng)賽內(nèi)容、提高競(jìng)賽水平，全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽在競(jìng)速比賽基礎(chǔ)上設(shè)置了創(chuàng)意組競(jìng)賽，并成功舉辦了六屆。這是面向全國(guó)大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。該競(jìng)賽以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵(lì)探索、追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，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(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。需要特別說(shuō)明的是，為了提高創(chuàng)意組比賽的欣賞性和評(píng)判的客觀性，本屆創(chuàng)意比賽分為兩個(gè)賽題組，分別是特技組和指標(biāo)組。特技組注重參賽作品突破車模常規(guī)運(yùn)行的能力，體現(xiàn)參賽隊(duì)伍的想象力和創(chuàng)造力，以提高創(chuàng)意組的觀賞性。這讓創(chuàng)意組競(jìng)賽更加具有趣味性、挑戰(zhàn)性，更能激發(fā)大學(xué)生的好奇和冒險(xiǎn)精神，讓我們不斷挑戰(zhàn)自我，放飛想象。這篇技術(shù)報(bào)告將闡述我們隊(duì)的智能車的設(shè)計(jì)理念和思想，本著交流共享的原則，我們毫無(wú)保留的提供了所有的核心思想及算法理論，供大家交流使用。我們相信思想在交流中更能碰撞出火花，技術(shù)在分享中更能成長(zhǎng)進(jìn)步。希望我們的作品能夠激發(fā)起大家的創(chuàng)新欲望，做出更多更好的作品。1.2設(shè)計(jì)方案1.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)特技組競(jìng)賽規(guī)則，我們決定特技車系統(tǒng)采用競(jìng)速組比賽使用的C型車模，以飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微控制器K60作為核心控制器，在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。總體方案設(shè)計(jì)圖如下：電源模塊電源模塊K60核心控制系統(tǒng)NRF24L01無(wú)線K60核心控制系統(tǒng)NRF24L01無(wú)線超聲波模塊OV7725攝像頭舵機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)光電碼盤測(cè)速撥碼開(kāi)關(guān)無(wú)線串口OLED液晶按鍵距訊識(shí)別測(cè)速功能模塊特技車整體包括以下六大模塊：1.最小系統(tǒng)模塊2.攝像頭檢測(cè)模塊3.超聲波測(cè)距模塊4.無(wú)線通訊模塊5.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊6.電源模塊等，除此之外，系統(tǒng)還有一些外圍設(shè)備，例如光電編碼器測(cè)速模塊、舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向、12864液晶與按鍵調(diào)試、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車等。綜上所述，本智能車系統(tǒng)包含了以下幾個(gè)模塊：電源模塊，相當(dāng)于“心臟”，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適穩(wěn)定的電源。最小系統(tǒng)模塊，即“大腦”，將采集的信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服器對(duì)特技車完成控制。攝像頭模塊，即“一只眼睛”，通過(guò)一定的前瞻性，提前感知前方賽道信息，為特技車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間。超聲波模塊，特技車的“另一只眼睛”，通過(guò)對(duì)前方物體與自己的距離測(cè)量，讓“大腦”做出相應(yīng)的動(dòng)作。通訊模塊，即“嘴巴”，兩輛特技車之間的交流全靠無(wú)線通訊模塊。兩輛特技車通過(guò)“交流協(xié)商”，彼此配合完成特技動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)模塊，特技車的“四肢”，是完成特技動(dòng)作的動(dòng)力來(lái)源。舵機(jī)模塊，完成對(duì)智能車的轉(zhuǎn)向控制。測(cè)速模塊，檢測(cè)反饋智能車后輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。輔助調(diào)試模塊主要用于智能車系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車狀態(tài)監(jiān)控等方面。1.2.2特技方案小車循跡特技車是在檢測(cè)賽道中間單黑線的基礎(chǔ)上，通過(guò)OV7725攝像頭采集圖像的硬件二值化功能將采集到的賽道信息傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)處理信息，控制舵機(jī)打角實(shí)現(xiàn)對(duì)特技車的方向控制，進(jìn)而達(dá)到小車循跡的目的。小車漂移我們采用的C型車模是后輪雙驅(qū)。漂移產(chǎn)生的原理是：功率足夠的后輪驅(qū)動(dòng)車在速度不是很高時(shí)突然加速并且打角就可以產(chǎn)生漂移。結(jié)合Freescale給定的C型車模，我們可以知道通過(guò)利用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車，使兩個(gè)后輪之間形成一定的差速就可以讓它產(chǎn)生漂移。通過(guò)光電編碼器測(cè)速，利用PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)后輪的速度控制使其之間形成差速，配合舵機(jī)打角完成漂移動(dòng)作。小車錯(cuò)位當(dāng)兩車迎面行駛時(shí)，利用小車車前安裝的超聲波模塊進(jìn)行測(cè)距定位，將兩車的位置信息通過(guò)NRF24L01無(wú)線模塊發(fā)送給另一輛小車的單片機(jī)，單片機(jī)控制兩車改變行駛方向，實(shí)現(xiàn)車輛錯(cuò)位。小車跟隨當(dāng)小車正常行駛時(shí)，小車與小車之間用超聲波測(cè)出兩車之間的距離，通過(guò)無(wú)線通訊傳輸給另一輛小車，使小車與小車之間保持固定的間隔，實(shí)現(xiàn)車輛跟隨。1.3創(chuàng)新點(diǎn)采用飛思卡爾智能小車的32位K60核心處理器通過(guò)編程控制，不需要人為干預(yù)、根據(jù)路況就可完成相應(yīng)特技動(dòng)作；采用OV7725攝像頭的硬件二值化特點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了攝像頭程序，提高了程序的工作效率和準(zhǔn)確度；采用多個(gè)模塊相互協(xié)作，共同完成特技動(dòng)作，即通過(guò)攝像頭、超聲波傳感器分別完成路徑識(shí)別與定位，通過(guò)兩車通訊完成動(dòng)作。使得特技動(dòng)作如漂移等有了可控、可實(shí)現(xiàn)的可能。

第二章特技車機(jī)械設(shè)計(jì)2.1舵機(jī)的固定與安裝理想的轉(zhuǎn)向模型，是指在輪胎不打滑時(shí)，忽略左右兩側(cè)輪胎由于受力不均產(chǎn)生的變形，忽略輪胎受重力影響下的變形時(shí)車輛的轉(zhuǎn)向建模。在這種理想的模型下，車體的轉(zhuǎn)向半徑可以計(jì)算得到。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在車輛運(yùn)行中有著非常重要的作用。合理的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以保證在車輛在直線行駛過(guò)程中不會(huì)跑偏，能保證車輛行駛的方向的穩(wěn)定性；而在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，合適的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以使車輛自行回到直線行駛狀態(tài)，具有好的回正性。在特技車制作中，通過(guò)舵機(jī)帶動(dòng)左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率是一定的，要想加快響應(yīng)速度，只有優(yōu)化舵機(jī)的安裝位置和其力矩延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度。由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù)，過(guò)分追求速度就會(huì)損失力矩，力矩太小也會(huì)造成轉(zhuǎn)向遲鈍，因此要合理優(yōu)化得到一個(gè)需要的轉(zhuǎn)向效果。最終我們選用直立安裝舵機(jī)。連接桿如下圖所示：連接桿2.2特技車前輪定位汽車在正常行駛中，為了使得行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，以及轉(zhuǎn)向后汽車能夠自動(dòng)回正，從而減少輪胎和零件的磨損等，汽車的每個(gè)車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和車橋與車架的安裝應(yīng)保持一定的相對(duì)位置，叫做車輪定位，主要有四個(gè)參數(shù)：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪外傾和前輪前束。這些在特技車上也可以進(jìn)行調(diào)整。2.2.1主銷后傾主銷安裝到前軸上，且其后上部略向后傾，稱做主銷后傾。主銷后傾的作用是保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，并使汽車轉(zhuǎn)彎后能自動(dòng)回正。主銷后傾角是指在縱向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角。它在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生于車輪偏轉(zhuǎn)方向相反的回正力矩，使車輪自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。所以，主銷后傾角越大，車速越高，前輪自動(dòng)回正的能力就越強(qiáng)。但是過(guò)大的回正力矩會(huì)使得車輛轉(zhuǎn)向沉重。通常主銷后傾角值設(shè)定在1°到3°?，F(xiàn)代汽車為了提高行駛速度，普遍采用扁平低壓胎，；輪胎變形增加，引起穩(wěn)定性增加，因此注銷后傾角可以減小甚至接近于零，有的更為負(fù)值。特技車通過(guò)加減黃色墊片數(shù)量來(lái)改變主銷后傾角。因?yàn)槎鏅C(jī)的力矩不大，主銷后傾角過(guò)大會(huì)使轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)彎遲滯，所以設(shè)置為0°，用來(lái)增加其轉(zhuǎn)向的靈活性。2.2.2主銷內(nèi)傾主銷安裝到前軸上，且其后上部略向內(nèi)傾，稱為主銷內(nèi)傾，主銷內(nèi)傾的作用是使車輪轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，且操縱輕便。主銷內(nèi)傾角是指在橫向平面內(nèi)的主銷軸線與地面垂直線的夾角。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用越強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向時(shí)越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的作用越弱。主銷后傾與主銷內(nèi)傾都有使汽車轉(zhuǎn)向后自動(dòng)回正、保持汽車直線行駛的作用，二者主要的區(qū)別在于主銷后傾的回正作用與車速有關(guān)，而主銷內(nèi)傾的回正作用與車速無(wú)關(guān)。高速時(shí)后傾的回正作用大，低速時(shí)主要靠?jī)?nèi)傾的回正作用。直線行駛時(shí)車輪偶爾遇到?jīng)_擊而偏轉(zhuǎn)時(shí)，也主要靠主銷內(nèi)傾的回正作用。對(duì)于特技車而言，通過(guò)調(diào)整前橋螺桿的長(zhǎng)度可以改變主銷內(nèi)傾角的大小，但是過(guò)大的內(nèi)傾角也會(huì)增大轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力，增加輪胎磨損程度，所以在調(diào)整時(shí)可以近似調(diào)整為0°~3°，不宜太大。2.2.3前輪外傾角前輪旋轉(zhuǎn)平面上略向外傾斜，稱為前輪外傾。作用是為了提高轉(zhuǎn)向操縱的輕便性和車輪行駛的安全性。前輪外傾與主銷內(nèi)傾相配合能使汽車轉(zhuǎn)向輕便。前外傾角一般為1°。外傾角不宜過(guò)大，否則會(huì)使輪胎產(chǎn)生偏磨損。前輪外傾角是指車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線和地面垂線之間的夾角。在橫向平面內(nèi)，輪胎呈現(xiàn)“八”字型時(shí)稱“負(fù)外傾”，呈現(xiàn)“V”字形張開(kāi)時(shí)稱為正外傾。如果車輪垂直地面一旦滿載就易變形，并引起車輪上部向內(nèi)部?jī)A斜，導(dǎo)致車輪聯(lián)接器件損壞。所以事先將車輪校偏到一個(gè)正外傾的角度，一般在1°左右，可以減少承載軸所承載的負(fù)荷，延長(zhǎng)零件使用壽命，提高汽車的安全性能。特技車有專門的外傾角調(diào)整配件，用來(lái)近似調(diào)節(jié)其外傾角。由于小車底盤和前橋上承受的載荷不大，所以外傾角調(diào)整為0°即可，與前輪前束匹配。2.2.4前輪前束俯視車輪，汽車的兩個(gè)前輪的旋轉(zhuǎn)平面并不完全平行，而是稍微帶一些角度，這種現(xiàn)象被稱為前輪前束。前輪前束的作用是消除前輪外傾引起的前輪“滾錐效應(yīng)”。前輪前束的作用是保證汽車在行駛時(shí)的性能，減少輪胎磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，慣性力會(huì)自然的將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向會(huì)被抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的程度就會(huì)減少。若是內(nèi)八字那樣前小后大則稱“前束”，反之則稱“后束”或“負(fù)前束”。在特技車中，前輪前束的調(diào)整是通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)帶動(dòng)的左右橫拉桿。主銷在垂直方向的位置確定后，通過(guò)改變左右橫拉桿的長(zhǎng)度就可以改變前輪前束。然而，在實(shí)際的調(diào)整過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)較小的前束，約束0.2mm可以減小轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力，使特技車轉(zhuǎn)向更輕便，實(shí)際效果并不是十分明顯。雖然特技車的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束等均可以調(diào)整，但是由于加工和制造精度問(wèn)題，在通用的規(guī)律中就存在著很多的偶然性，所以一切是以實(shí)際調(diào)整的效果為準(zhǔn)。2.3差速的調(diào)整在車跑動(dòng)的過(guò)程中，后面兩個(gè)輪子的相對(duì)松緊程度，也就是差速對(duì)拐彎影響很大。差速大時(shí)，拐彎容易甩尾，速度很快的時(shí)候特別容易甩出去；雖然旋緊程度太松可以改善轉(zhuǎn)彎性能，但是嚴(yán)重影響了直線的加減速，并且齒輪的咬合度也不是很好，對(duì)齒輪會(huì)有一定的損壞。結(jié)合我們特技車需要的漂移效果，為了更好的展現(xiàn)漂移甩尾的效果，后輪相對(duì)旋的比較緊些即可得到較為理想的差速控制。2.4特技車重心的調(diào)整特技車的重心對(duì)車子的整體性能有著很大的影響，集中表現(xiàn)為前輪對(duì)地的摩擦力的大小和車體能否穩(wěn)定行駛。垂直高度上的重心影響車的穩(wěn)定性，在保證車的底盤不會(huì)觸地的情況下，重心越低，其穩(wěn)定性越高。水平方向的重心位置也是非常重要的，它直接影響了前輪對(duì)地的摩擦力，也就是前輪抓地的強(qiáng)度。為了達(dá)到理想的漂移效果，我們翻閱資料和書(shū)籍后得知，輪距軸距越小、車身越高，在過(guò)彎的時(shí)候重心轉(zhuǎn)移越厲害，越容易甩尾。但是重心過(guò)高也容易導(dǎo)致過(guò)彎時(shí)翻車。若要比較輕松、安全的完成漂移，那么特技車的重心不應(yīng)太高或太低，并且前輪得抓地力應(yīng)該更大而后輪則相對(duì)較小。結(jié)合C型車模的后輪雙驅(qū)，我們通過(guò)主板前移，攝像頭安裝位置的調(diào)節(jié)等使得重心升高、前移，減小后輪壓力，從而減小后輪在漂移過(guò)彎時(shí)的抓地力形成甩尾，特技動(dòng)作更加明顯。2.5其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整另外，在特技車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進(jìn)的地方，比如光電編碼器的安裝、車輪等。我們對(duì)它們進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，并有不錯(cuò)的效果。車輛整體安裝如下圖（還未使用PCB主控板）

特技車機(jī)械結(jié)構(gòu)

第三章特技車電路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)是電子產(chǎn)品的軀殼，只有一個(gè)穩(wěn)定可靠的硬件環(huán)境，才能為后面的軟件提供幫助，同時(shí)硬件設(shè)計(jì)能夠?yàn)檐浖O(shè)計(jì)提供一種補(bǔ)償作用，所以好的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)小車系統(tǒng)的基礎(chǔ)。我們的電路設(shè)計(jì)為以下幾個(gè)模塊：3.1總設(shè)計(jì)與模塊接口MK60DN512ZVLL10微控制器為K60系列的MCU，是KinetisK系列的代表芯片。我們選用的是K60_100系列中的一款，微處理器對(duì)應(yīng)的最高主頻是100MHz。采用LQFP封裝，具有五個(gè)相同但獨(dú)立的UART模塊，每個(gè)模塊都含有獨(dú)立的發(fā)送器和接收器，其中A口20個(gè)、B口24個(gè)、C口19個(gè)、D口8個(gè)、E口7個(gè)，每個(gè)引腳均有多個(gè)功能。最小系統(tǒng)使用K60的100PIN封裝，為減少用到的引腳，包括PWM接口，外部中斷接口，若干GPIO等等。本次設(shè)計(jì)所用到的接口資源如下：電機(jī)PWM波輸出：PTC1、PTC2、PTC3、PTC4舵機(jī)PWM波輸出：PTB0編碼器信號(hào)輸入：PTA19、PTC5超聲波信號(hào)輸入：PTE6、PTE26無(wú)線通訊接口：PTD0、PTD1、PTD2、PTD3、PTD6、PTD7攝像頭信號(hào)輸入：PTB2、PTB3、PTC8、PTC9、PTC10、PTC11、PTC12、PTC13、PTC14、PC15、PTC16、PTC18按鍵信號(hào)輸入：PTE0、PTE1、PTE2、PTE3、PTE4、PTE5撥碼開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入：PTB16、PTB18、PTB20、PTB22串口接收：PTE24、PTE25總電路設(shè)計(jì)PCB3D視圖如下：正面反面3.2電源模塊為了滿足需要，特技車存在4種供電電壓：智能車使用Freescale專用的鎳鎘充電電池，充滿時(shí)電壓為7.8~8.2V。可直接用于電機(jī)供電。部分模塊使用直流5V供電，5V電源選用穩(wěn)壓芯片AMS1117-5.0。為了隔離電機(jī)的干擾，在AMS1117-5.0的輸入端加二極管。使用3.3V為單片機(jī)、攝像頭、光電編碼器的供電電壓，采用穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3實(shí)現(xiàn)降壓處理。輸入端接AMS1117-5.0的輸出端。舵機(jī)需要6V供電，采用穩(wěn)壓芯片L7806-6。輸入端為電池端。為了保證傳感器等傳輸信號(hào)準(zhǔn)確，我們區(qū)分了數(shù)字地和模擬地，并通過(guò)0歐電阻聯(lián)結(jié)數(shù)字地和模擬地（如圖）。因?yàn)楦鱾€(gè)模塊需要單獨(dú)供電，所以電源模塊不單獨(dú)給出電路圖。3.3攝像頭模塊目前市場(chǎng)上的攝像頭所采用的感光器件分為CCD和CMOS兩種。與CCD攝像頭相比之下，CMOS攝像頭不需要斬波升壓來(lái)提供電源，并且具有較強(qiáng)的可編程控制能力，也不需要額外地進(jìn)行A/D采樣。經(jīng)對(duì)比選型后，我們選用了OV7725攝像頭。尤其是OV7725的硬件二值化，使得程序更加簡(jiǎn)單明了。電路圖如下：攝像頭電路OV7725攝像頭實(shí)物圖3.4超聲波模塊為了完成相應(yīng)的特技動(dòng)作，我們需要一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)定位的傳感器。我們有兩個(gè)選擇：1.激光傳感器，精確度高但價(jià)格昂貴；2.超聲波傳感器：精度雖然亞于激光傳感器，但是成本低廉。在有限的條件下，超聲波的精度已經(jīng)可以滿足控制的需要，我們放棄了激光傳感器而選擇了HC-SR04超聲波傳感器。我們使用的超聲波模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離。具體參數(shù)如下：正常工作直流電壓為5V，它的靜態(tài)電流小于2mA，電平輸出：高5V低0V，感應(yīng)角度：不大于15°，探測(cè)距離2cm-500cm之間，高精度可達(dá)0.3cm。經(jīng)檢測(cè)適用于我們的特技車?；竟ぷ髟恚?.采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；2.模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；3.有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECH0輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340m/s））。超聲波模塊時(shí)序圖：結(jié)構(gòu)硬件圖如下：超聲波模塊實(shí)物圖3.5無(wú)線通訊模塊NRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHzISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使NRF24L01可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。NRF24L01適用于多種無(wú)線通信的場(chǎng)合，如無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線鼠標(biāo)、遙控開(kāi)鎖、遙控玩具等。電路圖如下：無(wú)線模塊電路圖NRF24L01模塊實(shí)物圖3.6驅(qū)動(dòng)模塊智能車后輪驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)型號(hào)為RN-260，工作電壓為7.2V，無(wú)負(fù)荷時(shí)電流為0.158A、轉(zhuǎn)速16088rpm；當(dāng)電流為0.679A時(shí)，工作效率最大為52.3%，因此驅(qū)動(dòng)模塊式非常重要的組成部分。經(jīng)過(guò)翻閱資料并整理，我們發(fā)現(xiàn)BTS7971B芯片搭建的H橋驅(qū)動(dòng)更穩(wěn)定、耐用。所以我們最終采用BTS7971B芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器，其工作電壓為5V～40V，承載電流為30A，內(nèi)阻為25毫歐。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，設(shè)計(jì)采用四片BTS7971的驅(qū)動(dòng)方式。兩片BTS7971的輸出端分別接至直流電機(jī)的兩輸入端，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。當(dāng)PWM1的占空比大于PWM2的占空比時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，則電機(jī)反轉(zhuǎn)，其中我們采用的是BTS7971兩兩并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)能力更大。并且，為了防止電流倒灌，我們特意加入了鎖存器74HC244.原理圖如下：3.7輔助調(diào)試模塊因?yàn)椴煌惖琅c車輪之間的摩擦力有較大的差別，所以需要根據(jù)實(shí)際情況去調(diào)整PID參數(shù)。此外，由于特技車動(dòng)作要求，需要采用各種不同速度，相應(yīng)參數(shù)也需要外部輸入。因此我們使用液晶調(diào)試模塊，配合按鍵便可以對(duì)軟件參數(shù)進(jìn)行靈活修改?？紤]到重量對(duì)車模具有影響，我們選用OLED小液晶替代傳統(tǒng)液晶屏。OLED，有機(jī)發(fā)光二極管（OrganicLight-EmittingDiode）又稱有機(jī)電激光顯示（OrganicElectroluminesenceDisplay）。OLED顯示技術(shù)具有自發(fā)光的特性，采用非常規(guī)薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，這些有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光，而且OLED顯示屏幕可視角度大，并且能夠節(jié)省電能。從2003年開(kāi)始，這種顯示設(shè)備在MP3播放器上應(yīng)用廣泛，而對(duì)于同屬數(shù)碼類產(chǎn)品的DC與手機(jī)，此前只是在一些展會(huì)上展示采用OLED屏幕的工程樣品。自從2007年后，OLED屏幕的壽命得到很大提高，具備了許多LCD不可比擬的優(yōu)勢(shì)。OLED液晶屏實(shí)物圖如下：OLED液晶屏

第四章特技車軟件設(shè)計(jì)軟件部分是智能車的靈魂，沒(méi)有一個(gè)好的軟件體系，再好的硬件設(shè)備都不能發(fā)揮真正的作用，并且，在硬件無(wú)法滿足的條件下，軟件還能夠彌補(bǔ)部分硬件的缺陷。程序要體系化、模塊化、穩(wěn)定化，才能讓硬件電路和機(jī)械性能發(fā)揮到最大，讓特技車完美的完成動(dòng)作。軟件系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：4.1控制總流程程序設(shè)計(jì)是由以下幾個(gè)模塊組成的：初始化模塊，路徑檢測(cè)模塊，方向控制模塊，速度控制模塊，速度采集模塊，PID控制模塊。1）初始化模塊包括：I/O模塊、PWM模塊、計(jì)時(shí)器模塊、定時(shí)中斷模塊等初始化。2）實(shí)時(shí)路徑檢測(cè)模塊：我們運(yùn)用OV7725攝像頭獲取前方道路的信息，通過(guò)它獨(dú)有的硬件二值化方法得到了中間一根黑線的位置和標(biāo)志位。3）方向控制模塊：通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)路徑信息的采集，進(jìn)行分析和判斷，確定車輛的運(yùn)行方向，目前主要采用PID算法中的PD控制算法，直接得到舵機(jī)輸出所需要的PWM信號(hào)，從而控制舵機(jī)的動(dòng)作。4）速度控制模塊實(shí)現(xiàn)：根據(jù)特技動(dòng)作的需要，對(duì)車輛的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，首先通過(guò)采集速度信息，再通過(guò)相應(yīng)的PI算法得到速度的控制信號(hào)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)車輛的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。5）無(wú)線模塊：我們的無(wú)線模塊主要是用于三車通信，一旦要做出三車相關(guān)的動(dòng)作，一輛車就會(huì)通過(guò)無(wú)線發(fā)射信號(hào)，另外兩輛就會(huì)接收到信號(hào)，做出相應(yīng)的特技動(dòng)作。流程圖如下：

路徑檢測(cè)路徑檢測(cè)開(kāi)始系統(tǒng)初始化參數(shù)設(shè)置設(shè)置完畢相應(yīng)特技動(dòng)作判斷元素測(cè)速完成舵機(jī)控制運(yùn)行完畢電機(jī)速度控制停車否是否是否否是是

4.2攝像頭信息采集攝像頭是通過(guò)掃描獲取周圍環(huán)境和信息的傳感器，我們采用的是OV7725攝像頭。攝像頭上電的時(shí)候，OV7725的一些引腳需要來(lái)確定默認(rèn)的設(shè)置要求（如果有的話）。當(dāng)讀取外部引腳完成后，芯片將根據(jù)指定引腳配置內(nèi)部寄存器。MK60DN512ZVLL10單片機(jī)有著強(qiáng)大的ECT（Enhancedcapturetimer）模塊，即為增強(qiáng)捕捉計(jì)數(shù)器模塊，可以捕捉外部引腳的脈沖輸入，當(dāng)捕捉到脈沖輸入的時(shí)可以以中斷的形式通知CPU，然后CPU可以進(jìn)行相應(yīng)的處理。該部分的程序源代碼見(jiàn)附錄。4.3速度控制策略特技小車要求能夠快速精準(zhǔn)的完成特定的動(dòng)作和效果，同時(shí)配合其他兩輛車統(tǒng)一協(xié)調(diào)的完成規(guī)定的動(dòng)作，給觀眾呈現(xiàn)一種意想不到的美感。因此速度控制和角度控制方面既是亮點(diǎn)更是難點(diǎn)，速度控制和角度控制的好壞將直接影響特技的效果，我們特別重視這方面控制算法的選擇，使用了位置式的增量PID算法，角度控制，考慮到角度的模糊性，我們使用角度偏差的線性控制算法，并在速度控制和角度控制方面，取得了比較好的效果。4.3.1速度控制方案選擇關(guān)于速度控制，我們初期選用了三種方案：PID控制、bang-bang控制、PID+bang-bang控制。他們都達(dá)到了我們?cè)O(shè)定的效果，可是每種方案又都有自身的局限性：Bang-Bang控制雖然加速時(shí)間很短，但超調(diào)量比較大，在實(shí)際的小車行駛過(guò)程中極不穩(wěn)定；PID+bang-bang控制在調(diào)節(jié)時(shí)間上面有所優(yōu)勢(shì)，總體效果而言，和單純的PID效果差別不大。PID控制是工業(yè)過(guò)程控制中歷史最悠久，生命力最強(qiáng)的控制方案。因?yàn)樗庇^、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)——主要有三部分組成：比例、積分、微分。另外，結(jié)合我們四輪C型車模后輪雙驅(qū)的特點(diǎn)，我們最終選擇了響應(yīng)時(shí)間更短，效果好的PID控制算法。PID控制框圖如圖所示：比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)被控對(duì)象傳感器r(t)e(t)u(t)y(t)PID控制框圖4.3.2位置式PID算法：式中u(t)——控制器(也稱調(diào)節(jié)器)的輸出；e(t)——控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp——控制器的比例放大系數(shù)；Ti——控制器的積分時(shí)間；Td——控制器的微分時(shí)間。設(shè)u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，可得離散的PID算式其中，位置式PID控制算法的缺點(diǎn)：當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過(guò)去的各個(gè)狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，運(yùn)算量大；而且控制器的輸出u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。4.3.3增量式PID算法：增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δu(k)。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制量Δu(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，而不是對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，因此要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須具有對(duì)控制量增量的累積功能，才能完成對(duì)被控對(duì)象的控制操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的累積功能可以采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)；也可以采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如利用算式u(k)=u(k-1)+Δu(k)程序化來(lái)完成。增量式PID算法式中Δe(k)=e(k)-e(k-1)進(jìn)一步可以改寫(xiě)成式中，一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期T在選定后就不再改變，所以，一旦確定了Kp、Ti、Td，只要使用前后3次測(cè)量的偏差值即可由式(3)或式(4)求出控制增量。

第五章開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)工具使用的是IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境，如下圖所示。通過(guò)IAR完成了源程序的編寫(xiě)、編譯和鏈接，并最終生成可執(zhí)行文件。IAREmbeddedWorkbench(簡(jiǎn)稱EW)的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是今天世界比較完整的和最容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。IAREWARM的主要特點(diǎn)如下：1、高度優(yōu)化的IARARMC/C++Compiler

2、IARARMAssembler

3、一個(gè)通用的IARXLINKLinker

4、IARXAR和XLIB建庫(kù)程序和IARDLIBC/C++運(yùn)行庫(kù)

5、功能強(qiáng)大的編輯器

6、項(xiàng)目管理器

7、命令行實(shí)用程序

8、IARC-SPY調(diào)試器(先進(jìn)的高級(jí)語(yǔ)言調(diào)試器）IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境第六章特技車的主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)路徑檢測(cè)方法攝像頭車模幾何尺寸（長(zhǎng)、寬、高）（毫米）730250200車模軸距/輪距（毫米）160傳感器超聲波光電編碼器伺服電機(jī)個(gè)數(shù)1已完成特技動(dòng)作180°漂移飛車超車錯(cuò)車斜坡過(guò)車跟車待完成動(dòng)作漂移過(guò)彎出入庫(kù)

結(jié)論當(dāng)我還是大一的時(shí)候，就看到學(xué)長(zhǎng)們的智能車在賽道上飛馳，于是我們抱著極大的熱情報(bào)名參加了“飛思卡爾”杯智能車競(jìng)賽。剛開(kāi)始的時(shí)候，我們對(duì)智能車一無(wú)所知。在老師和學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐的指導(dǎo)下，我們查看技術(shù)報(bào)告，并模仿前輩開(kāi)始設(shè)計(jì)模塊、組裝車模、編寫(xiě)程序。在這個(gè)模仿學(xué)習(xí)的過(guò)程中，我們不斷的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，思考問(wèn)題，與老師、學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐溝通，終于讓我們自己的智能車跑了起來(lái)。四月中旬的時(shí)候，創(chuàng)意賽的題目出來(lái)了。我們看到新增加的特技組時(shí)就躍躍欲試，天馬行空的想象我們的小車可以在天上飛，可以在水上漂；又或者像電視中所演示的那樣，漂移、超車、逆行時(shí)完美的躲避障礙當(dāng)然，想象是美好的，真正的做起來(lái)又是另外一回事兒。我們絞盡腦汁去思考如何讓小車可以按照我們的意愿去完成特技動(dòng)作。從最簡(jiǎn)單的車輛跟隨開(kāi)始，我們加入了超聲波模塊，但是并不能讓車距保持恒定。于是，我們又加入了無(wú)線通訊模塊。就這樣一步一步的改良和提升，我們的特技車漸漸的開(kāi)始能夠完成我們想要的一些動(dòng)作。但是，道路還是很坎坷的。我們小車曾經(jīng)出現(xiàn)了很多問(wèn)題，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出電壓差過(guò)大，剛開(kāi)始的漂移不可控而撞毀支架等等。但是，隊(duì)員們不斷努力，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入探討并解決，終于讓小車在磕磕絆絆中不停成長(zhǎng)。而我們?cè)谶@半年，在實(shí)驗(yàn)室里日日夜夜的調(diào)試小車，每個(gè)人都有很大收獲。對(duì)比賽的認(rèn)真準(zhǔn)備，大家不僅團(tuán)結(jié)合作，更是在相互學(xué)習(xí)，每個(gè)人也在成長(zhǎng)。這段時(shí)光是我們大學(xué)生涯中最有意義的一段日子，這段時(shí)光值得我們銘記。也許，在外人眼里的我們是枯燥乏味，無(wú)聊透頂?shù)囊蝗喝恕Ｆ鋵?shí)，這里的日子一樣有苦有甜，有喜有憂。我們?cè)谶@里收獲友誼，收獲知識(shí)，收獲成長(zhǎng)。一輛車，一群人，一段無(wú)悔的青春

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附錄#include"common.h"#include"include.h"/***************************函數(shù)聲明******************************/voidPORT_init();voiddata_sent();voidImageProc();voidLCD_duty();voidLCD_dutyreturn();voidElectric_machinery_init();voidElectric_machinery_duty();voidposition();voidsteer_control();voidimg_extract(uint8*dst,uint8*src,uint32srclen);voiduart_putbuff();voidsendimg(uint8*imgaddr,uint32imgsize);voidoled_img(u8*img);voiddelay_ms_Standard(uint32ms);voidsudu_PID_Init();voidvalue_number(void);u8nrf_buff2[160];//預(yù)多一個(gè)三十二個(gè)的數(shù)組u8*nrf_u32=(u8*)(((u8*)&nrf_buff2)+COM_LEN);//轉(zhuǎn)化為八位的u8nrf_buff3[MAX_ONCE_TX_NUM];//預(yù)多2401發(fā)送包發(fā)送示波器參數(shù)u8*nrf_3u32=(u8*)(((u8*)&nrf_buff3)+COM_LEN);u8xyl1=0;s16pw0,pw1;externu32ppy_wave1;externu32ppy_wave2;voidmain(){/********************初始化*********************/u8wave1[4],wave2[4],wave3[4],wave4[4],wave5[4],wave6[4],wave7[4],wave8[4],wave9[4],wave10[4];//用于判斷接收/發(fā)送狀態(tài)u8status=0;value_number();//EnableInterrupts;LCD_Init();//液晶初始化//LCD_P6x8Str(65,4,"ok");//gpio_init(PORTE26,GPO,LOW);//PORT_init();//外部中斷初始化//LCD_duty();//初始化參數(shù)//DisableInterrupts;//關(guān)中斷crtl_ecom;u32value=0;//NRF_Init();//LCD_P6x8Str(65,4,"ok");Camera_init();//攝像頭中斷初始化Electric_machinery_init();//uart_init(UART4,115200);//sudu_PID_Init();//pit_init_ms(PIT0,1);//lptmr_counter_init(LPT0_ALT1,INT_COUNT,2,LPT_Falling);//lptmr_counter_init(LPT0_ALT2,INT_COUNT,2,LPT_Falling);EnableInterrupts;//開(kāi)中斷while(1){enable_irq(89);ImageProc();//圖像處理}}voidElectric_machinery_init()//電機(jī)初始化函數(shù){FTM_PWM_init(FTM1,CH0,50,7415);//舵機(jī)初始化PTB0FTM_PWM_init(FTM0,CH0,10000,0);FTM_PWM_init(FTM0,CH1,10000,0);FTM_PWM_init(FTM0,CH2,10000,0);FTM_PWM_init(FTM0,CH3,10000,0);}#include"common.h"#include"gpio.h"#include"port.h"#include"dma.h"#include"SCCB.h"#include"OV7725.h"#include"OV7725_REG.h"#include"i2c.h"#defineOV7725_Delay_ms(time)DELAY_MS(time)#defineOV7725_ID0x21//#defineSlaveIDADDR2_OV7725#defineADDR2_OV77250x42u8 *IMG_BUFF1;volatileIMG_STATE img_flag=IMG_START; //圖像狀態(tài)externu32i1;externu32i2;externu32i3;externu32i4;externu32i5;externu32i6;externu32i7;externu32i8;u8new_img_flag=0;u8A_S_D_flag=0;externu8count_flage;staticu8Ov7725_reg_Init(void);voidOv7725_exti_Init(){/DMA_PORTx2BUFF_Init(CAMERA_DMA_CH,(void*)&PTD_BYTE0_IN,(void*)IMG_BUFF1,PTB9,DMA_BYTE1,CAMERA_SIZE,KEEPON);port_init(PTC16,DMA_FALLING|PULLUP);//PCLKDMA_IRQ_EN(CAMERA_DMA_CH);port_init(PTC18,IRQ_RISING|PULLUP);}/*OV7725初始化配置表*/Register_Infoov7727_reg[]={//寄存器，寄存器值次{COM4,0xC1},{CLKRC,0x02},{COM2,0x03},{COM3,0xD0},{COM7,0x40},{HSTART,0x3F},{HSIZE,0x50},{VSTRT,0x03},{VSIZE,0x78},{HREF,0x00},{SCAL0,0x0A},{AWB_Ctrl0,0xE0},{DSPAuto,0xff},{DSP_Ctrl2,0x0C},{DSP_Ctrl3,0x00},{DSP_Ctrl4,0x00},#if(CAMERA_W==80){HOutSize,0x14},#elif(CAMERA_W==160){HOutSize,0x28},#elif(CAMERA_W==240){HOutSize,0x3c},#elif(CAMERA_W==320){HOutSize,0x50},#else#endif#if(CAMERA_H==60){VOutSize,0x1E},#elif(CAMERA_H==120){VOutSize,0x3c},#elif(CAMERA_H==180){VOutSize,0x5a},#elif(CAMERA_H==240){VOutSize,0x78},#else#endif{EXHCH,0x00},{GAM1,0x0c},{GAM2,0x16},{GAM3,0x2a},{GAM4,0x4e},{GAM5,0x61},{GAM6,0x6f},{GAM7,0x7b},{GAM8,0x86},{GAM9,0x8e},{GAM10,0x97},{GAM11,0xa