第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技术报告学校：队伍名称：参赛队员：带队教师：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六届“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。

参赛队员签名：带队教师签名：日期：摘要随着现代科技的飞速发展，人们对智能化的要求已越来越高，而智能化在汽车相关产业上的应用最典型的例子就是汽车电子行业，汽车的电子化程度则被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。

同时，汽车生产商推出越来越智能的汽车，来满足各种各样的市场需求。

本文以第六届全国大学生智能车竞赛为背景，主要介绍了智能车控制系统的机械及硬软件结构和开发流程。

机械硬件方面，采用组委会规定的标准 A 车模，以飞思卡尔半导体公司生产的80管脚16 位单片机MC9S12XS128MAA 为控制核心，其他功能模块进行辅助，包括：摄像头数据采集模块、电源管理模块、电机驱动模块、测速模块以及无线调试模块等，来完成智能车的硬件设计。

软件方面，我们在CodeWarrior IDE 开发环境中进行系统编程，使用增量式PD 算法控制舵机，使用位置式PID 算法控制电机，从而达到控制小车自主行驶的目的。

另外文章对滤波去噪算法，黑线提取算法，起止线识别等也进行了介绍。

关键字：智能车摄像头图像处理简单算法闭环控制无线调试第一章引言飞思卡尔公司作为全球最大的汽车电子半导体供应商，一直致力于为汽车电子系统提供全范围应用的单片机、模拟器件和传感器等器件产品和解决方案。

飞思卡尔公司在汽车电子的半导体器件市场拥有领先的地位并不断赢得客户的认可和信任。

其中在8 位、16 位及32 位汽车微控制器的市场占有率居于全球第一。

飞思卡尔公司生产的S12 是一个非常成功的芯片系列，在全球以及中国范围内被广泛应用于各种汽车电子应用中。

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全国大学生智能车竞赛。

该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。

此项赛事涉及的专业主要有：控制,电子，图像处理，及计算机等，能极大的培养学生的动手能力及创新型思维。

也因此受到全国各大高校的重视。

从第一届发展到现在，飞思卡尔智能车比赛在全国高校的影响力也越来越大。

在整个备赛过程中，随着对小车各种性能要求认识的提高，我们的设计理念也随着不断的得到了更新。

现在我们认识到，稳定的电路是小车运行的基本保证，优良的机械性能是小车快速稳定运行的有力保证，良好的控制算法能充分发挥硬件电路和机械性能的优势，再加上一定的应赛策略就能在比赛中取得好成绩。

基于以上的重要认识，在小车的制作过程中我们始终把硬件电路设计、机械调节与安装以及控制算法优化三个方面摆在同等重要的位置，同时入手，一齐改进，单把某个或两个方面作为重点来突破都无法取得满意的效果。

我们从零起步，一步一个脚印的走过来；在数十次的试验和尝试过程中，我们从头摸起，如今建立起了一套科学合理的试验和研究方法，培养了迅速行动的良好习惯和大胆创新的开拓精神，为今后的工作和学习打下了坚实的基础；在无数次的各种交流和学习后，我们深刻认识到了努力学习、大胆交流和团结协作的重要性。

硬件电路设计智能小车的硬件电路设计在整个系统中起着基础性作用，硬件电路的稳定性好坏影响着整个调试过程。

本系统以飞思卡尔公司S12系列16位80引脚的MC9S12XS128作为核心控制处理器。

此单片机具有8kB的RAM、64kB的EEPROM，完全满足系统需要，而且具有很好的超频性能。

同时片上还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCI、3个同步串行通信口SPI、8通道输入捕捉/输出比较定时器、1个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块，这些资源能够满足完成智能车所需要的所有的条件。

硬件电路是整个小车系统运行的基本，因此小车硬件的设计制作必需仔细考虑，精心设计，最终可以稳定可靠地运行。

基于这样的认识与综合小车的结构，合理地设计电路外形，合理的布局与布线，最终的框图如下：本系统的硬件设计主要包括，电源模块，视频采集模块，电机驱动模块等等，下面将就个部分进行详细的介绍。

图2.1 小车控制系统框图电源电路设计电源是小车系统的心脏，向各个电路模块提供能量，如果电源的任何一个出了小问题，都会使系统无法正常工作，因此供电部分一定要也必须要稳定可靠。

考虑到各部分模块需要，其中5V的电压分别供给单片机、测速、视频分离模块，6V供给舵机，7.2V供给电机驱动，12供给摄像头。

CMOS 摄像头供电在此部分，我们采用了升压电路，采用的芯片为MC34063，通过该电路直接把电池的7.2V 升压到12V ，然后供给摄像头。

MC34063是开关稳压芯片，可构成升压、降压斩波电路。

输出开关电流大于1.5A 。

2.5mA 的低静态电流。

实验证明，由其构成的12V 稳压电路完全能够为CMOS 摄像头提供稳定的电源保证。

其图所示:舵机供电本想直接采用电池电压的7.2V 为舵机供电，但实际上每个电池的实际电压却远远不只7.2V ，有的甚至达到8点几伏，而且电池电压在整个系统运行的时候会有很大的波动，为了避免产生不必要的问题，我们最终采用6V 电压为舵机供电，6V 电压是从7.2V 的电池电压中稳压下来的，采用的稳压芯片为LM1117。

7.2V 电源LM29405V MC34063 12VLM1117 6V 单片机 编码器 CMOS 舵机电机其他电路模块供电下面对各种常见 3.3V 和5V 稳压芯片进行分析，寻找一款最符合稳定、高效和简单的硬件设计宗旨的稳压芯片。

表 4.2.1 常见 3.3V、5V 稳压芯片对比稳压芯片78系列LM317系列LM2575 系列LM2940 系列LM1117 系列输出电压5V 1.2~37V可调5V可调5V 5V可调额定电流1A 1.5A(2A max) 1A(1.5Amax)1A(2A max)800mA(1Amax)最小压差3V 2V 2V 0.5V 1V 输出纹波较大小小较小较小电路复杂程度低较低较高低低价格低较低较高较高较低稳压芯片系列，性能稳定且外围电路只有两个滤波电容，电路设计简单高效，最能满足硬件设计宗旨和需求。

所以我们在5V 稳压芯片选择贴片的LM2940芯片。

具体电路图如下图所示视频信号采集电路模块我们的小车采用黑白CMOS模拟摄像头来采集路况信息。

该摄像头重量轻、体积小、易安装是我们选用它的原因之一。

视频信号分离采用LM1881视频分离芯片，分离出模拟视频信号的行同步信号和场同步信号，单片机根据这些同步信号来搭建控制时序，完成信号处理和各种控制。

如图所示：电机驱动电路竞速比赛的智能车最关键的就是要有强劲的驱动力。

这个“驱动力”不光包括通常所说的驱动电机，同时还包括电机驱动电路。

由于比赛规则严禁改动更换驱动电机，所以一个好的电机驱动电路对比赛影响非同小可，要能够保证长时间大电流输出的情况下减少升温且要稳定持续工作。

对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标：1.输出电流和电压范围：它决定着电路能驱动多大功率的电机。

2.效率：高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。

要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。

3.对控制输入端的影响：功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。

4.对电源的影响：共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。

5.可靠性：电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。

BTS7960 在较小的电路板空间占用的情况下为大电流保护的PWM 电机驱动提供了一种成本优化的解决方案，于传统的MC33886驱动能力十分有限，,根据上图各种驱动方案得比较得知用BTS7960是较好的选择。

其电路图如下：不过在今年的飞思卡尔比赛中摄像头组的C车模是双电机驱动，所以就要用到四块的BTS7960芯片分别对两个电机驱动，原来基础上再加一路驱动电路就行了，加两路闭环，两路PWM分开控制,最关键的还是软件，不过直道上，两轮的速度应该相同才有利于在直线上的加速，可以通过两个编码器反馈进而调节两个电机，而且舵机的响应速度很高，0.16sec/60度，可以电机辅助转弯，没有必要使电机共轴。

但是考虑到程序算法的复杂性，而且经过有些组别在我们已经采用两个电机级联的方法，感觉这影响也不是很大，既然有过成功的案例，所以我们暂时也通过电机共轴来简化程序。

主控制系统主控制系统相当于大脑，车子的转向，加速减速、识别、判断全都由它来完成。

我们直接采用比赛提供的MC9S12XS128，但是由于现在经验还是不够，所以我们将主电路，电源电路，驱动电路分开，以降低电路问题带来的风险。

图13 单片机最小系统原理图单片机引脚规划如下：PORTA1-5：按键PORTT0-2：LED 测试灯PORTB0-7：摄像头数据线PORTE2-7：无线传输模块PE2：奇偶场信号IRQ：行同步脉冲输入信号。

PT6：光电编码器脉冲输入信号。

PWM0、1：舵机角度控制信号输出。

PWM2、3、4、5：电机速度控制信号输出。

机械结构设计硬件软件的结合可以控制小车能够顺利地运行，但真正在赛道上跑的是小车，良好的机械的性能可以帮助小车更好地工作。

就像一个真正的赛车手一样，要跑出好成绩，除了需要一个好车手以往，还需要一辆好车，两者缺一不可。

基于这种想法，我们非常重视车模的机械结构。

差速器的调节差速器的松紧程度对模型车的转弯性能、加速性能有较大的影响。

差速器越松对转弯越有利，但是不利于模型车的加速，如果差速器过松，还会导致差速器严重的滑动，使得编码器测得的速度与实际速度不符等。

差速器越紧越有利于加速，但是不利于转弯。

综上应选择一折中的程度，即半锁状态，新车模在未调节差速器时即处于这种状态。

传动齿轮的调节轮子的动力是电机通过传动齿轮传到后轮的，因此齿轮间的耦合十分重要。

如果耦合过松则齿轮容易受损甚至会打坏齿轮，但如果过紧又会加重电机的负担，甚至造成磨擦过大或者卡死现象。

所以要把齿轮调节到一个适当位置，使齿轮既可传动又不会因为磨擦过大发出噪声。

同时，为了减小齿轮间的磨擦，我们给齿轮间加上润滑油。

舵机的安装舵机是车模中很重要的一个部分，车子的转向全靠它。

舵机的安装得是否得当直接关系到车子的转向性能，因此考虑一个好的安装方法是十分重要的。