飞思卡尔智能车电机驱动方案

6.1 驱动器选择

根据电机学和电力拖动理论，电机驱动器要有足够的电流输出能力来保证驱动力的充足。而电机驱动器本身要能可靠工作还需要有一定的热载荷能力，过流、过压、过热和短路保护，而且驱动器在工作的时候还应保证效率——自身不会将大量电流消耗成为热量。综合这些考虑，电机驱动器将采用一体化的专用功率驱动集成电路进行设计，分离元件（场效应晶体管）构成的驱动器。

6.1.1 33886

根据电机学可知，直流电动机转速n的表达式为：

式中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，Ф为每极磁通量，K为电动机结构参数。

由式（6-1）可知，直流电动机的转速控制方法可分为两大类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法较少使用。现在，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。本节介绍的是在保证励磁恒定不变的情况下，采用PWM来实现直流电动机的调速方法。

在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，半导体功率器件在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。在线性放大驱动方式，半导体功率器件工作在线性区，优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小。但是功率器件工作在线性区，效率低和散热问题严重。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（PWM）来控制电动机的电枢电压，从而实现电动机转速的控制。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为：

占空比D表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。D的变化范围为

0≤D≤l。由式（6-2）可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢两端电压的平均值U0取

决于占空比D的大小，改变D值也就改变了电枢两端电压的平均值，从而达到控制电动

机转速的目的，即实现PWM调速。

根据这种理论，此功率驱动集成电路要能工作在脉动状态之下。为了便于取材和设计方便，此次设计选择了飞斯卡尔半导体公司（摩托罗拉）的PC33886，设计出可以在硬件层面上相互兼容的直流电机驱动模块。PC33886 是一种可以输出6A 电流的大功率H 桥式驱动电路，采用底内阻的MOSFET 工艺；PowerSO20 贴片封装，在保证精巧外形的前提下有效提高散热效率；在PWM 调速模式的驱动下可以接受20kHz 的工作频率；具有过热、过流、短路保护，并且通过一条反馈线将器件的工作状态反馈给单片机。其典型的应用电路如图3-10所示。真值表如表3-2所示，其中利用D1或D2复位“三态”和“失效”状态。真值表中的符号意义如下：L=低电平，H=高电平，X=任意，Z=悬空（所有的输出场效应管都关断）。

利用PC33886设计出的电路原理图如图3-11所示。C1、C2用来虑除芯片工作时产生的对逻辑控制部件的干扰。

6.1.2 印制电路板

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飞思卡尔智能汽车设计技术报告

第九届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技术报告 学校：武汉科技大学队 伍名称：首安二队参赛 队员：韦天 肖杨吴光星带队 教师：章政 0敏

I

关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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：

II

目录 第一章引言 (1) 1.1 概述 (1) 1.2 内容分布 (1) 第二章系统总体设计 (2) 2.1 设计概述 (3) 2.2 控制芯片的选择 (3) 2.3 线性 CCD 检测的基本原理 (3) 2.3 系统结极 (5) 第三章机械系统设计 (7) 3.1 底盘加固 (7) 3.2 轮胎处理 (7) 3.3 四轮定位 (8) 3.4 差速器的调整 (12) 3.5 舵机的安装 (13) 3.6 保护杆的安装 (15) 3.7 CCD的安装 (16) 3.8 编码器的安装 (17) 3.9 检测起跑线光电管及加速度计陀螺仪的安装 (18) 第四章硬件系统设计 (19) 4.1 最小系统版 (20) 4.2 电源模块 (21) 4.3 CCD模块 (22) 4.4 驱动桥模块 (23) 4.5 车身姿态检测模块 (24) 4.7 测速模块 (24) 4.8 OLED液晶屏及按键、拨码 (25) 第5章程序设计 (27)

飞思卡尔智能车电机资料上课讲义

3.1.6驱动电机介绍 驱动电机采用直流伺服电机，我们在此选用的是RS-380SH型号的伺服电机，这是因为直流伺服电机具有优良的速度控制性能，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。在很多方面有优越性，具体来说，它具有以下优点: (1)具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。 (2)调速范围宽，高精度，机械特性及调节特性线性好，且运行速度平稳。 (3)具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。 (4)电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的 影响。 (5)可以长时间地处于停转状态而不会烧毁电机，一般电机不能长时间运行 于停转状态，电机长时间停转时，稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩，相应的电枢电流为连续堵转电流。 图3.1为该伺服电机的结构图。图3.2是此伺服电机的性能曲线。 图3.1 伺服电机的结构图

图3.2 伺服电机的性能曲线 3.1.7 舵机介绍 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图3.3所示。图3.4为舵机的控制线。 图3.3 舵机控制要求

飞思卡尔 智能车舵机控制

智能车的制作中,看经验来说,舵机的控制是个关键.相比驱动电机的调速,舵机的控制对于智能车的整体速度来说要重要的多. PID算法是个经典的算法,一定要将舵机的PID调好,这样来说即使不进行驱动电机的调速(匀速),也能跑出一个很好的成绩. 机械方面: 从我们的测试上来看,舵机的力矩比较大,完全足以驱动前轮的转向.因此舵机的相应速度就成了关键.怎么增加舵机的响应速度呢?更改舵机的电路?不行,组委会不允许.一个非常有效的办法是更改舵机连接件的长度.我们来看看示意图: 从上图我们能看到,当舵机转动时,左右轮子就发生偏转.很明显,连接件长度增加,就会使舵机转动更小的转角而达到同样的效果.舵机的特点是转动一定的角度需要一定的时间.不如说(只是比喻,没有数据),舵机转动10度需要2ms,那么要使轮子转动同样的角度,增长连接件后就只需要转动5度,那么时间是1ms,就能反应更快了.据经验,这个舵机的连接件还有必要修改.大约增长0.5倍~2倍. 在今年中,有人使用了两个舵机分别控制两个轮子.想法很好.但今年不允许使用了.

接下来就是软件上面的问题了. 这里的软件问题不单单是软件上的问题,因为我们要牵涉到传感器的布局问题.其实,没有人说自己的传感器布局是最好的,但是肯定有最适合你的算法的.比如说,常规的传感器布局是如下图: 这里好像说到了传感器,我们只是略微的一提.上图只是个示意图,意思就是在中心的地方传感器比较的密集,在两边的地方传感器比较的稀疏.这样做是有好处的,大家看车辆在行驶到转弯处的情况: 相信看到这里，大家应该是一目了然了，在转弯的时候，车是偏离跑道的，所以两边比较稀疏还是比较科学的，关于这个，我们将在传感器中在仔细讨论。 在说到接下来的舵机的控制问题，方法比较的多，有人是根据传感器的状态,运用查表法差出舵机应该的转角,这个做法简单,而且具有较好的滤波"效果",能够将错误的传感器状态滤掉;还有人根据计算出来的传感器的中心点(比

基于嵌入式STM32的飞思卡尔智能车设计

摘
要
飞思卡尔智能车大赛是面向全国大学生举办的应用型比赛， 旨在培养创新精 神、协作精神，提高工程实践能力的科技活动。大赛主要是要求小车自主循迹并 在最短时间内走完整个赛道。针对小车所安装传感器的不同，大赛分为光电组、 电磁组和摄像头组。 本文介绍了本院自动化系第一届大学生智能汽车竟赛的智能车系统。 包括总 体方案设计、机械结构设计、硬件电路设计、软件设计以及系统的调试与分析。 机械结构设计部分主要介绍了对车模的改进，以及舵机随动系统的机械结构。硬 件电路设计部分主要介绍了智能车系统的硬件电路设计， 包括原理图和 PCB 设计 智能车系统的软、 硬件结构及其开发流程。该智能车车模采用学校统一提供的飞 思卡尔车模，系统以 STM32F103C8T6 作为整个系统信息处理和控制命令的核心， 使用激光传感器检测道路信息使小车实现自主循迹的功能
关键字：飞思卡尔智能车STM32F103C8T6
激光传感器
第一章 概述

1.1 专业课程设计题目
基于嵌入式 STM32 的飞思卡尔智能车设计
1.2 专业课程设计的目的与内容
1.2.1 目的 让学生运用所学的计算机、传感器、电子电路、自动控制等知识，在老师的 指导下，结合飞思卡尔智能车的设计独立地开展自动化专业的综合设计与实验， 锻炼学生对实际问题的分析和解决能力，提高工程意识，为以后的毕业设计和今 后从事相关工作打下一定的基础。 1.2.2 内容 本次智能车大赛分为光电组和创新做，我们选择光电组小车完成循迹功能。 该智能车车模采用学校统一提供的飞思卡尔车模， 系统以 STM32F103C8T6 作为整 个系统信息处理和控制命令的核心，我们对系统进行了创造性的优化： 其一， 硬件上采用激光传感器的方案， 软件上采用 keil 开发环境进行调试、 算法、弯道预判。 其二，传感器可以随动跟线，提高了检测范围。 其三，独立设计了控制电路板，充分利用 STM32 单片机现有模块进行编程， 同时拨码开关、状态指示灯等方便了算法调试。
1.3 方案的研讨与制定
1.3.1传感器选择方案 方案一：选用红外管作为赛道信息采集传感器。 由于识别赛道主要是识别黑白两种不同的颜色， 而红外对管恰好就能实现区 分黑白的功能，当红外光照在白色KT板上时，由于赛道的漫反射作用，使得一部 分红外光能反射回来， 让接收管接的输出引脚的电压发生变化，通过采集这个电 压的变化情况来区分红外光点的位置情况，以达到区分赛道与底板的作用。 红外管的优点在于价格便宜，耐用；缺点却用很多：1、红外光线在自然环 境中，无论是室内还是室外均比较常见，就使得其抗干扰能力不强，容易受环境 变化的影响。2、调试不方面，由于红外光是不可见光，调试的时候需要采用比 较麻烦的方法来判断光电的位置。3、由于红外管光线的直线性不好，就使得红 外传感器所能准确的判断的最远距离比较小，也就是通常所说的前瞻不够远。

飞思卡尔智能车经验

RT，留下一点不算成功的经验吧。 先说说个人认为要取得好成绩的两个最重要的先决条件。 1. 人，这个是大前提，对于一个好的队伍，判别标准其实很简单，就是队员3个人是玩伴关系还是领导和下属关系。前者，大家都是来玩这个智能车的，自然主观能动性就会很高，能自主学习。不会总是“等着所谓队长分配任务”。这样效率就会很高。成绩自然不会低，后者，如果“队长”个人能力很强的话，就会出现到最后只有“队长”一个人在干。其他的队员就会因为自己技术不行，渐渐退出。而不会因为自己不会而去主动的学习。如果“队长”能力一般，再没有一些强力指导老师的情况下，这样的队伍一般会悲剧掉。所以，新人在参加这个智能车比赛的时就要明确动机。参加智能车确实是来学习知识的，但不会有人真正的来教你。一切都靠自己。 2.跑道，这个是客观条件中最重要的，一条污浊、破损、不符合规则的跑道，是不可能出成绩的。我们学校的赛道就是因为当初制作和后期保养不到位，导致赛道诸多永久性污浊、破损。一开始车刚能爬的时候，问题还不明显，后来在测试让车能平滑过S弯时问题就来了，由于赛道污浊，远处的跑道在CCD看了是错误，导致S弯和普通弯看起来一样，致使S弯策略根本没有启用，当时一直到修改S弯策略，到后来调出图像来看才发现是采集的问题。至于赛道污浊破损带来的干扰要不要处理，答案是肯定的，因为就算是比赛用的跑道也会有擦不掉，补不了的地方。但处理这些问题，应该是放在车辆原先行驶策略都调试正确的情况下，再人为的加入这些干扰。这样修改程序起来就有的放矢。 下面再以个人的观点介绍一下3个组别的特点，给新人选择做一个参考。 摄像头：有点像开卷考试，能得到的东西很多，但是如何把这些东西用好就是一个学问。摄像头的关键就是如何从采集回来的图像所包含的诸多信息中，选出一些高效方便的信息来控制车辆。至于控制策略，个人觉得一个能根据不同赛道类型而变化比例系数的比例控制器就能很好的满足控制需要。 光电组：想象起来很容易，其实很累的一个组，原理最简单，但是为了能有30CM以上的前瞻，和比较连续的偏差变化，就要下大功夫，先不说别的，让你装15个激光管，而且要保证不焊烧并要把光点打在一条线上，就是很繁琐的事情。总得来说，光电组拼的就是电路和传感器结构。不过对于看客来说，光电组是最好“看”的组，一排壮观的激光加上摆头的机械~ 电磁组：听起来有点复杂，其实比前两个组都轻松的组，电磁组又可分为数字和模拟两个类别。数字传感器就是和光电一样弄一排的传感器，看看哪个传感器接收到的信号最强以判断中线位置。模拟的就是比较两个传感器之间信号强度的差值来判断。电磁组好处就是不容易受到干扰，比赛上也见的，电磁车跑完的成功率是很高的，而且很容易判别起跑线。基本不用懂脑筋。而且如果选用是模拟传感器的话，能得到比较平滑的控制。 先说这些，想到再继续 关于摇头激光车的一点个人理解：为什么光电的车，要多花一个舵机去让传感器摇头呢？因为。为了能获得赛道上一个比较宽范围的信息，就必须把传感器做的很长。这样的后果 就是重量。折中的办法就是摇头，通过摇头，可以使一个小尺寸的传感器检测到大范围 DEMOK工作室淘宝小店

电机驱动电路总结

电机驱动电路 一、直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点： 1．功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机 即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H 桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使 用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开 关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。 2．性能：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。 二、三极管-电阻作栅极驱动 （如果电路看不清楚请到相册里看） 1．输入与电平转换部分： 输入信号线由DATA引入，1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。 高速运放KF347（也可以用TL084）的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。 不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放，因为开路输出的高电平状态输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后面一级的三极管将无法截止。2．栅极驱动部分： 后面三极管和电阻，稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容（大约1000pF）进行延时，防止H桥上下两臂的场效应管同时导通（“共态导通”）造成电源短路。 当运放输出端为低电平（约为1V至2V,不能完全达到零）时，下面的三极管截止，场效应管导通。上面的三极管导通，场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平（约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC）时，下面的三极管导通，场效应管截止。上面的三极管截止，场效应管导通,输出为低电平。 上面的分析是静态的，下面讨论开关转换的动态过程：三极管导通电阻远小于2千欧，因此三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上的电荷可以迅速释放，场效应管迅速截止。但是三极管由导通转换到截止时场效应管栅极通过2千欧电阻充电却需要一定的时间。相应的，场效应管由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假如两个三极管的开关动作是同时发生的，这个电路可以让上下两臂的场效应管先断后通，消除共态导通现象。

第五届飞思卡尔智能车大赛华中科技大学电磁组技术报告

第五届飞思卡尔杯全国大学生 智能汽车竞赛 技 术 报 告 学校：华中科技大学 队伍名称：华中科技大学五队 参赛队员：方华启 张江汉 诸金良 带队教师：何顶新 罗惠

关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第五届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛关保留、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：

目录 第1章引言 (1) 1.1 概述 (1) 1.2 全文安排 (2) 第2章电路设计 (3) 2.1 电路系统框图 (3) 2.2 电源部分 (4) 2.3 电机驱动部分 (5) 2.4 电磁传感器 (6) 第3章机械设计 (8) 3.1 车体结构和主要参数及其调整 (8) 3.2 舵机的固定 (10) 3.3 传感器的固定 (11) 3.4 编码器的固定 (11) 第4章软件设计 (12) 4.1 程序整体框架 (12) 4.2 前台系统 (13) 4.3 后台系统 (13) 4.4 软件详细设计 (14) 第5章调试 (15) 第6章全文总结 (16) 6.1 智能车主要技术参数 (16) 6.2 不足与改进 (16) 6.3 致谢与总结 (17) I

参考文献 (18) 附录A 源代码 (18) II

第1章引言 第1章引言 教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大竞赛的基础上，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛（教高司函[2005]201号文）[1]。 为响应教育部的号召，本校积极组队参加第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。从2009 年12 月开始着手进行准备，历时近8 个月，经过设计理念的不断进步，制作精度的不断提高，经历 2 代智能车硬件平台及相关算法的改进，最终设计出一套完整的智能车开发、调试平台。作为电磁组的华中科技大学五队采用轻质量机械设计、大前瞻传感器和连续化算法处理的基本技术路线，在前瞻距离、噪声抑制、驱动优化、整车布局等方面加强研究创新，在有限计算能力下获得了较高的赛道信息准确率。使智能车能够满足高速运行下的动力性和稳定性需求，获得了良好的综合性能和赛场表现。 本文将对智能车的总体设计和各部分的详细设计进行一一介绍。 1.1 概述 1.1.1 电路设计 飞思卡尔电磁组智能汽车硬件主要分为主控板，传感器板。本车在主控板上主要特色为电机使用H桥驱动，从性能和扩展性上优于集成驱动器方案。传感器板设计着重考虑提高传感器的前瞻量和信号的抗干扰能力。 1.1.2 机械设计 机械方面，主要是对舵机的安装进行了研究，加长了舵机的连杆，以增加反应速度。另外，主要研究车差速性能的研究以及传感器支架的固定。 1.1.3 控制程序设计 一方面使用免费的μCOS操作系统，这给智能车的整体调试提供了很多方便；另一方面，在大前瞻传感器的基础上设计出合理的舵机、电机控制算法，在满足稳定性要求的基础上提高速度。 1

飞思卡尔智能车竞赛光电组技术报告

第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛光电组技术报告 学校：中北大学 伍名称：ARES 赛队员：贺彦兴 王志强 雷鸿 队教师：闫晓燕甄国涌

关于技术报告和研究论文使用授权的说明书本人完全了解第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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：2014-09-15日

摘要 本文介绍了第九届“飞思卡尔杯全国大学生智能车大赛光电组中北大学参赛队伍整个系统核心采用飞思卡尔单片机MC9S12XS128MAA ，利用TSL1401线性CCD 对赛道的行扫描采集信息来引导智能小车的前进方向。机械系统设计包括前轮定位、方向转角调整，重心设计器件布局设计等。硬件系统设计包括线性CCD传感器安装调整，电机驱动电路，电源管理等模块的设计。软件上以经典的PID算法为主，辅以小规Bang-Bang 算法来控制智能车的转向和速度。在智能车系统设计开发过程中使用Altium Designer设计制作pcb电路板，CodeWarriorIDE作为软件开发平台，Nokia5110屏用来显示各实时参数信息并利用蓝牙通信模块和串口模块辅 助调试。关键字：智能车摄像头控制器算法。

目录 1绪论 (1) 1.1 竞赛背景 (1) 1.2国内外智能车辆发展状况 (1) 1.3 智能车大赛简介 (2) 1.4 第九届比赛规则简介 (2) 2智能车系统设计总述 (2) 2.1机械系统概述 (3) 2.2硬件系统概述 (5) 2.3软件系统概述 (6) 3智能车机械系统设计 (7) 3.1智能车的整体结构 (7) 3.2前轮定位 (7) 3.3智能车后轮减速齿轮机构调整 (8) 3.4传感器的安装 (8) 4智能车硬件系统设计 (8) 4.1XS128芯片介绍 (8) 4.2传感器板设计 (8) 4.2.1电磁传感器方案选择 (8) 4.2.2电源管理模 (9) 4.2.3电机驱动模块 (10) 4.2.4编码器 (11) 5智能车软件系统设 (11) 5.1程序概述 (11) 5.2采集传感器信息及处理 (11) 5.3计算赛道信息 (13) 5.4转向控制策略 (17) 5.5速度控制策略 (19) 6总结 (19)

飞思卡尔智能车黑线识别算法及控制策略研究

智能车黑线识别算法及控制策略研究 时间：2009-05-1811:23:07来源：电子技术作者：北京信息科技大学，机电工程学院张淑 谦王国权 0引言 “飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛是由摩托罗拉旗下飞思卡尔公司赞助由高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办的全国性的赛事，旨在加强大学生的创新意识、团队合作精神和培养学生的创新能力。此项赛事专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。 智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，它由大赛组委会统一提供。自动控制器是以飞思卡尔16位微控制器MC9S12DGl28(S12)为核心控制单元，配合有传感器、电机、舵机、电池以及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制车高速稳定运行在跑道上。比赛要求自己设计控制系统及自行确定控制策略，在规定的赛道上以比赛完成的时间短者为优胜者。赛道由白色底板和黑色的指引线组成。根据赛道的特点，比赛组委会确定了两种寻线方案：1．光电传感器。2．摄像头。 两种寻线方案的特点如下： (1)光电传感器方案。通过红外发射管发射红外线光照射跑道，跑道表面与中心指引线具有不同的反射强度，利用红外接收管可以检测到这些信息。此方案简单易行程序调试也简单且成本低廉，但是它受到竞赛规则的一些限制(组委会要求传感器数量不超过16个(红外传感器的每对发射与接收单元计为一个传感器，CCD传感器计为1个传感器))，传感器的数量不可能安放的太多，因而道路检测的精度较低，能得到指引线的信息量也较少。若采用此方案容易引起舵机的回摆走蛇形路线。 (2)摄像头方案。根据赛道的特点斯用黑白图像传感器即可满足要求。CCD摄像头有面阵和线阵两种类型，它们在接口电路、输出信号以及检测信息等方面有着较大的区别，面阵摄像头可以获取前方赛道的图像信息，而线阵CCD只能获取赛道一条直线上的图像信息。摄像头方案的所能探测的道路信息量远大于光电传感器方案，而且摄像头也可以探测足够远的距离以方便控制器对前方道路进行预判。虽然此方案对控制器的要求比较高，但组委会提供的MC9S12DGl28(S12)的运算能力以及自身AD口的采样速度完全能够满足摄像头的视频采样和大量图像数据的处理的要求。 本文就是在摄像头方案的前提下，在实时的图像数据获取的基础上对图像信息进行数据处理，从而提取赛道中心的黑色指引线，再以此来作为舵机和驱动电机的控制依据。 1摄像头采样数据的特点 采用的黑白摄像头的主要工作原理为：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出，见图1。摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，该电压信号的高低起伏反映了该行图像的灰度变化。当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平(如O．3V)，并保持一段时间。这样相当于紧接着每行图像信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉

飞思卡尔MC9S12XS128功能模块驱动

用了一年多飞思卡尔MC9S12XS128这款处理器,现在总结下各个功能模块的驱动. //锁相环时钟的初始化总线频率为40MHz(总线时钟为锁相环时钟的一半) //晶振为11.0592MHz void PLL_init(void) //PLLCLK=2*OSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1) { //锁相环时钟= 2*11.0592*(39+1)/(10+1)=80MHz 总线时钟为40MHz REFDV=0x0A; SYNR=0x67; //0110_0111 低6位的值为19,高两位的值为推荐值 while(CRGFLG_LOCK != 1); CLKSEL_PLLSEL = 1; //选定锁相环时钟 //FCLKDIV=0x0F; //Flash Clock Divide Factor 16M/16=1M } //周期中断定时器的初始化- // //周期中断通道1用于脉冲累加器的定时采样,定时周期为: 10ms= (199+1)*(1999+1)/(40M) (没有使用) //周期中断通道0用于控制激光管的轮流发射,定时周期为: 2000us= (399+1)*(199+1)/(40M) //2011/4/4 15:24 定时时间改为1ms void PIT_init(void) { PITCFLMT_PITE = 0; // 禁止使用PIT模块 PITCFLMT :PIT 控制强制加载微计数器寄存器。 PITCE_PCE0 = 1; // 使能定时器通道0 //PITCE_PCE1 = 1; //使能定时器通道1 PITMUX = 0; //通道0,和通道1均选择8位微计数器0

飞思卡尔智能车电机

飞思卡尔智能车电机公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]

3.1.6驱动电机介绍 驱动电机采用直流伺服电机，我们在此选用的是RS-380SH型号的伺服电机，这是因为直流伺服电机具有优良的速度控制性能，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。在很多方面有优越性，具体来说，它具有以下优点: (1)具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。 (2)调速范围宽，高精度，机械特性及调节特性线性好，且运行速度平稳。 (3)具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。 (4)电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载 冲击的影响。 (5)可以长时间地处于停转状态而不会烧毁电机，一般电机不能长时 间运行于停转状态，电机长时间停转时，稳定温升不超过允许值 时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩，相应的电枢电流为连 续堵转电流。 图为该伺服电机的结构图。图是此伺服电机的性能曲线。

图伺服电机的结构图 图伺服电机的性能曲线 3.1.7 舵机介绍 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为 20ms，宽度为的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图所示。图为舵机的控制线。

飞思卡尔智能车比赛个人经验总结

先静下心来看几篇技术报告，可以是几个人一起看，边看边讨论，大致了解智能车制作的过程及所要完成的任务。 看完报告之后，对智能车也有了大概的了解，其实总结起来，要完成的任务也很简单，即输入模块——控制——输出。 （1）输入模块：各种传感器（光电，电磁，摄像头），原理不同，但功能都一样，都是用来采集赛道的信息。这里面就包含各种传感器的原理，选用，传感器电路的连接，还有传感器的安装、传感器的抗干扰等等需要大家去解决的问题。 （2）控制模块：传感器得到了我们想要的信息，进行相应的AD转换后，就把它输入到单片机中，单片机负责对信息的处理，如除噪，筛选合适的点等等，然后对不同的赛道信息做出相应的控制，这也是智能车制作过程中最为艰难的过程，要想出一个可行而又高效的算法，确实不是一件容易的事。这里面就涉及到单片机的知识、C语言知识和一定的控制算法，有时为了更直观地动态控制，还得加入串口发送和接收程序等等。 （3）输出模块：好的算法，只有通过实验证明才能算是真正的好算法。经过分析控制，单片机做出了相应的判断，就得把控制信号输出给电机（控制速度）和舵机（控制方向），所以就得对电机和舵机模块进行学习和掌握，还有实现精确有效地控制，又得加入闭环控制，PID算法。 明确了任务后，也有了较为清晰的控制思路，接下来就着手弄懂每一个模块。虽然看似简单，但实现起来非常得不容易，这里面要求掌握电路的知识，基本的机械硬件结构知识和单片机、编程等计算机知识。最最困难的是，在做的过程中会遇到很多想得到以及想不到的事情发生，一定得细心地发现问题，并想办法解决这些问题。 兴趣是首要的，除此之外，一定要花充足的时间和精力在上面，毕竟，有付出就会有收获，最后要明确分工和规划好进度。

飞思卡尔智能车技术报告

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

飞思卡尔智能车设计报告

飞思卡尔智能车设计报告

目录 1.摘要 (3) 2.关键字 (3) 3.系统整体功能模块 (3) 4.电源模块设计 (4) 5.驱动电路设计 (4) 6.干簧管设计 (5) 7.传感器模块设计 (6) 8.传感器布局 (6) 9.软件设计 (7) 9.1控制算法 (7) 9.2软件系统实现（流程图） (10) 10.总结 (11) 11.参考文献 (12)

1.摘要 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛是由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的一项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。该竞赛以汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的科技创意性比赛。 本文介绍了飞思卡尔电磁组智能车系统。本智能车系统是以飞思卡尔32 位单片机K60为核心，用电感检测赛道导线激发的电磁信号， AD 采样获得当前传感器在赛道上的位置信息，通过控制舵机来改变车的转向，用增量式PID进行电机控制，用编码器来检测小车的速度，共同完成智能车的控制。 2.关键字 电磁、k60、AD、PID、电机、舵机 3.系统整体功能模块 系统整体功能结构图

4.电源模块设计 电源是一个系统正常工作的基础，电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。模型车系统中接受供电的部分包括：传感器模块、单片机模块、电机驱动模块、伺服电机模块等。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 全部硬件电路的电源由7.2V，2A/h的可充电镍镉电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。 电源模块由若干相互独立的稳压电源电路组成。在本系统中，除了电机驱动模块的电源是直接取自电池外，其余各模块的工作电压都需要经电源管理芯片来实现。 由于智能车使用7.2V镍镉电池供电，在小车行进过程中电池电压会有所下降，故使用低压差电源管理芯片LM2940。LM2940是一款低压稳压芯片，能提供5V的固定电压输出。LM2940低压差稳压芯片克服了早期稳压芯片的缺点。与其它的稳压芯片一样，LM2940需要外接一个输出电容来保持输出的稳定性。出于稳定性考虑，需要在稳压输出端和地之间接一个47uF低等效电阻的电容器。 舵机的工作电压是6伏，采用的是LM7806。 K60单片机和5110液晶显示器需要3.3伏供电，采用的是LM1117。 5.驱动电路设计 驱动电路采用英飞凌的BTS7960，通态电阻只有16mΩ，驱动电流可达43A，具有过压、过流、过温保护功能，输入PWM频率可达到25KHz，电源电压5.5V--27.5V。BTS7960是半桥驱动，实际使用中要求电机可以正反转，故使用两片接成全桥驱动。如图下图所示。

飞思卡尔电机控制模块详解

M=2. 一、关键点 1、MC 模块驱动电机的PWM 波频率在20K 左右时效果比较好。DITH 位等于0时，计算方法如下： DITH=1时， 其中，左对齐和有对齐方式下 M=1，中间对齐是2、MC 模块定时计数器的中断最好禁止，如果开启，在相应的中断服务程序中至少要添加一条“清楚中断标志位”的指令。 3、电机控制模块共8个通道，每个通道有2个Pin 脚组成。 4、Fast 位控制精度，7位或者11位。 5、给周期寄存器写入数值，可启动 MC 计数器，写0关闭所有通道的计数器。 6、MCAM[1:0]写入0x00可关闭某个channel ，写入非零值不是启动MC 计数器，而是控制对齐方式。为了精确周期寄存器的值应尽量大，Ftc 应尽量小。 二、寄存器寄存器讲解讲解讲解：： 1 MCCTL0 (Motor Controller Control Register 0) 第7位保留； 第6、5位是MCPRE[1:0]控制电机控制器定时计数器时钟f TC 预分频系数。如下： 第4位 MCSWAI 置1，等待模式中电机控制器正常运行，清0，在等待模式中电机控制模块时钟关闭。 第3位，FAST ，清0，电机控制器PWM 模块占空比寄存器分辨率设置为11位，置1，电机控制器PWM 模块占空比寄存器分辨率设置为7位。 第2位，DITH ，清零，电机控制器dith 特性禁止，置1电机控制器dith 特性使能。 第1位保留； 第0位MCTOIF ，为1表示，电机控制模块定时计数器溢出；为0，表示自上次复位或清零以来，电机控制模块定时计数器没有发生溢出。 2 MCCTL1 (Motor Controller Control Register 1)

PID改进飞思卡尔智能车算法

PID改进飞思卡尔智能车算法 PID改进飞思卡尔智能车算法：智能车系统是一个时变且非线性的系统，采用传统PID算法的单一的反馈控制会使系统存在不同程度的超调和振荡现象，无法得到理想的控制效果。将前馈控制引入到了智能车系统的控制中，有效地改善了系统的实时性，提高了系统的反应速度；并且根据智能车系统的特点，对数字PID算法进行了改进，引入了微分先行和不完全微分环节，改善了系统的动态特性；同时，利用模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强的特点，将模糊算法与PID算法相结合，有效地提高了智能车的适应性和鲁棒性，改善了系统的控制性能。 改进PID算法 智能车的控制是由飞思卡尔公司的S12芯片完成，所以对智能车的控制要采用计算机控制方法。本文针对智能车控制的特殊性，对传统数字PID算法做了一些改进，这样可以更好地满足智能车控制的需要。 不完全微分PID 将微分环节引入智能车的方向和速度控制，明显地改善了系统的动态性能，但对于误差干扰突变也特别敏感，对系统的稳定性有一定的不良影响。为了克服上述缺点，本文在PID算法中加入了一阶惯性环节，不完全微分PID算法结构如图1所示。 将一阶惯性环节直接加到微分环节上，可得到系统的传递函数为： 将（1）式的微分项推导并整理，得到方程如下： 式中，，由系统的时间常数和一阶惯性环节时间常数决定的一个常数。 为了编程方便，可以将2-2式写成如下形式：

分析式（3）可知，引入不完全微分以后，微分输出在第一个采样周期内被减少了，此后又按照一定比例衰减[3][4]。实验表明，不完全微分有效克服了智能车的偏差干扰给速度控制带来的不良影响，具有较好的控制效果。图2为不完全微分PID算法的程序流程图。 微分先行PID 由于智能车在跑道上行驶时，经常会遇到转弯的情况，所以智能车的速度设定值和方向设定值都会发生频繁的变化，从而造成系统的振荡。为了解决设定值的频繁变化给系统带来的不良影响，本文在智能车的速度和方向控制上引入了微分先行PID算法，其特点是只对输出量进行微分，即只对速度测量值和舵机偏转量进行微分，而不对速度和方向的设定值进行微分。这样，在设定值发生变化时，输出量并不会改变，而被控量的变化相对是比较缓和的，这就很好地避免了设定值的频繁变化给系统造成的振荡，明显地改善了系统的动态性能。 图3是微分先行PID控制的结构图，微分先行的增量控制算式如下。

(毕业设计)飞思卡尔智能车及机器视觉

图像处理在智能车路径识别中的应用 摘要 机器视觉技术在智能车中得到了广泛的应用，这项技术在智能车的路径识别、障碍物判断中起着重要作用。基于此，依据飞思卡尔小车的硬件架构,研究机器视觉技术应用于飞思卡尔小车。飞思卡尔智能车处理器采用了MC9S12XS128芯片，路况采集使用的是数字摄像头OV7620。 由于飞思卡尔智能车是是一款竞速小车，因此图像采集和处理要协调准确性和快速性，需要找到其中的最优控制。因此本设计主要需要完成的任务是：怎样用摄像头准确的采集每一场的图像，然后怎样进行二值化处理；以及怎样对图像进行去噪处理；最后也就是本设计的难点也是设计的核心，怎样对小车的轨迹进行补线。 本设计的先进性，在众多的图像处理技术中找到了适合飞思卡尔智能车的图像处理方法。充分发挥了摄像头的有点。经过小车的实际测试以及相关的MATLAB 仿真，最终相关设计内容都基本满足要求。小车的稳定性和快速性得到显著提高。 关键词：OV7620，视频采集，图像处理，二值化

The Application of Image Processing in the Recognition of Intelligent Vehicle Path ABSTRACT CameraMachine vision technology in the smart car in a wide range of applications, the technology identified in the path of the smart car, and plays an important role in the obstacles to judge. Based on this, based on the architecture of the Freescale car, machine vision technology used in the Freescale car. Freescale smart car the processor MC9S12XS128 chip traffic collected using a digital camera OV7620. Freescale's Smart car is a racing car, so the image acquisition and processing to coordinate the accuracy and fast, you need to find the optimal control. This design need to complete the task: how to use the camera to accurately capture every image, and then how to binarization processing; and how to image denoising; last is the difficulty of this design is the design of the core, how to fill line on the trajectory of the car. The advanced nature of the design found in many image processing techniques of image processing methods for Freescale Smart Car. Give full play to the camera a bit. The actual testing of the car and MATLAB simulation, the final design content can basically meet the requirements. The car's stability and fast to get improved significantly. KEY WORDS:OV7620，Video Capture，PictureProcessing，Binarization

常用电机驱动电路及原理

由于本人主要是搞软件的，所以硬件方面不是很了解，但是为了更好地相互学习，仅此整理出一份总结出来，有什么错误的地方还请大家积极的指出！供大家一起参考研究！ 我们做的智能小车，要想出色的完成一场比赛，需要出色的控制策略！就整个智能车这个系统而言，我们的被控对象无外乎舵机和电机两个！通过对舵机的控制能够让我们的小车实时的纠正小车在赛道上的位置，完成转向！当然那些和我一样做平衡组的同学不必考虑舵机的问题！而电机是小车完成比赛的动力保障，同时平衡组的同学也需要通过对两路电机的差速控制，来控制小车的方向！所以选一个好的电机驱动电路非常必要！ 常用的电机驱动有两种方式：一、采用集成电机驱动芯片；二、采用MOSFET和专用栅极驱动芯片自己搭。集成主要是飞思卡尔自己生产的33886芯片，还有就是L298芯片，其中298是个很好的芯片，其内部可以看成两个H桥，可以同时驱动两路电机，而且它也是我们驱动步进电机的一个良选！由于他们的驱动电流较小（33886最大5A持续工作，298最大2A持续工作），对于我们智能车来说不足以满足，但是电子设计大赛的时候可能会用到！所以想要详细了解他们的同学可以去查找他们的数据手册！在此只是提供他们的电路图，不作详细介绍！ 33886运用电路图

下面着重介绍我们智能车可能使用的驱动电路。普遍使用的是英飞凌公司的半桥驱动芯片BTS7960搭成全桥驱动。其驱动电流约43A，而其升级产品BTS7970驱动电流能够达到70几安培！而且也有其可替代产品BTN79 70，它的驱动电流最大也能达七十几安！其内部结构基本相同如下： 每片芯片的内部有两个MOS管，当IN输入高电平时上边的MOS管导通，常称为高边MOS管，当IN输入低电平时，下边的MOS管导通，常称为低边MOS 管；当INH为高电平时使能整个芯片，芯片工作；当INH为低电平时，芯片不工作。其典型运用电路图如下图所示： EN1和EN2一般使用时我们直接接高电平，使整个电路始终处于工作状态！