恩智浦杯智能汽車設(shè)計(jì)與實(shí)例教程

第1章 競賽簡介 1
1．1 競賽與規(guī)則簡介 1
1．1．1 競賽介紹 1
1．1．2 競賽規(guī)則 2
1．2 歷屆競賽承辦單位及獲獎(jiǎng)情況 2
1．3 歷屆競賽變化趨勢 4
第2章 智能汽車硬件設(shè)計(jì) 5
2．1 供電模塊電路設(shè)計(jì) 6
2．1．1 單片機(jī)供電電路設(shè)計(jì) 6
2．1．2 舵機(jī)供電電路設(shè)計(jì) 8
2．1．3 特殊傳感器的升壓供電 10
2．1．4 傳感器等其他外設(shè)供電 12
2．2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 13
2．2．1 脈寬調(diào)制基本原理 13
2．2．2 H全橋的基本原理 15
2．2．3 A車模、D車模電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案 16
2．2．4 B車模電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案 17
2．3 信號(hào)傳遞電路的設(shè)計(jì) 20
2．3．1 電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換與隔離 21
2．3．2 傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換 23
2．3．3 舵機(jī)控制信號(hào)的隔離 25
2．4 測速模塊原理與電路設(shè)計(jì) 26
2．4．1 光電脈沖測速原理 26
2．4．2 低成本方案――光電碼盤 27
2．4．3 高精度方案――光電編碼器 29
2．4．4 第五輪測速方式 30
2．5 輔助調(diào)試設(shè)備及其電路設(shè)計(jì) 31
2．5．1 液晶顯示 31
2．5．2 矩陣鍵盤 33
2．5．3 撥碼開關(guān) 34
2．5．4 串口通信 35
2．5．5 無線通信 37
2．5．6 SD卡讀寫 38
2．6 主板外形設(shè)計(jì) 39
2．6．1 A型車模主板設(shè)計(jì)參考 39
2．6．2 B型車模主板設(shè)計(jì)參考 40
2．7 PCB實(shí)體電路設(shè)計(jì) 41
2．7．1 元器件封裝選擇 41
2．7．2 基于原理圖設(shè)計(jì)實(shí)體電路 42
2．7．3 電路抗干擾、防靜電設(shè)計(jì) 45
2．7．4 自制PCB的方法指導(dǎo) 46
本章小結(jié) 48
第3章 智能汽車軟件設(shè)計(jì) 49
3．1 C語言核心內(nèi)容與芯片編程規(guī)范 49
3．1．1 C語言核心內(nèi)容 49
3．1．2 命名規(guī)則 56
3．1．3 注釋 58
3．1．4 統(tǒng)一類型別名定義 59
3．1．5 編碼 60
3．2 控制主程序 61
3．2．1 攝像頭組主程序設(shè)計(jì) 61
3．2．2 電磁組主程序設(shè)計(jì) 61
3．2．3 光電組主程序設(shè)計(jì) 62
3．3 賽道信息的獲取 63
3．3．1 攝像頭圖像的獲取 63
3．3．2 電磁傳感器信號(hào)的獲取 70
3．3．3 光電傳感器信號(hào)的獲取 73
3．4 信號(hào)處理與賽道識(shí)別 74
3．4．1 攝像頭圖像處理與賽道邊沿識(shí)別 74
3．4．2 電磁車信號(hào)放大與賽道邊沿識(shí)別 76
3．4．3 光電車信號(hào)處理與賽道邊沿識(shí)別 77
3．5 賽道分析與控制策略 77
3．5．1 攝像頭組 77
3．5．2 電磁組及光電組 81
3．6 起跑線的識(shí)別 81
3．6．1 攝像頭組 81
3．6．2 電磁組 82
3．6．3 光電組 83
3．7 PID控制算法和應(yīng)用 84
3．7．1 PID控制算法 84
3．7．2 PID控制在智能汽車上的實(shí)現(xiàn) 88
3．8 其他控制算法和應(yīng)用 89
3．8．1 模糊控制 89
3．8．2 賽道記憶算法 91
3．9 計(jì)算機(jī)輔助調(diào)試 91
3．9．1 開發(fā)軟件介紹 91
3．9．2 C#上位機(jī)獲取圖像 92
3．9．3 MATLAB調(diào)試PID 92
3．9．4 按鍵及顯示屏模塊 93
第4章 智能汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 94
4．1 機(jī)械設(shè)計(jì)軟件――Pro-Engineer 94
4．1．1 簡介 94
4．1．2 歷史版本 94
4．1．3 主要模塊 95
4．1．4 主要特性 95
4．1．5 Pro-Engineer在智能汽車上的應(yīng)用 96
4．1．6 用戶關(guān)注熱點(diǎn) 96
4．2 智能汽車機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟與準(zhǔn)則 96
4．2．1 相關(guān)概念 96
4．2．2 設(shè)計(jì)機(jī)械零件的一般步驟 97
4．2．3 設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本準(zhǔn)則 97
4．3 工具準(zhǔn)備 99
4．3．1 鋸切工具――鋼鋸 99
4．3．2 打孔工具 99
4．3．3 支持定位工具――桌虎鉗 101
4．3．4 畫線工具 102
4．3．5 螺絲刀 102
4．3．6 鉗子 103
4．3．7 粘連工具 103
4．4 常用材料 105
4．4．1 鋁合金 105
4．4．2 碳素纖維 105
4．4．3 潤滑劑 105
4．5 智能汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化 106
4．5．1 智能汽車的整體結(jié)構(gòu) 106
4．5．2 智能汽車防護(hù)保養(yǎng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整 108
4．5．3 智能汽車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)調(diào)整 112
4．5．4 智能汽車后輪結(jié)構(gòu)調(diào)整 114
4．5．5 賽道保養(yǎng) 115
第5章 控制芯片 116
5．1 MC9S12XS128芯片 117
5．1．1 芯片簡介 117
5．1．2 時(shí)鐘模塊 117
5．1．3 I/O模塊及其應(yīng)用 126
5．1．4 計(jì)數(shù)器和定時(shí)器模塊 131
5．1．5 TIM模塊的脈沖累加器 138
5．1．6 脈沖調(diào)制解調(diào)模塊 143
5．1．7 周期中斷定時(shí)器 150
5．1．8 SCI總線 156
5．1．9 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 162
5．2 MCF52259芯片 172
5．2．1 芯片簡介 172
5．2．2 時(shí)鐘模塊 172
5．2．3 通用I/O口模塊 177
5．2．4 邊沿中斷檢測模塊 186
5．2．5 中斷管理模塊 191
5．2．6 可編程中斷定時(shí)器 198
5．2．7 脈沖累加器模塊 202
5．2．8 舵機(jī)電動(dòng)機(jī)控制模塊 204
5．2．9 通用異步收發(fā)機(jī)模塊 211
5．2．10 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 220
5．3 Kinetis K60芯片 231
5．3．1 芯片簡介 231
5．3．2 時(shí)鐘模塊 231
5．3．3 多用途時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器 233
5．3．4 系統(tǒng)集成模塊 253
5．3．5 可編程中斷定時(shí)器 261
5．3．6 Flex定時(shí)器 264
5．3．7 通用輸入/輸出及引腳控制和中斷 288
5．3．8 引腳控制和中斷寄存器 290
5．3．9 UART異步串行通信 314
5．3．10 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 337
5．4 MPC5604芯片 363
5．4．1 芯片簡介 363
5．4．2 時(shí)鐘模塊 364
5．4．3 簡化系統(tǒng)接口單元 379
5．4．4 中斷管理模塊 398
5．4．5 增強(qiáng)模塊化I/O子程序 410
5．4．6 可編程中斷定時(shí)器 436
5．4．7 A/D轉(zhuǎn)換模塊 444
第6章 電磁車實(shí)例 453
6．1 智能汽車競賽電磁組背景 453
6．2 電磁組傳感器及路徑檢測設(shè)計(jì)參考方案 453
6．2．1 磁場檢測方法 453
6．2．2 傳感器模塊設(shè)計(jì) 454
6．2．3 信號(hào)濾波 459
6．2．4 傳感器的布局設(shè)計(jì)與調(diào)試 460
6．2．5 電路板的靜電保護(hù) 465
6．3 車模整體控制策略 465
6．3．1 速度控制策略 465
6．3．2 轉(zhuǎn)向控制策略 466
第7章 電磁節(jié)能車實(shí)例 467
7．1 智能汽車競賽電磁節(jié)能組背景 467
7．2 硬件電路設(shè)計(jì)及傳感器的選擇 467
7．2．1 硬件電路設(shè)計(jì) 467
7．2．2 車模整體布局 468
7．2．3 系統(tǒng)整體概述 469
7．3 車模整體控制策略 469
7．3．1 方向控制策略 469
7．3．2 速度控制策略 470
7．3．3 無刷直流電機(jī) 471
7．4 節(jié)能控制策略 472
7．4．1 取電裝置 472
7．4．2 超級(jí)電容 473
7．5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 475
7．5．1 開發(fā)工具 475
7．5．2 PID控制算法 476
第8章 攝像頭車實(shí)例 477
8．1 攝像頭傳感器簡述 477
8．1．1 攝像頭的選型 477
8．1．2 CCD攝像頭的優(yōu)勢與缺陷 479
8．1．3 OV5116動(dòng)態(tài)集成攝像頭 480
8．2 整體方案設(shè)計(jì) 481
8．3 機(jī)械結(jié)構(gòu)與調(diào)整 482
8．4 系統(tǒng)架構(gòu)與硬件設(shè)計(jì) 482
8．4．1 模塊劃分及母板電路 482
8．4．2 CCD攝像頭模塊電路 483
8．4．3 硬件二值化電路 485
8．5 圖像采集處理 486
8．5．1 圖像采集 486
8．5．2 圖像處理 489
8．6 控制策略 490
8．6．1 控制方案 490
8．6．2 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)PID控制 492
8．6．3 轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制 493
8．7 難點(diǎn)突破與系統(tǒng)改進(jìn) 493
8．7．1 機(jī)械改進(jìn) 493
8．7．2 轉(zhuǎn)向控制的優(yōu)化 493
8．7．3 車體的防護(hù) 494
8．8 攝像頭單車參考代碼 494
第9章 攝像頭雙車實(shí)例 498
9．1 攝像頭雙車設(shè)計(jì)思路 498
9．2 攝像頭雙車硬件設(shè)計(jì) 499
9．3 攝像頭雙車組的賽道識(shí)別 500
9．4 控制策略 503
9．4．1 超車策略 503
9．4．2 沖點(diǎn)處理 505
9．5 難點(diǎn)突破與系統(tǒng)改進(jìn) 506
9．5．1 單車性能提升 506
9．5．2 超車過程優(yōu)化 506
9．6 攝像頭雙車組參考代碼 507
第10章 自平衡車實(shí)例（光電組） 510
10．1 自平衡組簡介 510
10．2 直立行走控制原理 510
10．2．1 直立行走任務(wù)分解 510
10．2．2 車模直立控制 512
10．2．3 車模速度控制 515
10．2．4 車模方向控制 516
10．2．5 車模傾角測量 517
10．2．6 車模直立行走控制算法總框架 521
10．3 硬件電路及傳感器安裝 522
10．3．1 硬件電路整體概覽 522
10．3．2 單片機(jī)最小系統(tǒng)MC9S12XS128MAL 523
10．3．3 陀螺儀＆加速度計(jì)模塊 524
10．3．4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 525
10．3．5 編碼器及測速電路 525
10．3．6 線性CCD模塊 528
10．3．7 輔助調(diào)試電路及電源設(shè)計(jì) 529
10．3．8 車模整體裝配方案 529
10．4 軟件算法設(shè)計(jì)參考 530
10．4．1 整體控制流程 530
10．4．2 MC9S12XS128MAL單片機(jī)資源分配 532
10．4．3 直立控制 537
10．4．4 速度控制 538
10．4．5 方向控制函數(shù) 540
10．4．6 電動(dòng)機(jī)控制函數(shù) 542
本章小結(jié) 543
第11章 信標(biāo)組實(shí)例 544
11．1 信標(biāo)組背景及其比賽規(guī)則 544
11．2 整體方案設(shè)計(jì) 544
11．3 機(jī)械結(jié)構(gòu)與調(diào)整 546
11．4 信標(biāo)組攝像頭傳感器簡述 546
11．5 圖像信號(hào)采集處理 547
11．5．1 圖像采集 547
11．5．2 圖像噪點(diǎn)處理與信標(biāo)位置的提取 549
11．6 整體控制策略 550
11．6．1 路徑選擇及優(yōu)化 551
11．6．2 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)PID控制 552
11．6．3 轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制 553
附錄 歷屆競賽新規(guī)則概覽 554
第十三屆競賽新規(guī)則概述 554
芯片變化 554
起跑線 554
賽道邊界判定 555
賽道元素改動(dòng)――坡道 555
賽道新元素――環(huán)島 556
賽道新元素――顛簸路面 556
比賽分組與車模限制 557
第十屆競賽新規(guī)則概述 557
芯片變化 557
車輛運(yùn)行方向變化 557
電磁組使用雙車追逐形式 557
燈塔起步與停車 559
新賽道元素――直角轉(zhuǎn)彎 561
新賽道元素――中心線 561
賽道元素改動(dòng)――障礙 561
賽道元素改動(dòng)――不對稱坡道 562
參考文獻(xiàn) 563