南京理工大學南理工電磁1隊技術報告

第五屆“飛思卡爾”杯全國大學生

智能汽車競賽技術報告學校：南京理工大學隊伍名稱：南理工電磁1隊參賽隊員：王蘇華金龍劉智君帶隊教師：吳益飛、郭健關于技術報告和研究論文使用授權的說明本人完全了解第五屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車邀請賽關保留、使用技術報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名：王蘇華金龍劉智君帶隊教師簽名：吳益飛郭健日期：2010810TOC\o"1-5"\h\z摘要 IV\o"CurrentDocument"第一章引言 1\o"CurrentDocument"課題研究背景及意義 1\o"CurrentDocument"智能車發(fā)展概況 1\o"CurrentDocument"智能車主要關鍵技術 31.3.2 車輛控制技術 4\o"CurrentDocument"“飛思卡爾”智能車比賽簡介 4\o"CurrentDocument"本文主要研究內(nèi)容 5\o"CurrentDocument"第二章智能車總體設計 7\o"CurrentDocument"1系統(tǒng)需求分析 7\o"CurrentDocument"系統(tǒng)總體組成結構 7\o"CurrentDocument"系統(tǒng)工作原理 10\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)特點說明 10\o"CurrentDocument"本章小結 11\o"CurrentDocument"第三章智能車機械設計 12\o"CurrentDocument"1基本結構參數(shù)介紹 123.1.1 模型車車體 123.1.3 直流電機 13\o"CurrentDocument"3.2機械結構調(diào)整與改造 153.2.1 前輪定位參數(shù)調(diào)整 153.2.4后輪差速機構調(diào)整 193.2.5后懸掛減震彈簧預緊力調(diào)整 20\o"CurrentDocument"3本章小結 22\o"CurrentDocument"第四章智能車硬件電路設計 23\o"CurrentDocument"4.1硬件電路總體組成結構框圖 23\o"CurrentDocument"2核心控制模塊 24\o"CurrentDocument"3電磁傳感器模塊 26?3?1 j4.3.2電路設計原理 33\o"CurrentDocument"4.4電源管理模塊 384.4.1+5V電源模塊 394.4.2+6V電源模塊 404.4.3+14V電源模塊 41\o"CurrentDocument"4.5電機驅(qū)動模塊 42\o"CurrentDocument"4.6舵機驅(qū)動模塊 444.7速度傳感器模塊.....： 457.2鑒相電路 46\o"CurrentDocument"8本章小結 47\o"CurrentDocument"第五章硬件電路PCB設計 48\o"CurrentDocument"1經(jīng)典EMC理論 48\o"CurrentDocument"2系統(tǒng)PCB設計簡介 49\o"CurrentDocument"3本章小結 49\o"CurrentDocument"第六章智能車軟件設計 -50 -\o"CurrentDocument"6.1系統(tǒng)軟件設計總體規(guī)劃 -50 -6.1.1 系統(tǒng)構架規(guī)劃 -50\o"CurrentDocument"6.2系統(tǒng)控制流程設計 -53 -\o"CurrentDocument"6.3系統(tǒng)模塊化程序設計 -55 -6.3.1 時鐘模塊 -556.3.2 電磁感器檢測模塊 -56-6.3.3 舵機、電機PWM控制模塊 -586.4 本章小結 -62 -\o"CurrentDocument"第七章智能車系統(tǒng)調(diào)試 -63 -\o"CurrentDocument"7.1系統(tǒng)各模塊調(diào)試 -63 -7.1.1 MCU最小系統(tǒng)調(diào)試 -637.1.2 母板調(diào)試 -637.1.3 電機驅(qū)動板調(diào)試 -647.2系統(tǒng)聯(lián)調(diào) -65 -7.3系統(tǒng)不足及改進方向 ~ 65 -7.4本章小結 -65 -\o"CurrentDocument"第八章總結 66致謝 67\o"CurrentDocument"參考文獻 I附錄A制作賽車車?；緟?shù) III\o"CurrentDocument"附錄B程序源代碼 V本文以第五屆“飛思卡爾”杯智能車比賽為背景，根據(jù)比賽相關要求，提出了基于電磁引導的車輛控制系統(tǒng)總體設計方案，并闡述了系統(tǒng)工作原理。在此基礎上，分模塊詳細介紹了基于電磁引導的系統(tǒng)硬件電路的設計與實現(xiàn)，主要包括傳感器模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、存儲器模塊及人機接口模塊、控制算法等，并且優(yōu)化了系統(tǒng)總體架構。最后，完成智能車系統(tǒng)的調(diào)試與運行,實際結果表明小車運行性能優(yōu)良。關鍵詞：智能汽車單片機電磁傳感器AbstractAccordingtorequirementsoftheFifthFreescaleCupNationalUndergraduateSmartCarContest,thehardwaresystemdesignproposalofthesmartcarguidingbyMRsensorisproposedinthispaper.Inthispaper,thegeneralstructureofthesmartcarsystemisintroducedbriefly.Further,thedesignandimplementationofthehardwaresystembasedonMRsensorindetailincludingpowermodules,motordrivemodules,memorymodulesandhumaninterfacemodule.Finally,thefunctionalmodulesaretestifiedaswellasthewholesystem.TheresultsshowthatusingtheMRsensortoguidethecarcanachievetherequirementsofthecompetition.KeywordsSmartCarMCUMRSensor第一章引言課題研究背景及意義智能汽車就是一種無人駕駛汽車，也可以稱之為輪式移動機器人，主要依靠車內(nèi)以計算機系統(tǒng)為主的智能駕駛儀來實現(xiàn)無人駕駛［25］。它一般是利用車載傳感器來感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。無人駕駛汽車從根本上改變了傳統(tǒng)的“人一車一路”閉環(huán)控制方式，將不可控的駕駛員從該閉環(huán)系統(tǒng)中請出去，從而大大提高了交通系統(tǒng)的效率和安全性?，F(xiàn)代無人駕駛汽車以汽車工業(yè)為基礎，以高科技為依托，遵循由低到高、由少到多、由單方面到多方面、螺旋上升的規(guī)律發(fā)展。其橫向發(fā)展離不開各種用途的實際需要，而其縱向發(fā)展的生命力在于持續(xù)不斷的技術創(chuàng)新。智能車發(fā)展概況達國家從20世紀70年代開始進行無人駕駛汽車研究，目前在可行性和實用性方面，美國和德國走在前列。我國在無人駕駛汽車的開發(fā)方面要比國外稍晚，但是經(jīng)過不懈努力也取得了豐碩的成果在20世紀80年代，美國就提出自主地面車輛(ALV)計劃，這是一輛8輪車,能在校園的環(huán)境中自主駕駛，但車速不高。1995年，一輛由美國卡耐基梅隆大學研制的無人駕駛汽車Navlab-V,完成了橫穿美國東西部的無人駕駛試驗。在全長5000km的美國州際高速公路上，整個實驗96%以上的路程是車輛自主駕駛的，車速達50—60km/h。盡管這次實驗中的Navlab—V僅僅完成方向控制，而不進行速度控制(油門及檔位由車上的參試人員控制)，但這次實驗已經(jīng)讓世人看到了科技的神奇力量。2005年，美國國防部“大挑戰(zhàn)”比賽上，最終由美國斯坦福大學工程師們改裝的一輛大眾途銳多功能車經(jīng)過7個半小時的長途跋涉完成了全程障礙賽，第一個到達了終點。在賽道上，無人駕駛汽車需要穿越沙漠、通過黑暗的隧道、越過泥濘的河床并需要在崎嶇險峻的山道上行使，整個行程無人駕駛汽車需要繞過無數(shù)個障礙［33］。在無人駕駛技術研究方面位于世界前列的德國漢堡Ibeo公司，最近推出了其研制的無人駕駛汽車。這輛無人駕駛智能汽車由德國大眾汽車公司生產(chǎn)的帕薩特2.0改裝而成，外表看來與普通家庭汽車并無差別，但卻可以在錯綜復雜的城市公路系統(tǒng)中實現(xiàn)無人駕駛。行駛過程中，車內(nèi)安裝的全球定位儀隨時獲取汽車所在準確方位的信息數(shù)據(jù)。隱藏在前燈和尾燈附近的激光掃描儀是汽車的“眼”，它們隨時“觀察”汽車周圍約183m內(nèi)的道路狀況，構建三維道路模型。除此之外，“眼”還能識別各種交通標識，如速度限制、紅綠燈、車道劃分、?？奎c等，保證汽車在遵守交通規(guī)則的前提下安全行駛。最后由無人駕駛汽車的“腦”——安裝在汽車后備廂內(nèi)的計算機，將兩組數(shù)據(jù)匯合、分析，并根據(jù)結果向汽車傳達相應的行駛命令。多項先進科技確保這款無人駕駛汽車能夠靈活換檔、加速、轉(zhuǎn)彎、剎車甚至倒車。在茫茫車海和人海中，它能巧妙避開建筑、障礙、其他車輛和行人，從容前行。我國在無人駕駛汽車的開發(fā)方面要比國外稍晚。國防科技大學從20世紀80年代開始進行該項技術研究。1989年，我國首輛智能小車在國防科技大學誕生,這輛小車長100cm、寬60cm、重175kg,有3個輪子，前輪是一個導向輪，后邊有兩個驅(qū)動輪。它包含了自動駕駛儀、計算機體系結構、視覺及傳感器系統(tǒng)、定位定向系統(tǒng)、路徑規(guī)劃及運動控制系統(tǒng)，還有無線電通信、車體結構及配電系統(tǒng)。1992年，國防科技大學研制成功了我國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。由計算機及其配套的檢測傳感器和液壓控制系統(tǒng)組成的汽車計算機自動駕駛系統(tǒng)，被安裝在一輛國產(chǎn)的中型面包車上，使該車既保持了原有的人工駕駛性能，又能夠用計算機控制進行自動駕駛行車。2000年6月，國防科技大學研制的第4代無人駕駛汽車試驗成功，最高時速達76km,創(chuàng)下國內(nèi)最高紀錄。其智能控制系統(tǒng)主要由3部分組成：傳感器系統(tǒng)、自動駕駛儀系統(tǒng)和主控計算機系統(tǒng)。由上海和歐盟科學家合作的中國城市交通中的無人駕駛技術(Cyberc3)項目取得了階段性成果，首輛城市無人駕駛車在上海交通大學研制成功?！盁o人駕駛技術”主要依靠車上的5個“器官”來保證。首先是位于車頭上的俯視攝像頭，它是車輛的“眼睛”，能夠準確識別地上的白線，從而判斷前進方向。在“眼睛”的一旁，一個凸出車頭的激光雷達就像車輛的“鼻子”，隨時“嗅”著前方80m范圍內(nèi)車輛和行人的“氣息”。而在車輛的左右兩側，兩只超聲傳感器就像車輛的“耳朵”，傾聽著四面八方的聲音。除了用“眼睛”指揮前進外，該車還可以通過另一種方式——用一只無形的“手”來感知地面的磁性物體，從而判斷前進方向，而這只“手”就是位于車頭底部的磁傳感器。但這種方法需要在車輛運行的道路上埋入磁釘。最后的“器官”便是車輛的“腦”了，位于遠處的遙控指揮中心是車輛的“大腦”，通過無線傳輸向車輛下達特殊指令；而車輛內(nèi)部的計算機則是它的“小腦”，通過匯聚“眼睛”、“鼻子”、“耳朵”、“手”所得到的信息來避開周圍車輛和行人。再配合程序中設計好的各景點的位置，無人駕駛車便能順利地將乘客送到他們想去的地方［34］。智能車主要關鍵技術無人駕駛汽車開發(fā)的主要技術有兩個方面：車輛定位和車輛控制技術。這兩方面相輔相成共同構成無人駕駛汽車的基礎。車輛定位技術車輛定位技術是無人駕駛汽車行駛的基礎。目前主要的定位技術有電纜導航、電磁導航、激光導航、GPS導航。(1)電磁傳感器導航技術要點該技術的實現(xiàn)方法是在車輛將要經(jīng)過的道路下埋設磁鐵(每個相距一定的間隔)。當車輛經(jīng)過磁鐵時，可以對位置進行檢測和校正。這項技術的優(yōu)點是可以減低對基礎設施的要求，但是車體的制造費用將會提高。也可以通過軟件對智能車輛的運行軌道進行調(diào)整，因為并不要求軌跡通過每個磁鐵。(2)電磁傳感器導航優(yōu)缺點電磁導航是目前最成熟可靠的方案，現(xiàn)大多數(shù)均采用這種導航技術。磁導航最大的優(yōu)點是不受天氣等自然條件的影響，即使風沙或大雪埋沒路面也一樣有效，而且便于維護。另外，通過變換磁極朝向進行編碼，可以向車輛傳輸?shù)缆诽匦孕畔ⅲT如位置、方向、曲率半徑、下一個道路出口位置等信息。但是,磁導航方法往往需要在道路上埋設一定的導航設備（如磁釘或電線），系統(tǒng)實施過程比較繁瑣，且不易維護，變更運營線路需重新埋設導航設備［37］。圖1.1集成型電磁傳感器車輛控制技術車輛控制技術是無人駕駛汽車的核心，主要包括速度控制和方向控制等幾個部分。無人駕駛其實就是用電子技術控制汽車進行的仿人駕駛。通過對駕駛員的駕駛行為進行分析可知，車輛的控制是一個典型的預瞄控制行為，駕駛員找到當前道路環(huán)境下的預瞄點，根據(jù)預瞄點控制車輛的行為。目前最常用的方法是經(jīng)典的智能PID算法，例如模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡PID、專家PID等。“飛思卡爾”智能車比賽簡介教育部為了加強大學生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)，在已舉辦全國大學生數(shù)學建模、電子設計、機械設計、結構設計四大競賽的基礎上，決定，委托教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦每年一度的全國大學生智能汽車競賽。比賽由國家教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦，飛思卡爾半導體公司協(xié)辦。由組委會提供統(tǒng)一的車模和單片機（通常為freescalel6位單片機），要求各參賽隊在不改變車模的底盤結構的前提下，通過選擇適當?shù)臋z測方案和控制算法，使車模能夠在專門設計的跑道上自主地識別路線行駛，單圈行駛時間最短的賽車獲勝。比賽限制使用的傳感器數(shù)量不得超過16個，總電容容量不得超過2000微法，電容最高充電電壓不得超過電池電壓。這樣，就提供了一個相同的比賽平臺，使各個參賽隊從檢測和控制的角度來解決這個問題。參賽隊伍必須仔細研究車模的數(shù)學模型以及其控制方案，最終能將車模的性能盡可能多地發(fā)揮出來［1,2,27,29］。圖1.2第五屆“飛思卡爾”智能車比賽華東賽區(qū)比賽場景本文主要研究內(nèi)容本文以第五屆全國大學生智能汽車競賽為背景，采用XS128單片機作為核心控制芯片，利用電磁傳感器進行路徑判斷，為了保證小車能有較高的行駛速度和良好的穩(wěn)定性，本文主要從硬件角度進行了以下幾方面的研究：(1)根據(jù)車輛的運動原理及相關機械結構的理論，對車模的機械結構進行調(diào)整，如調(diào)整舵機位置、改變舵機的傳動方式、調(diào)節(jié)主銷、電路板在車體的排布、電磁傳感器的安裝位置等；(2)分析智能車所需達到的技術要求，設計并制作出每一個模塊的PCB板，包括傳感器、芯片及電源等模塊，并對各個模塊進行檢測，確保各個模塊都能達到相應的技術指標；(3)將各個硬件模塊構建成完整的智能車系統(tǒng)，并對整個智能車系統(tǒng)進行聯(lián)機調(diào)試；本文結構安排如下：第一章，引言。介紹了課題研究背景及意義、無人駕駛汽車技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、全國大學生智能汽車競賽概況。最后介紹了本文的主要研究工作。第二章，智能汽車系統(tǒng)總體設計。包括需求分析、智能汽車系統(tǒng)總體設計方案、硬件結構框圖、主要子模塊的功能介紹和系統(tǒng)的工作原理介紹。第三章，智能汽車系統(tǒng)機械結構的設置與調(diào)整。根據(jù)汽車運動原理及機械結構的相關理論，對模型車車體機械系統(tǒng)的各部分進行了布局與調(diào)整。第四章，智能汽車系統(tǒng)的硬件電路設計。詳細介紹了各功能模塊的設計，包括方案的論證與確定，芯片和相關器件的選型與具體電路的設計。第五章，PCB電路板的設計與制造。對各模塊電路板的布局、布線方案進行介紹。第六章，智能汽車系統(tǒng)的調(diào)試。介紹了硬件系統(tǒng)各功能模塊的調(diào)試過程以及系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試。最后，對硬件系統(tǒng)存在的不足進行總結歸納，并給出了今后的改進方向。最后對整個工作進行了總結。第二章智能車總體設計系統(tǒng)需求分析本文所需設計的智能車系統(tǒng)，最終達到的要求是以盡可能高的速度完成比賽，這就要求小車的傳感器要有快速而準確的反應能力、動力系統(tǒng)能夠達到較高的速度、整車系統(tǒng)要有較高的穩(wěn)定性等。對應于傳感器模塊，因為電磁傳感器無法進行有效的前瞻觀測，所以這就要求傳感器對當前路徑的判斷要快速而準確判斷。為了在小前瞻的情況保證高速且不沖出賽道，這就要求電機驅(qū)動部分要有良好的加速與制動性能。另外，為了提高車輛的靈敏度與穩(wěn)定性，還要對它的機械機構進行相應的改進。智能汽車使用銀鎘電池組作為電源供給，而電池組的電量有限，故智能汽車應該通過電源模塊合理分配電池電量，最大限度地發(fā)揮電池的驅(qū)動能力，并合理的運用隔離技術，為系統(tǒng)的各個模塊提供穩(wěn)定的電力供給。最后為了使整個智能車系統(tǒng)達到較高的性能，需要對各個模塊進行合理設計，使各個部分有機統(tǒng)一起來，高效協(xié)調(diào)的工作。系統(tǒng)總體組成結構一般來說，智能汽車系統(tǒng)分為兩個部分：硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括了電路系統(tǒng)和機械系統(tǒng)；而軟件系統(tǒng)則可以分為底層代碼和實現(xiàn)算法，后者主要包括用于實現(xiàn)路徑識別的算法、電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)、舵機角度控制和導引策略等。具體層次結構如圖2.1所示。本文主要側重于基于電磁傳感器引導的硬件系統(tǒng)的設計。智能車系統(tǒng)圖2.1智能汽車系統(tǒng)結構圖根據(jù)需求分析，經(jīng)過仔細研究，決定采用模塊化設計。智能汽車的硬件系統(tǒng)由核心控制模塊(MCU)、電磁傳感器模塊、電源管理模塊、存儲器模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、人機接口模塊、無線通訊模塊和放電器模塊組成，如圖2.2所示。

上位機人機接口模塊顯示LED撥碼開關電源模塊伺服電機通塊

線模無線通訊

模塊舵機驅(qū)動

模塊核心控制模塊

(MCU)電機驅(qū)動上位機人機接口模塊顯示LED撥碼開關電源模塊伺服電機通塊

線模無線通訊

模塊舵機驅(qū)動

模塊核心控制模塊

(MCU)電機驅(qū)動

模塊存儲器模

塊傳感器模

塊加速度傳感器

速度傳感器

電磁傳感器直流電機圖2.2智能汽車控制系統(tǒng)總體設計框圖圖中各構成模塊功能介紹如下：(1)電源管理模塊：對電池電壓實時顯示，電平轉(zhuǎn)換并提供穩(wěn)壓輸出，為系統(tǒng)各模塊可靠供電。(2)人機接口模塊：提供運行模式輸入接口；顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。(3)無線通信模塊：將傳感器數(shù)據(jù)實時發(fā)送到上位機，便于上位機的數(shù)據(jù)分析，參數(shù)修正，從而提高調(diào)試效率。(4)核心控制模塊：以飛思卡爾16位單片機為核心控制器，完成傳感器信息的分析處理，決策直流電機及伺服舵機的控制。(5)傳感器模塊：包括電磁傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，其中速度傳感器部分又包括旋轉(zhuǎn)編碼器和鑒相電路。它們將前方路徑信息、車體速度信息和三軸加速度信息采集，并反饋給控制器。(6)電機驅(qū)動模塊：根據(jù)控制器輸出的PWM信號進行直流電機的轉(zhuǎn)速控制。(7)舵機驅(qū)動模塊：根據(jù)控制器輸出的PWM信號進行伺服舵機的角度控制。(8)存儲器模塊：采用SPI型EEPROM,為單片機提供充足的片外存儲空間，便于常用數(shù)據(jù)、指令的存儲和功能擴充。系統(tǒng)工作原理智能汽車系統(tǒng)的工作原理是預瞄理論和閉環(huán)控制理論的典型體現(xiàn)。其示意圖在本文中，智能車系統(tǒng)通過電磁傳感器來檢測當前賽道的信息，并將賽道信息傳送給單片機，單片機經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換得出一定數(shù)值，將其與設定的閾值進行比較。同時，智能車系統(tǒng)通過編碼器和加速度傳感器構成的反饋渠道將車體的行駛速度及加速度信息傳送給主控單片機。單片機綜合以上兩方面的情況做出決策判斷，并根據(jù)已經(jīng)設定好的程序內(nèi)容發(fā)出不同的PWM信號控制直流電機和舵機進行相應動作，從而實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向控制和速度控制?？刂葡到y(tǒng)特點說明(1)本系統(tǒng)采用了MC9S12XS128作為主控芯片。XS128是飛思卡爾公司推出的S12系列單片機的一款增強型16位單片機，片內(nèi)資源豐富，擁有SPI、SCI、IIC、A/D和PWM等常見的接口模塊，在汽車電子應用領域具有廣泛的用途。(2)為了提高系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)硬件方面采用了抗干擾技術。包括：信號光電隔離技術、多電源隔離技術、電磁兼容性分析等。(3)精簡的人機接口界面，電路板外形結構與實際車體尺寸裝配協(xié)調(diào)。(4)系統(tǒng)采用模塊化設計，便于故障檢測，另外各接口均留有相對應的備份,利于功能擴展和刪減。(5)電機驅(qū)動模塊采用了性能優(yōu)越的H橋驅(qū)動芯片TD340oH橋由大功率MOS管IRL7833s構成，避免了由于電機制動或堵轉(zhuǎn)引起的驅(qū)動模塊發(fā)燙，提高了電機的穩(wěn)定性、可靠性。(6)利用旋轉(zhuǎn)編碼器的雙相輸出，巧妙的通過一片D觸發(fā)器芯片74HC74搭建了一個鑒相電路，實現(xiàn)了車體行進方向的識別。5本章小結本章介紹了智能汽車控制系統(tǒng)的總體設計方案。首先分析了系統(tǒng)的需求，并根據(jù)需求劃分了系統(tǒng)的幾個模塊。在系統(tǒng)模塊化的基礎上，確定了硬件系統(tǒng)的具體方案，并簡要給出了系統(tǒng)的工作原理。本章的最后介紹了這套硬件系統(tǒng)的主要特點。第三章智能車機械設計1基本結構參數(shù)介紹由于本文以“飛思卡爾杯”全國大學生智能汽車競賽為背景，所以為了符合賽事的要求，一些最基本的器件型號相對固定。3.1.1模型車車體模型車車體由東莞市博思電子科技有限公司提供，型號為G768,長34.6cm,寬24.5cm,高7.0cm,重1.2kg。實物如圖3.1所示。圖3.1模型車車體然而，經(jīng)過長時間的實際調(diào)試，發(fā)現(xiàn)該模型車的底盤部分偏軟且做工較為粗糙，包括定位孔、懸架系統(tǒng)等多個方面。因此，有必要對其機械結構進行仔細的調(diào)整。3.1.2舵機舵機由Futaba公司提供，型號為S3010,具有低成本、高扭矩的特點。該舵機內(nèi)部結構為：舵盤、齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等。它的工作原理為：脈寬信號給定參考位置，舵機內(nèi)部電路通過反饋控制調(diào)節(jié)舵盤角位。舵盤角位由PWM控制信號的脈寬決定。舵機實物如圖3.2所示。

o舵機的技術規(guī)格如表o舵機的技術規(guī)格如表3.1所示。表3.1S3010舵機技術規(guī)格重量41［克］工作溫度范圍-10?+45［攝氏度］工作電壓范圍4.0?6.0［伏］消耗電流(6.0V,空載)停止：最大15［毫安］動作：115?175［毫安］輸出扭矩(6.0V)5.2?7.8［千克/厘米］動作速度(6.0V)0.14?0.18［秒/60度］最大轉(zhuǎn)角順時針：50?70［度］逆時針：50?70［度］左右差：最大10［度］3.1.3直流電機直流電機是由寧波市鄴州云龍卓航電機廠生產(chǎn)的RS-380sH-4045電機，如圖3.3所示。

圖3.3RS-380SH-4045宜流電機該電機的負載特性如圖3.4和表3.2所示。RS-380SH-40457.2V圖3.4電機負載特性表3.2電機特性參數(shù)電壓空載最大效率堵轉(zhuǎn)作范國制定電壓速度流速支電流扭矩*出功率扭矩E流r/minAr/minAmN.mg.cmWmN.mg.cmA3?97.2162000.5140603.2910.91111682.383921.6由上可知當電機堵轉(zhuǎn)時，電機性能將會嚴重下降。另外，堵轉(zhuǎn)電流很大,容易損壞電池，因此，在調(diào)試的過程中需要盡量避免堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。3.2機械結構調(diào)整與改造3.2.1前輪定位參數(shù)調(diào)整現(xiàn)代汽車在正常行駛的過程中，為了使汽車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動回正，并減小輪胎和轉(zhuǎn)向零件的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間形成一定的安裝位置，叫做車輪定位。其主要定位參數(shù)包括：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、車輪外傾和車輪前束。此模型車前輪的四項定位參數(shù)均可調(diào)。主銷后傾角：主銷在汽車的縱向平面內(nèi)（汽車的側面）有一個向后的傾角Y,即主銷軸線與地面垂直線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角，稱為“主銷后傾角”。主銷后傾，可以使汽車在車輪偏轉(zhuǎn)后會產(chǎn)生一個回正力矩，糾正車輪的偏轉(zhuǎn)。例如對上圖而言，這輛沿直線行駛的汽車突然開始偏轉(zhuǎn)，其輪胎沿圖中箭頭方向轉(zhuǎn)動。此時，在輪胎與路面的接觸點處，路面會對輪胎產(chǎn)生一個側向反作用力丫。由F丫不通過車輪主軸線，從而會形成使車輪繞主軸線旋轉(zhuǎn)的力矩YL。該力矩的方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，因此能使車輪恢復到原來的位置，從而保持了汽車直線行駛的穩(wěn)定性。另外，由上述原理不難看出，車速越快，主銷后傾角越大，車輪偏轉(zhuǎn)后自動回正的能力就越強。然而，車輪的回正力矩不宜過大。回正力矩將會導致車輪回正過猛，進而加速車輪的擺振，導致轉(zhuǎn)向沉重。通常將后傾的角度值設定在1°到3°之間。這里，對于本模型車而言，可以通過增減黃色墊片的數(shù)量來改變主銷后傾角：每側有4片墊片，前2后2后傾角為0°；前1后3,后傾角為2°到3°間；前0后4,后傾角為4°到6°間。為了確保車體直線行駛的平穩(wěn)性，這里采用“前0后4”的方案，即將后傾角設定為4°到6°之間，如圖3.5所示。圖3.5主銷后傾角調(diào)整示意圖主銷內(nèi)傾角：主銷在汽車的橫向平面內(nèi)向內(nèi)傾斜一個角度，即主銷軸線與地面垂直線在汽車橫向斷面內(nèi)的夾角，稱為“主銷內(nèi)傾角”，如圖3.6所示。向 <4^ 圖3.6主銷內(nèi)傾示意圖主銷內(nèi)傾角也有使車輪自動回正的作用。當轉(zhuǎn)向輪在外力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，由于主銷內(nèi)傾的原因，車輪連同整個汽車的前部將被抬起一定高度；當外力消失后，車輪就會在重力作用下恢復到原來的中間位置，從而起到靜態(tài)回正的作用。適當?shù)膬?nèi)傾角可以使轉(zhuǎn)向操縱輕便，但內(nèi)傾角同樣不宜過大，否則在轉(zhuǎn)向時車輪繞主銷偏轉(zhuǎn)的過程中輪胎會與路面產(chǎn)生較大的滑動，從而會增大路面與輪胎間的摩擦力。這不僅會使轉(zhuǎn)向變得沉重，還將加速輪胎的磨損，通常汽車主銷內(nèi)傾角不大于8°。模型車通過調(diào)整主銷連接螺桿的長度來改變主銷內(nèi)傾角。介于主銷內(nèi)傾角

的不恰當增大可能會影響轉(zhuǎn)向性能，故并沒有對這一參數(shù)進行調(diào)整，如圖3.7所圖3.7主銷內(nèi)傾角調(diào)整示意圖前輪外傾角：通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線圖3.8前輪外傾示意圖前輪外傾主要起著防止輪胎變形的作用。因為車體本身的重量，車體將因承載而變形，從而導致車輪內(nèi)傾，這將加速輪胎的偏磨損。為了使車輪接近垂直路面而滾動，使輪胎磨損均勻，安裝輪胎時應使其具有一定的外傾角。另一方面，適當?shù)耐鈨A也會延長車輪連接件的使用壽命。當然，這個角也不能過大,否則同樣會使輪胎產(chǎn)生偏磨損。一般前輪外傾角為1°左右，在對本模型車調(diào)節(jié)中，其底盤承重不大，前輪外傾角只有兩檔可調(diào)，設為0°即可。前輪前束：前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前驅(qū)離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束是為了減輕或者抵消前輪外傾而造成的不良后果，兩者間需要協(xié)調(diào)。車輪有了外傾角之后，就會導致兩側車輪向外滾開，車輪在路面上會出現(xiàn)邊滾邊滑的現(xiàn)象，從而加速輪胎的磨損。為了緩解這種情況，在安裝車輪時使兩輪前邊緣距離小于后邊緣距離，這樣可使車輪的滾動方向接近于正前方。模型車通過改變與舵機相連接的左右橫向拉桿的長度來改變前輪前束的大小。對本系統(tǒng)而言，由于前輪外傾角設置為0，故沒有進行前輪前束的調(diào)整，如圖3.9所示。圖3.9模型車前輪橫拉桿示意圖3.2.2后輪輪距調(diào)整車輛輪距對車輛的穩(wěn)定性有一定影響，較寬的輪距可以增加車輛的穩(wěn)定性,減少后輪側滑的可能性。智能汽車底盤套件有兩種輪距可供選擇，把后輪調(diào)整為了寬輪距，在一定程度上增加了車模的穩(wěn)定性。對后輪輪距的調(diào)整可以通過更換相應的塑料連接件來實現(xiàn)，如圖3.10所示。圖3.10更換塑料連接件可以調(diào)整后輪間距3.2.3齒輪傳動機構調(diào)整齒輪傳動機構對車模的驅(qū)動能力有很大的影響。齒輪傳動部分安裝位置的不恰當，會大大增加電機驅(qū)動后輪的負載，從而影響到最終成績。調(diào)整的原則是：兩傳動齒輪軸保持平行，齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會增加傳動阻力，白白浪費動力；傳動部分要輕松、順暢，容易轉(zhuǎn)動，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象。判斷齒輪傳動是否調(diào)整好的一個依據(jù)是，聽一下電機帶動后輪空轉(zhuǎn)時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機負載加大。調(diào)整好的齒輪傳動噪音小，并且不會有碰撞類的雜音。3.2.4后輪差速機構調(diào)整差速機構的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機。當車輛在正常的過彎行進中（假設：無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度），此時4個輪子的轉(zhuǎn)速（輪速）皆不相同，依序為：外側前輪＞外側后輪〉內(nèi)側前輪〉內(nèi)側后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機構。差速器的特性是：阻力越大的一側，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越高?以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側前輪輪胎所遇的阻力較大,輪速便較低。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速機構，在電機不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小，不會有遲滯或者過轉(zhuǎn)動情況發(fā)生。圖3.11差速輪調(diào)節(jié)示意圖3.2.5后懸掛減震彈簧預緊力調(diào)整后懸掛減震彈簧預緊力影響著智能汽車車體的剛度，如果該彈簧太過松弛,會導致將電池組等部件安裝上去后賽車底盤被壓低。過低的底盤可能與賽道發(fā)生摩擦影響速度，特別是在通過賽道上的坡道時更有可能發(fā)生。另外對于智能汽車系統(tǒng)來說，讓視覺傳感器在車體行進時保持平穩(wěn)十分重要，同時考慮到賽道比較平坦，因此這里將減震彈簧調(diào)整至最緊，保證車體行進時將震動減至最小。車模提供了不同厚度的墊片用于調(diào)整彈簧的預緊力，如圖3.12所示。圖3.12添加墊片可以增大減震彈簧預緊力然而，對于本智能汽車來說，由于采用了電池后置豎立的布局方案，后懸架被架高布置，這樣減震彈簧已經(jīng)被拉緊，就不用再通過增加墊片的方法來增大預緊力了。2.6舵機位置調(diào)整舵機是本控制系統(tǒng)中一個有著較大時間常數(shù)的延遲環(huán)節(jié)。由于這里所采用的舵

機的工作速度為0.16s/60度，對于對快速轉(zhuǎn)向性能要求很高的智能汽車來說，這將對其整體速度造成不利的影響，特別是對于前瞻不夠遠的智能汽車。分析舵機控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的原理可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠，在相同的舵機轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快。這相當于增大力臂長度，提高線速度。以圖3.13為例，在連桿轉(zhuǎn)過角度為一定值的情形下，其末端轉(zhuǎn)過的弧長為L：L=R。 (3.1)其中R為連桿長度，即轉(zhuǎn)向半徑。當與時，L,<L2,也就是說，連桿末端移動相同距離的情況下，長度越長，用時越短。圖3.13舵機轉(zhuǎn)角原理圖通過上述分析可知，可以通過加長舵機連桿長度的方法縮短舵機反應時間。然而，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)連桿長度過長的效果并不好。分析原因，不難發(fā)現(xiàn)如果舵機的力臂太長則會造成舵機的轉(zhuǎn)向力矩太小，PWM信號與角度不能很好的一一對應，對于舵機的控制會帶來很大的穩(wěn)態(tài)誤差，更為嚴重的后果是造成舵機的堵轉(zhuǎn)，導致燒毀。另外，由于舵機變速箱接卸結構精度產(chǎn)生的空程差也會在力臂加長中被放大，使得這一滯回非線性環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的不利影響增大。本文還考慮了另外一個方面，即舵機提供的力是否全部用于轉(zhuǎn)彎動作上。舵機在不提供轉(zhuǎn)角輸出時其連桿保持豎直，當連桿開始向右轉(zhuǎn)向時，舵機連桿末端對前輪橫向連桿會提供一個水平向右的力F。然而，如果前輪橫向連桿與水平方向存在一個夾角5,那么根據(jù)三角關系，沿著橫向連桿的力就只有尸：(3.2)F=Fcos8(3.2)可知，舵機提供的轉(zhuǎn)向力遭到了浪費。為了避免這種情況的發(fā)生，使得舵機提供的力能夠全部用于轉(zhuǎn)彎動作上，應該使橫向連桿保持水平。經(jīng)過實驗，本文認為將舵機連桿長度增至3.8cm左右可以取得較好的效果。通過將舵機立起來放置可以實現(xiàn)這一目標，同時左右轉(zhuǎn)向的控制量可以對稱,如圖3.14所示。圖3.14舵機的安裝效果圖3.3本章小結本章對模型車車體的優(yōu)化調(diào)整進行了介紹。根據(jù)汽車理論的基本知識，通過原理分析，對車體姿態(tài)參數(shù)進行了多方面的調(diào)整與優(yōu)化，包括前輪定位參數(shù)的調(diào)整、后輪輪距的調(diào)整、舵機位置的調(diào)整、后懸架減震彈簧的調(diào)整和后輪差速機構的調(diào)整，并取得了良好的效果。第四章智能車硬件電路設計要實現(xiàn)智能車所需達到的比賽要求，核心是硬件電路系統(tǒng)。硬件電路系統(tǒng)是智能車系統(tǒng)最基礎的部分，軟件系統(tǒng)也只有基于它才能實現(xiàn)。而在本文中不僅要完成智能車的硬件電路設計，還要完成車輛引導線上所通的20KHZ電源的設計。車輛最終實現(xiàn)的目標是以最快的速度完成比賽，所以在硬件電路的設計中不僅要追求系統(tǒng)的高效運行，也要追求系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。另外，為了便于排查故障，電路系統(tǒng)的設計要簡潔明了，能在較短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障原因。除了電路設計之外，還應綜合考慮電路板在車模上的具體排布，及由此引起的重心變化可能對小車性能造成的影響。4.1硬件電路總體組成結構框圖上位.機部分上位機uMAX232+USB轉(zhuǎn)換 部繳線性穩(wěn)壓芯片LM1117-3.36位LED燈撥碼開關EEPROMAT25256核心控制板MC9SI2XS128RESETPK|0-3|RXTALXTALPM2MISOO)PM3CSSO)PM44MOS10)PM5(SCKO)PA2-7+6.0V我性穩(wěn)壓芯片LM1117-ADJ+33V16M無源品振RC1Z位電路測狀LED上位.機部分上位機uMAX232+USB轉(zhuǎn)換 部繳線性穩(wěn)壓芯片LM1117-3.36位LED燈撥碼開關EEPROMAT25256核心控制板MC9SI2XS128RESETPK|0-3|RXTALXTALPM2MISOO)PM3CSSO)PM44MOS10)PM5(SCKO)PA2-7+6.0V我性穩(wěn)壓芯片LM1117-ADJ+33V16M無源品振RC1Z位電路測狀LED三WMdKkldPADO|I3-15]BKGDv?5.0V+、光耦隔離6N137整相電路74HC74電磁傳忠器模塊rXN-r'ld三dloaw69srd(t-WMd)hM舵機PB(0-7)PTO,PT2VDDRVDDAVDDXIVDDX2設性穩(wěn)田芯片

TPS7350其中，僚帶電池組輸出的7.2V電壓除了向電機供電之外，還向各穩(wěn)小芯片供電.圖4.1硬件電路總結構框圖2核心控制模塊本文中所使用的核心控制芯片是飛思卡爾公司生產(chǎn)的16單片機MC9S12XS128,它負責處理各傳感器所獲得的信息，并且加以判斷再向外發(fā)出控制信號，使小車穩(wěn)定運行。該芯片采用的是5V供電，芯片內(nèi)部含有128K的Flash存儲器，8K的RAM,8K的EEPROM,兩路串行通信接口（SCI）,一路串行外圍接口（SPI）,八路定時器通道，兩個（80引腳為一個）八路可調(diào)轉(zhuǎn)換精度的A/D口，八路PWM輸出，91（80引腳為59）個離散數(shù)字I/O口，一個

MSCAN模塊。其功能模塊如圖4.2所示。2LIN/SCI4-12KBRAMPWM8B8-ch.MSCAN64-256KBFlashECCTimer16B8-ch.SPI4-8KBDataFlash?ECC4-ch.PeriodicInterruptTimerGPIOINTCRGATD12B8-16-ch.DBGFMPLL64/112LQFP80QFPS12XCPU圖4.2MC9S12XS128單片機功能模塊示意圖MC9S12XS128的最小系統(tǒng)包含BDM接口、RC復位電路、母板接口、指示LED、5V電源接口及晶振，如圖4.3所示?？贛C9SI2XSI2Xq口MC9SI2XSI2Xq 1㈡圖4.3最小系統(tǒng)框圖在實際設計電路板的過程中，還考慮了器件間的相互干擾的問題，特地參考相關技術報告，重新布置了各個元件的位置，很好的實現(xiàn)了去耦、旁路與隔離，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。所設計的最小系統(tǒng)板如圖4.4所示。

圖4.4最小系統(tǒng)板3電磁傳感器模塊3.1設計原理(1)導線周圍的電磁場根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產(chǎn)生交變的電磁場。智能汽車競賽使用路徑導航的交流電流頻率為20kHz,產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻(VLF)電磁波。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻電磁破中間，為3kHz?30kHz,波長為100km?10km。如圖4.5所示：y.1澈長.CJtit-f：W*圖4.5電流周圍的電磁場示意圖導線周圍的電場和磁場，按照一定規(guī)律分布。通過檢測相應的電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導線的空間位置，這正是我們進行電磁導航的目的。由于賽道導航電線和小車尺寸1遠遠小于電磁波的波長入，電磁場輻射能量很小(如果天線的長度1遠小于電磁波長，在施加交變電壓后，電磁波輻射功率正比于天線長度的四次方)，所以能夠感應到電磁波的能量非常小。為此，我們將導線周圍變化的磁場近似緩變的磁場，按照檢測靜態(tài)磁場的方法獲取導線周圍的磁場分布，從而進行位置檢測。由畢奧-薩伐爾定律知：通有穩(wěn)恒電流I長度為L的直導線周圍會產(chǎn)生磁場，距離導線距離為r處P點的磁感應強度為：8='"sin例［〃o=4萬xlO.TmA) (4.1)圖4.6直線電流的磁場由此得B=f^"(cosq-cosg)，對于無限長直電流來說，4=0，O2=tc,則有 8=" (4.2)圖4.7無限長導線周圍的磁場強度在上面示意圖中，感應磁場的分布是以導線為軸的一系列的同心圓。圓上的磁場強度大小相同，并隨著距離導線的半徑r增加成反比下降［45］。(2)磁場檢測方法人類對于磁場的認識和檢測起源很早，我國古代人民很早就通過天然磁鐵來感知地球磁場的方向，從而發(fā)明了指南針。但是對于磁場定量精確的測量以及更多測量方法的發(fā)現(xiàn)還是在二十世紀初期才得到了突飛猛進的進展?，F(xiàn)在我們有很多測量磁場的方法，磁場傳感器利用了物質(zhì)與磁場之間的各種物理效應：磁電效應(電磁感應、霍爾效應、磁致電阻效應)、磁機械效應、磁光效應、核磁共振、超導體與電子自旋量子力學效應。下面列出了一些測量原理以及相應的傳感器：(a)電磁感應磁場測量方法：電磁線磁場傳感器，磁通門磁場傳感器，磁阻抗磁場傳感器。(b)霍爾效應磁場測量方法：半導體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。(c)各向異性電阻效應(AMR)磁場測量方法。(d)載流子自旋相互作用磁場測量方法：自旋閥巨磁效應磁敏電阻、自旋閥三極管磁場傳感器、隧道磁致電阻效應磁敏電阻。(e)超導量子干涉(SQUID)磁場測量方法：SQUID薄膜磁敏元件。⑴光泵磁場測量方法：光泵磁場傳感器。(g)質(zhì)子磁進動磁場測量方法。(h)光導纖維磁場測量方法。以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同，測量的磁場精度和范圍相差也很大。我們需要選擇適合車模競賽的檢測方法，除了檢測磁場的精度之外，還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應、尺寸、價格、功耗以及實現(xiàn)的難易程度進行考慮［45］。在下面所介紹的檢測方法中，我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應線圈的方案。它具有原理簡單、價格便宜、體積小(相對小)、頻率響應快、電路實現(xiàn)簡單等特點。通電導線周圍的磁場是一個矢量場，場的分布如圖四所示。如果在通電直導線兩邊的周圍豎直放置兩個軸線相互垂直并位于與導線相垂直平面內(nèi)的線圈，則可以感應磁場向量的兩個垂直分量，進而可以獲得磁場的強度和方向。圖4.8導線周圍的感應電磁場導線中的電流按一定規(guī)律變化時，導線周圍的磁場也將發(fā)生變化，則線圈中將感應出一定的電動勢。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場傳感器的內(nèi)部感應電壓E與磁場B⑴、電磁線圈的圈數(shù)N、截面積A的關系有：r...../ 、dB⑴ d①⑺ ....E=(NA)x ) = (4.3)°rdtdt感應電動勢的方向可以用楞次定律來確定。由于本設計中導線中通過的電流頻率較低，為20kHz,且線圈較小，令線圈中心到導線的距離為r,認為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的。再根據(jù)圖3所示的導線周圍磁場分布規(guī)律，則線圈中感應電動勢可近似為包」 (4.4)dtrdtr即線圈中感應電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導線的距離。其中常量K為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關的一個量，具體的感應電動勢常量須實際測定來確定。(3)雙水平線圈檢測方案不同的線圈軸線擺放方向，可以感應不同的磁場分量。我們先討論一種最簡單的線圈設置方案：雙水平線圈檢測方案。在車模前上方水平方向固定兩個相距L的線圈，兩個線圈的軸線為水平，高度為h,如圖4.9所示：圖4.9雙水平線圈檢測方案為了討論方便，我們在跑道上建立如下的坐標系，假設沿著跑道前進的方向為z軸，垂直跑道往上為y軸，在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中心線為x軸。xyz軸滿足右手方向。假設在車模前方安裝兩個水平的線圈。這兩個線圈的間隔為L,線圈的高度為h,參見下圖5所示。左邊的線圈的坐標為(x,h,z),右邊的線圈的位置(x-L,h,z)。由于磁場分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計算磁場強度的時候我們僅僅考慮坐標(x,y)o由于線圈的軸線是水平的，所以感應電動勢反映了磁場的水平分量。根據(jù)公式可以知道感應電動勢大小與」^成正比。x+h~

圖4.10感應線圈布置方案假設力巧CR,xe(-15,+15)cm,計算感應電動勢一3~千隨著線圈水平位x+h置x的變化取值，如圖4.11所示：圖4.11線圈中感應電動勢與它距導線水平位置x的函數(shù)

(4.5)如果只使用一個線圈，感應電動勢E是位置x的偶函數(shù)，只能夠反映到水平位置的絕對值x的大小，無法分辨左右。為此，我們可以使用相距長度為L的兩個感應線圈，計算兩個線圈感應電動勢的差值：(4.5)Ed~E'~E-~川+7-h2+(x-L)下面假設/=30cm，計算兩個線圈電動勢差值E”如圖4.12所示:圖4.12感應電動勢差值與與距離x之間的函數(shù)從圖4.17可以看出，當左邊線圈的位置x=15cm的時候，此時兩個線圈的中心恰好處于跑道中央，感應電動勢差值為0。當線圈往左偏移,x(15,30),感應電動勢差值小于零；反之，當線圈往右偏移,x(0,15)，感應電動勢大于零。因此在位移0?30cm之間，電動勢差值與位移x是一個單調(diào)函數(shù)?？梢允褂眠@個量對于小車轉(zhuǎn)向進行負反饋控制，從而保證兩個線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。通過改變線圈高度h,線圈之間距離L可以調(diào)整位置檢測范圍以及感應電動勢的大小［45］。

4.3.2電路設計原理從上面檢測原理可以知道，測量磁場核心是檢測線圈的感應電動勢E的幅值。下面將從感應線圈、信號選頻放大、整流與檢測等幾個方面討論電路設計的問題，最后給出電路設計系統(tǒng)框圖和實際電路。(1)感應磁場線圈檢測線圈可以自行繞制，也可以使用市場上能夠比較方便購買的工字型10mH的電感。如圖4.13所示。圖4.圖4.13幾種10mh電感這類電感體積小，Q值高，具有開放的磁芯，可以感應周圍交變的磁場。如圖4.14所示：圖4.14工字磁材電感(2)信號選頻放大使用電感線圈可以對其周圍的交變磁場感應出響應感應電動勢。這個感應電動勢信號具有以下特點：a.信號弱：感應電壓只有幾十個毫伏。在檢測幅值之前必須進行有效的放大,放大倍數(shù)一般要大于100倍(40db)。

b.噪聲多：一般環(huán)境下，周圍存在著不同來源、不同變化頻率的磁場。如表4.1所示:表4.1典型的環(huán)境磁場強度范圍磁場環(huán)境磁場性質(zhì)磁場強度（高斯）家用電器周圍一米范圍50Hz10'3-10-2地表面地球磁場恒定0.2-0.5工業(yè)電機和電纜周圍十米范圍50Hz1-100長波通訊>30KHzlO^-lO-3賽道中心導線周圍0.5米范圍20KHz10<10-2比賽選擇20kHz的交變磁場作為路徑導航信號，在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場的干擾，因此信號放大需要進行選頻放大，使得20kHz的信號能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號的影響。可以使用LC串并聯(lián)電路來實現(xiàn)選頻電路（帶通電路），如圖4.15所示：圖4圖4.15RLC并聯(lián)諧振電路上述電路中，E是感應線圈中的感應電動勢，L是感應線圈的電感量,27r4LCR0是電感的內(nèi)阻，C是并聯(lián)諧振電容。上述電路諧振頻率為：f0=已知感應電動勢的頻率0f=2。kHz,感應線圈電感為￡=10加〃，可以計算27r4LC出諧振電容的容量為：c=——二一= i- =6.33x109(F) (4.5)(27/(2^x20x103)x10x10-3通常在市場上可以購買到的標稱電容與上述容值最為接近的電容為6.8nF,所以在實際電路中我們選用6.8nF的電容作為諧振電容。為了驗證RLC選頻電路的效果，我們對比了在有和沒有諧振電容兩種情況下的電感輸出的感應電壓。在導線中通有20kHz左右，100mA左右方波電流，在距離導線50mm的上方放置垂直于導線的10mH電感，使用示波器測量輸出電壓波形。如圖4.16所示。(a)沒有諧振電容時感應電壓輸出 (b)有諧振電容時感應電壓輸出圖4.16測量感應線圈兩端的感應電壓從上面結果可以看出，增加有諧振電容之后，感應線圈兩端輸出感應20KHz電壓信號不僅幅度增加了，而且其它干擾信號也非常小。這樣無論導線中的電流波形是否為正弦波，由于本身增加了諧振電容，所以除了基波信號之外的高次諧波均被濾波除掉，只有基波20kHz信號能夠發(fā)生諧振，輸出總是20KHz正弦波。為了能夠更加準確測量感應電容式的電壓，還需要將上述感應電壓進一步放大，一般情況下將電壓峰峰值放大到1-5V左右，就可以進行幅度檢測，所以需要放大電路具有100倍左右的電壓增益(40db)o最簡單的設計可以只是用一階共射三極管放大電路就可以滿足要求，如圖4.17所示：+5VLIlOmH6.8nFRlC2/104510k—JR2C3/104—0LIlOmH6.8nFRlC2/104510k—JR2C3/104—0放大榆出T1Vout1815di0>150圖4.17單管共射交流放大電路(3)幅度測量測量放大后的感應電動勢的幅值E可以有多種方法。最簡單的方法就是使用二極管檢波電路將交變的電壓信號檢波形成直流信號，然后再通過單片機的AD采集獲得正比于感應電壓幅值的數(shù)值。如圖4.23所示圖4.18倍壓檢波電路圖4.23給出了倍壓檢波電路可以獲得正比于交流電壓信號峰峰值的直流信號。為了能夠獲得更大的動態(tài)范圍，倍壓檢波電路中的二極管推薦使用肖特基

二極管或者錯二極管。由于這類二極管的開啟電壓一般在0.1-0.3V左右，小于普通的硅二極管(0.7V),可以增加輸出信號的動態(tài)范圍和增加整體電路的靈敏度。實際上，可以不使用檢波電路，而直接將上述單管放大電路中，三極管集電極電壓接入單片機的AD端口，使用單片機直接采樣交變電壓信號，如圖4.19期的電壓信號(大約100期的電壓信號(大約100數(shù)據(jù)左右)，就可以直接從采集的數(shù)據(jù)中最大值減去最小值獲得信號的峰峰值。假設采集了128個數(shù)據(jù)：X,，i=l,2,3....128,計算信號的峰峰值匕色可以有下式計算:x1Mx=max(Xj,z=1,2,—,128)(4.6)上面計算計算方法由于只用應用了數(shù)據(jù)的最大值、最小值，所得結果容易受到噪聲的影響，所以還可以通過計算數(shù)據(jù)交流信號的平均值、有效值反映信號的幅值：

128 12S 128之忖一可fa-亍)V=-i=l—x=-i=J x=-i=l 卜128，m128 ，* 128(4.7)根據(jù)以上分析，檢測電路的框圖如圖4.20所示：I7卜/\選頻檢波WWIOOqA義文直接AD采I7卜/\選頻檢波WWIOOqA義文直接AD采樣>200ksps強代避2圖4.20檢測電路系統(tǒng)框圖oilC2/IO4磁場感應4.4電源管理模塊電源的管理對于一個較復雜的多模塊系統(tǒng)是十分有必要的。在本文所涉及的智能車系統(tǒng)中，各個模塊需要不同的電壓，因此對電源系統(tǒng)進行有效的管理是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要保障。比賽組委會只允許使用一塊7.2V、2A/h的鍥鎘電池供電，電力資源比較有限，而電機、舵機在高速運行的過程當中，勢必會消耗大量的電能，而電磁傳感器部分對電流的變化又十分敏感，所以合理設計電源管理模塊就顯得尤為重要。系統(tǒng)主要模塊的供電分析如圖4.21所示圖4.21硬件系統(tǒng)供電分析圖從以上分析可知，主要有14V、7.2V、6V、5V等幾個供電模塊。4.4.1+5V電源模塊+5V電源是電源模塊最重要的部分，因為核心模塊及電磁傳感器模塊都工作在這個電壓下，另外旋轉(zhuǎn)編碼器、鑒相電路中的D觸發(fā)器等也是需要這個電壓。對于+5V電源部分，除了對性能上的嚴格要求外，還由于賽事規(guī)則中對系統(tǒng)的電容總量限制不得大于2000微法，同時電路板的空間和散熱問題也不得不加以考慮。電源調(diào)節(jié)器件通常使用最多的是線性穩(wěn)壓器件（如78xx系列三端穩(wěn)壓器件）。雖然這種線性穩(wěn)壓器具有輸出電壓恒定或可調(diào)、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點，但是由于其線性調(diào)整工作方式在工作中會造成較大的“熱損失”（其值為V壓降XI負荷）,導致其電源利用率不高、工作效率低下，不易達到便攜式設備對低功耗的要求。與線性穩(wěn)壓器件相比，開關電源調(diào)節(jié)器以完全導通或關斷的方式工作，通過控制開關管的導通與截止時間，有效的減少工作中的“熱損失”，保證了較高的電源利用率。開關管的高頻通斷特性以及串聯(lián)濾波電感的使用對來自于電源的高頻干擾具有較強的抑制作用。同時由于其低功耗特點，在進行電路板設計時,可以減少散熱片的體積和PCB板的面積，有時甚至不需要加裝散熱片，方便了電路設計與使用，但是由于其工作壓降要求在1.0V以上，卻限制了該類型開關電源在某些便攜式移動設備上的使用。針對線性穩(wěn)壓電源與開關電源存在較高工作壓降的問題使得這兩類電源調(diào)節(jié)器件不易廣泛應用于便攜式移動設備中，我們采用了一種低壓差線性電源芯片TPS7350來作為智能車的電源調(diào)節(jié)器件。TPS7350具有輸入電壓范圍大，過熱、過流及電壓反接保護，輸出電流為150mA時壓差小于0.1V等特點，特別是當其輸出電流為100mA時，壓差僅僅為0.035V,可保證電池電壓在+7V?+5.IV范圍內(nèi)變化時，輸出穩(wěn)定的5V電壓，顯著的提高了電源的利用效率。TPS7350的電路連接如圖4.22所示圖4.22TPS7350電路連接圖由電路圖可見，TPS7350的電路構成非常簡潔，而且TPS7350通常不需要輸入電容，但是當TPS7350位于電源幾英寸遠的地方時，使用陶瓷旁路電容可以改善負載瞬態(tài)響應與噪聲抑制功能。為了保持輸出電壓的穩(wěn)定性，通常在輸出端與地之間加一個10uF的固態(tài)鋰電容就足以保證全負載范圍內(nèi)器件的穩(wěn)定性。4.4.2+6V電源模塊參考舵機的技術規(guī)格可知，其工作電壓為4-6Vo由于提高舵機的工作電壓可以縮短舵機的反應時間，所以選擇其工作電壓的上限6V來供電。與5V電源苛刻的性能要求相比，6V電源的性能指標要寬松一些，故其選型也比較容易，這里采用國家半導體公司的低壓差線性穩(wěn)壓芯片LM1117-ADJ來實現(xiàn)。LM1117-ADJ的輸入電壓最大可達20V,工作溫度范圍為-65℃到150℃。本文選用的是貼片封裝SOT-223,體積輕巧，使得布局更加靈活。LM1117-ADJ的輸出電流最大可達800mA,此時其工作壓差為1.2V,基本可以滿足要求。對

LM1117-ADJ可以使用一個外部可變電阻使其輸出電壓在1.25V到13.8V之間調(diào)整，然而舵機所需的電壓值已經(jīng)確定，加之電位器的封裝尺寸較大，故這里用一個固定阻值電阻來代替電位器。查閱數(shù)據(jù)手冊知輸出電壓計算公式如下：^OUT=^OUT=VrEF(1+廣)(4.8)式中，為基準電壓L25V,&為變阻器的阻值。這里使&=120。,&=470。，這樣，V（）UT=1.25(1+470120）=6.15V。電路連接如圖4.23所&=470。，這樣，V（）UT=1.25(1+470120）=6.15V。電路連接如圖4.23所VbaC4

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lOOif》、470470GND圖4.23LM1117-ADJ電路連接圖4.3+14V電源模塊對于電機的驅(qū)動芯片TD340來說，它需要12V以上電源電壓供電，但是在實際測試過程當中，發(fā)現(xiàn)12V的電壓并不能取得很好的效果，于是經(jīng)過逐步提升電壓值，最終在電壓達到14V時，芯片的工作狀態(tài)趨近于最佳。所以必須進行升壓，以得到14V電壓。經(jīng)參閱往年相關資料，發(fā)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換芯片MC34063可以很好的實現(xiàn)升壓操作。34063是一種用于DC-DC電源變換的集成電路，應用比較廣泛，并且廉價易購。其極性反轉(zhuǎn)效率最高65%,升壓效率最高90%,降壓效率最高80%。另外，當其輸出功率達不到要求的時候，比如需求電流大于300mA時，可以通

過外接擴功率管的方法擴大電流,雙極型或MOS型擴流管均可。但是對于TD340來說，其輸出電流已經(jīng)足夠。MC34063內(nèi)部原理如圖4.24所示：圖4.24MC34063內(nèi)部原理圖MC34063體積小巧，便于集成，且輸出電壓值可以通過外接電阻方便調(diào)節(jié),可用它來為TD340供電。圖4.25為其電路連接圖。電機驅(qū)動模塊電機是智能車正常運行的最重要的部件，電機的穩(wěn)定供電是小車平穩(wěn)可靠運行的重要保障。本文在參照歷屆比賽不同的驅(qū)動方案后，最后綜合分析，結合實際情況，選擇了MOSFET驅(qū)動芯片加全橋的驅(qū)動方案。選擇合理的MOSFET驅(qū)動芯片對于整個電機驅(qū)動模塊是十分重要的，經(jīng)過

對不同芯片的測試，最終H橋驅(qū)動芯片選用了ST公司的TD340,該芯片接口簡單，適合于驅(qū)動N溝道功率MOS管，控制直流電機。該器件內(nèi)集成有可驅(qū)動N溝道高半橋功率MOS管的電荷泵和內(nèi)部PWM發(fā)生器，可進行速度和方向控制而且功耗很低，同時具有過壓(>20V)、欠壓(<6.2V)保護功能，以及反向電源有源保護功能。TD340內(nèi)含可調(diào)的頻率開關(0-25kHz)及待機模式，且集成有看門狗和復位電路。當CF端通過電容接地時，0-5V的模擬輸入內(nèi)部即可產(chǎn)生PWM信號；當CF端直接接地時，要外部PWM輸入。圖4.26是TD340的內(nèi)部原理與典型應用電路。BATT*BATT*圖4.26TD340內(nèi)部原理與典型應用電路圖在本方案中，要能夠保證性能，功率MOSFET的選擇也尤為重要。經(jīng)參照多種功率MOSFET的性能，發(fā)現(xiàn)IRL7833比較合適。由IRL7833組成的H橋驅(qū)動導通壓降不超過10m,而承載電流可達100A以上，且體積適中，便于緊湊布局。其驅(qū)動電路如圖4.27所示。>ND圖4.27H橋電機驅(qū)動電路圖舵機驅(qū)動模塊由于舵機在智能車控制系統(tǒng)中的特殊地位，其響應時間對于控制轉(zhuǎn)向的靈活性非常重要。影響舵機工作性能的兩項重要參數(shù)一一工作速度與堵轉(zhuǎn)力矩都直接與驅(qū)動模塊的穩(wěn)定性息息相關。舵機負責智能汽車的轉(zhuǎn)向，舵機模塊能否穩(wěn)定的工作直接影響到智能汽車在賽道上高速行駛時的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)向時的靈敏度和精確度。本系統(tǒng)的舵機由大賽組委會統(tǒng)一提供，型號為FutabaS3010。該舵機主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等構成。工作原理為：舵盤角位由單片機發(fā)出的PWM控制信號的脈寬決定，舵機內(nèi)部電路通過反饋控制調(diào)節(jié)舵盤角位。由于自身即為角度閉環(huán)控制，而且性能較好，故系統(tǒng)中就不必考慮外加舵機閉環(huán)。因此，相對于電機驅(qū)動模塊，舵機驅(qū)動要簡單得多，如圖4.28所示。RI5R16：PWM3Vmcu4.7kWU5NCANODE6N137VCCENABLEVsensorCATHODEOUTPUTNCJ26PWMSTR1GNPII104C16RI5R16：PWM3Vmcu4.7kWU5NCANODE6N137VCCENABLEVsensorCATHODEOUTPUTNCJ26PWMSTR1GNPII104C164.7kGND321接口圖4.28舵機驅(qū)動接口速度傳感器模塊為了使得賽車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運行，需要控制車速，使賽車在急轉(zhuǎn)彎時速度不至過快而沖出賽道。通過控制驅(qū)動電機上的平均電壓可以控制車速，但是如果開環(huán)控制電機轉(zhuǎn)速，會受很多因素影響，例如電池電壓、電機傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會造成賽車運行不穩(wěn)定。通過速度檢測，對車模速度進行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模運行得更穩(wěn)定。此外，在記憶算法中為了記錄道路信息，需要得到賽車運行距離，這也可以通過車速檢測來實現(xiàn)。4.7.1速度傳感器的選型車速檢測的方式有很多種，例如用測速發(fā)電機、轉(zhuǎn)角編碼盤、反射式光電檢測、透射式光電檢測和霍爾傳感器檢測。本文選擇使用光電編碼器來作為小車的速度傳感器。系統(tǒng)選用的是日本OMRON公司生產(chǎn)的E6A2-CW3C增量式光電編碼器。該編碼器提供兩相輸出，體積小，質(zhì)量輕，線數(shù)多，能夠滿足實際的需要。另外，專門選用了齒數(shù)較少的傳動齒輪，有利于提高編碼器與電機的轉(zhuǎn)速比，使相同速度下采到的脈沖數(shù)更多，有效提高了速度反饋的精度。但在安裝編碼器時需要注意齒隙的配合，過緊可能會增加電機的負載，成為額外的阻力；過松可能會打壞齒輪，如圖4.29所示。

圖4.圖4.29E6A2-CW3C編碼器4.7.2 鑒相電路速度是一個矢量，不僅具有數(shù)值信息，還有方向信息。然而，用上述的脈沖計數(shù)法只能獲取數(shù)值信息，卻無法得知車體行駛的方向信息。為此，專門設計了一個鑒相電路來解決此問題，如圖4.30所示。VmcuU974HC74VCC2RD2D2cpSdGND 7GND 7圖4.30鑒相電路原理圖系統(tǒng)所采用的編碼器提供兩相輸出，即A相和B相。當智能汽車向前行駛時，編碼器從軸側看是向左旋轉(zhuǎn)的，此時兩相輸出如圖4.31所示。旋轉(zhuǎn)方向：CCW（從軸側看：左旋轉(zhuǎn)）1/41±1/81(90°±45*)ON(H)*OFRL)ON(H)OFRL)1/41±1/81(90°±45*)ON(H)*OFRL)ON(H)OFRL)3嚴&圖4.31編碼器左旋轉(zhuǎn)時兩相輸出波形圖由波形圖可知，此時A相滯后B相90°。本文正是根據(jù)這個90°相差，巧妙地利用一片D觸發(fā)器74HC74構建了一個鑒相器。在該鑒相器中，以A相輸出作為輸入時鐘信號，B相輸出作為輸入數(shù)據(jù)信號。當編碼器左旋轉(zhuǎn)時，由于A相滯后B相90°,相當于A相上升沿時B相總為高電平，根據(jù)D觸發(fā)器的工作原理，74HC74的Q腳輸出恒為高電平。反之，在編碼器右旋轉(zhuǎn)時則輸出低電平。這樣，就實現(xiàn)了鑒相的功能，如圖4.32所示。圖4.32鑒相電路在編碼器左、右旋轉(zhuǎn)時的波形圖8本章小結本章介紹了硬件系統(tǒng)主要模塊的設計原理及設計方法，包括核心控制模塊、電源管理模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、電磁傳感器模塊、速度傳感器模塊，并就具體方案的實習提出了切實有效的改進措施。第五章硬件電路PCB設計一套設計合理的PCB板是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的重要保障，本文采用的是電路設計軟件Protel99SE進行各模塊PCB板的開發(fā)。在開發(fā)的過程中還要特別考慮到電磁兼容的問題。1經(jīng)典EMC理論電磁兼容就是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。騷擾源、耦合途徑及敏感設備是電磁干擾的三要素。經(jīng)典EMC理論里兩種最基本、最重要的理論就是被動組件的高頻隱藏特性及信號返回路徑理論。在PCB中，許多被動組件在高頻條件下特性會有所改變，表5.1展示了四種最基本被動組件的高頻隱藏特性［4,5］。表5.1四種最基本被動組件的高頻隱藏特性被動組件等效高頻特性導線電阻兩端與電感串聯(lián)電阻電阻與電容并聯(lián)后，兩端與電感串聯(lián)，即諧振特性電容電容兩端和電阻及電感串聯(lián)電感電容和電感并聯(lián)，兩端與電阻串聯(lián)由表可知，高頻情況下四種基本器件的特性均有所改變，而其中共同的特點是隱藏的電感特性在高頻下均體現(xiàn)了出來。可以看出，高頻條件下的感抗問題是EMC設計必須處理好的問題。所謂信號返回理論是指信號在傳輸時，信號的流向是從驅(qū)動器沿PCB傳輸線到負載，再由負載沿著地或電源通過最短路徑返回驅(qū)動器端［4］。這個在地或電源上的返回信號就稱信號返回路徑。實際上，高頻信號的傳輸就是對傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程［4］。無論什么信號都必然有其返回路徑，并且信號總是以感抗最小的路徑回流。如果電路中沒有去耦電容，信號的回流就需要多走很長的距離才能返回源端，根據(jù)電磁感應，這段距離會大大增加串擾和EMC問題。因此，在設計PCB板的時候，需要精心布局、布線以保證信號的最小返回路徑。5.2系統(tǒng)PCB設計簡介PCB設計過程如下：首先仔細檢查電路原理圖的正確性，在確定沒有原理性錯誤后進行電氣特性檢查，確保一切無誤后根據(jù)此原理圖生成相應的PCB文件。然后根據(jù)所需要的尺寸在機械層和禁止布線層上畫出PCB板的形狀。PCB板的形狀尺寸與智能汽車底盤的形狀相匹配，在合適的位置放置孔以便將PCB板固定在底盤的支架上。將所有的元件按照功能模塊的不同分別擺放在PCB板上的不同區(qū)域，擺放時盡量使單片機最小系統(tǒng)居于中間，其他模塊圍繞單片機放置，數(shù)字信號模塊與模擬信號模塊分開的原則。主要元件擺放好后，將主要元件的外圍電路期間圍繞主要元件排布。元件應擺放得整齊緊密充分利用板上的空間，并避免電解電容等高度較高的元件與子板相沖突。元件排布確定后，就可以制定布線規(guī)則并開始布線了。布線規(guī)則主要需要設置線寬、過孔尺寸、安全距離以及導線轉(zhuǎn)角類型。系統(tǒng)采用的一般信號線的寬度為電源和地線以及電機驅(qū)動線的寬度則要大得多。信號線的拐角避免直角和銳角，因為在直角和銳角處導線的阻抗會不平均，從而影響電氣性能。相鄰導線間距必須能滿足電氣安全要求，設計時普通安全距離采用lOmil,敷銅的安全間距設置為20mil。PCB布線，最好采用手動布線，因為手動布線可以保證電源和地線走線的有序，并使重要的信號線避開干擾大的器件，保證信號質(zhì)量。3本章小結本章介紹了兩種EMC經(jīng)典理論，并做了簡單分析。最后，本章介紹了系統(tǒng)PCB板設計的流程和設計原則。第六章智能車軟件設計系統(tǒng)軟件設計總體規(guī)劃1.1系統(tǒng)構架規(guī)劃本次的智能車控制系統(tǒng)涉及的控制模塊比較多，因此采用的是模塊化的設計方法，正是由于這樣的模塊化設計，對于開始的軟件系統(tǒng)的構架的規(guī)劃就比較重要，因為構架的不好可能到最后模塊聯(lián)調(diào)的時候根本無法多個模塊一起工作，或者模塊之間的關系變得很復雜，導致一旦出現(xiàn)錯誤，無法定位錯誤的源頭。針對智能車控制系統(tǒng)主要涉及的幾大模塊，在軟件系統(tǒng)上根據(jù)程序模塊化的設計思想，對智能車系統(tǒng)的程序做以下的模塊劃分：：單片機內(nèi)部時鐘驅(qū)動模塊、中斷模塊、傳感器檢測模塊、舵機電機驅(qū)動模塊、TD340電機驅(qū)動模塊、控制模塊。以上的劃分主要是為了代碼的相對獨立性，當需要改模塊時，只要將相應的源代碼的c文件和函數(shù)聲明變量定義的頭文件h文件添加到工程，同時在總頭文件中包含相應的功能模塊的頭文件即可，這樣的設計可以很方便的添加和刪除相應的功能模塊。當軟件的系統(tǒng)構架完成之后，就得對這樣一個骨架中再進一步細分各個模塊的功能和使用以及組織情況。目前的規(guī)劃是在建立的整個工程中，先建立一個main.c文件和一個Includes.h文件，main.c文件用于全局的調(diào)用系統(tǒng)的各個功能函數(shù)完成相應功能，而inc