“恩智浦”杯智能汽车设计与实例教程

本书以全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛为背景，讲述智能汽车设计的整体思路与技术难点，从元器件选购到相关专业知识讲解，全方位展示了智能汽车的实际制作与调试过程。本书分为11章，第1章为全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛的总体介绍；第2～4章分别为硬件设计、软件设计及机械结构设计；第5章介绍了恩智浦系列芯片的相应模块，包括MC9S12XS128、MCF52259、Kinetis K60及MPC5604；第6～11章给出了电磁、节能、摄像头、光电及自平衡、信标等组别智能汽车的实例制作过程。本书以智能汽车竞赛为切入点，提炼了智能汽车竞赛的技术精要，全方位阐述了一套完整的、具有自动控制功能的嵌入式系统方案设计蓝图，不仅适用于各个阶段研究智能汽车的读者，还可供嵌入式系统与自动控制相关专业的本科生、研究生用作参考资料。

隋金雪，男，1977年9月生，博士，副教授。现任山东工商学院信息与电子工程学院教师，自动化教研室主任。2001年7月毕业于山东理工大学工业自动化专业，并获学士学位；2005年4月毕业于东北电力大学控制理论与控制工程专业，并获工学硕士学位； 2009年12月毕业于导航、制导与控制专业，并获工学博士学位。2005年4月至今在山东工商学院信息与电子工程学院自动化系任教，先后担任自动化教研室副主任、教研室主任、自动化党支部书记。多次荣获山东工商学院优秀教师、优秀党员、工会活动积极分子，2011年荣获烟台市优秀共产党员。从教7年来，曾主讲过《自动控制原理》、《现代控制理论》、《控制系统仿真》、《自动化导论》等7门课程，治学严谨、教学经验丰富，讲课启发性强，理论联系实际，富有激情，有较强的感染力，教学效果优秀，学生网上评教一直名列全校前茅，深受学生欢迎。注重教学理论和教学经验的研究和总结，积极进行教学研究，将自己的科研融于教学之中，先后在国内外教学研究刊物上公开发表教学研究论文 10余篇；获山东工商学院教学效果二等奖2项。辅导学生参加以自动化专业技术为主的全国（或山东省）大学生电子设计竞赛、“恩智浦”杯智能汽车竞赛，并多次获奖。

第1章 竞赛简介 1
1.1 竞赛与规则简介 1
1.1.1 竞赛介绍 1
1.1.2 竞赛规则 2
1.2 历届竞赛承办单位及获奖情况 2
1.3 历届竞赛变化趋势 4
第2章 智能汽车硬件设计 5
2.1 供电模块电路设计 6
2.1.1 单片机供电电路设计 6
2.1.2 舵机供电电路设计 8
2.1.3 特殊传感器的升压供电 10
2.1.4 传感器等其他外设供电 12
2.2 电动机驱动电路设计 13
2.2.1 脉宽调制基本原理 13
2.2.2 H全桥的基本原理 15
2.2.3 A车模、D车模电动机驱动方案 16
2.2.4 B车模电动机驱动方案 17
2.3 信号传递电路的设计 20
2.3.1 电动机控制信号的电平转换与隔离 21
2.3.2 传感器数据信号的电平转换 23
2.3.3 舵机控制信号的隔离 25
2.4 测速模块原理与电路设计 26
2.4.1 光电脉冲测速原理 26
2.4.2 低成本方案——光电码盘 27
2.4.3 高精度方案——光电编码器 29
2.4.4 第五轮测速方式 30
2.5 辅助调试设备及其电路设计 31
2.5.1 液晶显示 31
2.5.2 矩阵键盘 33
2.5.3 拨码开关 34
2.5.4 串口通信 35
2.5.5 无线通信 37
2.5.6 SD卡读写 38
2.6 主板外形设计 39
2.6.1 A型车模主板设计参考 39
2.6.2 B型车模主板设计参考 40
2.7 PCB实体电路设计 41
2.7.1 元器件封装选择 41
2.7.2 基于原理图设计实体电路 42
2.7.3 电路抗干扰、防静电设计 45
2.7.4 自制PCB的方法指导 46
本章小结 48
第3章 智能汽车软件设计 49
3.1 C语言核心内容与芯片编程规范 49
3.1.1 C语言核心内容 49
3.1.2 命名规则 56
3.1.3 注释 58
3.1.4 统一类型别名定义 59
3.1.5 编码 60
3.2 控制主程序 61
3.2.1 摄像头组主程序设计 61
3.2.2 电磁组主程序设计 61
3.2.3 光电组主程序设计 62
3.3 赛道信息的获取 63
3.3.1 摄像头图像的获取 63
3.3.2 电磁传感器信号的获取 70
3.3.3 光电传感器信号的获取 73
3.4 信号处理与赛道识别 74
3.4.1 摄像头图像处理与赛道边沿识别 74
3.4.2 电磁车信号放大与赛道边沿识别 76
3.4.3 光电车信号处理与赛道边沿识别 77
3.5 赛道分析与控制策略 77
3.5.1 摄像头组 77
3.5.2 电磁组及光电组 81
3.6 起跑线的识别 81
3.6.1 摄像头组 81
3.6.2 电磁组 82
3.6.3 光电组 83
3.7 PID控制算法和应用 84
3.7.1 PID控制算法 84
3.7.2 PID控制在智能汽车上的实现 88
3.8 其他控制算法和应用 89
3.8.1 模糊控制 89
3.8.2 赛道记忆算法 91
3.9 计算机辅助调试 91
3.9.1 开发软件介绍 91
3.9.2 C#上位机获取图像 92
3.9.3 MATLAB调试PID 92
3.9.4 按键及显示屏模块 93
第4章 智能汽车机械结构设计 94
4.1 机械设计软件——Pro-Engineer 94
4.1.1 简介 94
4.1.2 历史版本 94
4.1.3 主要模块 95
4.1.4 主要特性 95
4.1.5 Pro-Engineer在智能汽车上的应用 96
4.1.6 用户关注热点 96
4.2 智能汽车机械零件设计的一般步骤与准则 96
4.2.1 相关概念 96
4.2.2 设计机械零件的一般步骤 97
4.2.3 设计机械零件的基本准则 97
4.3 工具准备 99
4.3.1 锯切工具——钢锯 99
4.3.2 打孔工具 99
4.3.3 支持定位工具——桌虎钳 101
4.3.4 画线工具 102
4.3.5 螺丝刀 102
4.3.6 钳子 103
4.3.7 粘连工具 103
4.4 常用材料 105
4.4.1 铝合金 105
4.4.2 碳素纤维 105
4.4.3 润滑剂 105
4.5 智能汽车机械结构优化 106
4.5.1 智能汽车的整体结构 106
4.5.2 智能汽车防护保养与机械结构调整 108
4.5.3 智能汽车转向结构调整 112
4.5.4 智能汽车后轮结构调整 114
4.5.5 赛道保养 115
第5章 控制芯片 116
5.1 MC9S12XS128芯片 117
5.1.1 芯片简介 117
5.1.2 时钟模块 117
5.1.3 I/O模块及其应用 126
5.1.4 计数器和定时器模块 131
5.1.5 TIM模块的脉冲累加器 138
5.1.6 脉冲调制解调模块 143
5.1.7 周期中断定时器 150
5.1.8 SCI总线 156
5.1.9 模数转换模块 162
5.2 MCF52259芯片 172
5.2.1 芯片简介 172
5.2.2 时钟模块 172
5.2.3 通用I/O口模块 177
5.2.4 边沿中断检测模块 186
5.2.5 中断管理模块 191
5.2.6 可编程中断定时器 198
5.2.7 脉冲累加器模块 202
5.2.8 舵机电动机控制模块 204
5.2.9 通用异步收发机模块 211
5.2.10 模数转换模块 220
5.3 Kinetis K60芯片 231
5.3.1 芯片简介 231
5.3.2 时钟模块 231
5.3.3 多用途时钟信号发生器 233
5.3.4 系统集成模块 253
5.3.5 可编程中断定时器 261
5.3.6 Flex定时器 264
5.3.7 通用输入/输出及引脚控制和中断 288
5.3.8 引脚控制和中断寄存器 290
5.3.9 UART异步串行通信 314
5.3.10 模数转换器 337
5.4 MPC5604芯片 363
5.4.1 芯片简介 363
5.4.2 时钟模块 364
5.4.3 简化系统接口单元 379
5.4.4 中断管理模块 398
5.4.5 增强模块化I/O子程序 410
5.4.6 可编程中断定时器 436
5.4.7 A/D转换模块 444
第6章 电磁车实例 453
6.1 智能汽车竞赛电磁组背景 453
6.2 电磁组传感器及路径检测设计参考方案 453
6.2.1 磁场检测方法 453
6.2.2 传感器模块设计 454
6.2.3 信号滤波 459
6.2.4 传感器的布局设计与调试 460
6.2.5 电路板的静电保护 465
6.3 车模整体控制策略 465
6.3.1 速度控制策略 465
6.3.2 转向控制策略 466
第7章 电磁节能车实例 467
7.1 智能汽车竞赛电磁节能组背景 467
7.2 硬件电路设计及传感器的选择 467
7.2.1 硬件电路设计 467
7.2.2 车模整体布局 468
7.2.3 系统整体概述 469
7.3 车模整体控制策略 469
7.3.1 方向控制策略 469
7.3.2 速度控制策略 470
7.3.3 无刷直流电机 471
7.4 节能控制策略 472
7.4.1 取电装置 472
7.4.2 超级电容 473
7.5 软件系统设计 475
7.5.1 开发工具 475
7.5.2 PID控制算法 476
第8章 摄像头车实例 477
8.1 摄像头传感器简述 477
8.1.1 摄像头的选型 477
8.1.2 CCD摄像头的优势与缺陷 479
8.1.3 OV5116动态集成摄像头 480
8.2 整体方案设计 481
8.3 机械结构与调整 482
8.4 系统架构与硬件设计 482
8.4.1 模块划分及母板电路 482
8.4.2 CCD摄像头模块电路 483
8.4.3 硬件二值化电路 485
8.5 图像采集处理 486
8.5.1 图像采集 486
8.5.2 图像处理 489
8.6 控制策略 490
8.6.1 控制方案 490
8.6.2 驱动电动机PID控制 492
8.6.3 转向舵机控制 493
8.7 难点突破与系统改进 493
8.7.1 机械改进 493
8.7.2 转向控制的优化 493
8.7.3 车体的防护 494
8.8 摄像头单车参考代码 494
第9章 摄像头双车实例 498
9.1 摄像头双车设计思路 498
9.2 摄像头双车硬件设计 499
9.3 摄像头双车组的赛道识别 500
9.4 控制策略 503
9.4.1 超车策略 503
9.4.2 冲点处理 505
9.5 难点突破与系统改进 506
9.5.1 单车性能提升 506
9.5.2 超车过程优化 506
9.6 摄像头双车组参考代码 507
第10章 自平衡车实例（光电组） 510
10.1 自平衡组简介 510
10.2 直立行走控制原理 510
10.2.1 直立行走任务分解 510
10.2.2 车模直立控制 512
10.2.3 车模速度控制 515
10.2.4 车模方向控制 516
10.2.5 车模倾角测量 517
10.2.6 车模直立行走控制算法总框架 521
10.3 硬件电路及传感器安装 522
10.3.1 硬件电路整体概览 522
10.3.2 单片机小系统MC9S12XS128MAL 523
10.3.3 陀螺仪＆加速度计模块 524
10.3.4 电动机驱动模块 525
10.3.5 编码器及测速电路 525
10.3.6 线性CCD模块 528
10.3.7 辅助调试电路及电源设计 529
10.3.8 车模整体装配方案 529
10.4 软件算法设计参考 530
10.4.1 整体控制流程 530
10.4.2 MC9S12XS128MAL单片机资源分配 532
10.4.3 直立控制 537
10.4.4 速度控制 538
10.4.5 方向控制函数 540
10.4.6 电动机控制函数 542
本章小结 543
第11章 信标组实例 544
11.1 信标组背景及其比赛规则 544
11.2 整体方案设计 544
11.3 机械结构与调整 546
11.4 信标组摄像头传感器简述 546
11.5 图像信号采集处理 547
11.5.1 图像采集 547
11.5.2 图像噪点处理与信标位置的提取 549
11.6 整体控制策略 550
11.6.1 路径选择及优化 551
11.6.2 驱动电动机PID控制 552
11.6.3 转向舵机控制 553
附录 历届竞赛新规则概览 554
第十三届竞赛新规则概述 554
芯片变化 554
起跑线 554
赛道边界判定 555
赛道元素改动——坡道 555
赛道新元素——环岛 556
赛道新元素——颠簸路面 556
比赛分组与车模限制 557
第十届竞赛新规则概述 557
芯片变化 557
车辆运行方向变化 557
电磁组使用双车追逐形式 557
灯塔起步与停车 559
新赛道元素——直角转弯 561
新赛道元素——中心线 561
赛道元素改动——障碍 561
赛道元素改动——不对称坡道 562
参考文献 563

前言

智能汽车是当今车辆工程领域的研究前沿，它体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。全国大学生智能汽车竞赛对高校学生而言是一次难得的机遇和挑战。智能汽车竞赛涉及的知识较为宽泛，为了设计出性能优越的智能赛车，需要在赛车的设计开发过程中参考许多有价值的文献资料，不断学习，不断创新。
智能汽车竞赛考验参赛选手的综合能力，包括传感器的应用、电动机的应用、电路设计、自动控制原理、系统调试、机械结构设计等，将这些知识合理运用到智能汽车上是对选手的巨大挑战。对于竞赛选手来说，临场发挥对比赛成绩的好坏至关重要，及时制定并调整策略才能发挥智能汽车的性能。
关于恩智浦微控制器
竞赛指定控制芯片为恩智浦系列芯片，恩智浦公司是嵌入式控制领域的全球带头人，是主要技术创新者，其旗下飞思卡尔开发了首个基于Flash存储的微控制器（MCU）。
1．16位微控制器
恩智浦S12微控制器和S12X微控制器可以为汽车和工业应用提供高性能的16位控制功能。S12X微控制器具有创新的XGATE模块，无须CPU干预即可处理中断事件。这让S12X微控制器具备了通常在32位微控制器上才有的高性能处理能力。16位产品组合也包括一系列的数字信号控制器（DSC），DSC将微控制器功能与DSP性能合二为一，它们特别适合先进的电动机控制应用。
2．ColdFire微控制器
32位ColdFire微控制器系统架构不同于业内其他任何产品。这个丰富的MCU产品组合以工业应用为核心，具有优异的性能和外围设备选件，包括市场上超低功耗、段式和图形LCD、USB、以太网。凭借庞大的开发工具和设计资源生态系统的有力支持，ColdFire微控制器广泛应用于消费和工业应用领域。
3．Kinetis ARM?微控制器
32位Kinetis MCU是业界扩展能力的ARM? Cortex?-M4 MCU的出色代表。该产品组合前期推出的产品包括5个系列 200 多款引脚、外设和软件都兼容的MCU，具有出色的性能、内存和功能扩展能力。由于采用了创新的90nm薄膜存储器（TFS）闪存技术，并带有独特的FlexMemory（可配置嵌入式E2PROM），Kinetis包含的低功耗创新技术和高性能、高精度的混合信号功能。Kinetis MCU还得到恩智浦和ARM第三方生态系统合作伙伴的领先市场的实施工具包的支持。
本书特色
1．实用性强
本书以实用性为原则，根据前几届参赛选手的亲身经历，通过“视角”向读者展示智能汽车制作与调试的精髓。
2．内容全面、系统、深入
本书涵盖了智能汽车制作的各方面知识点，向读者展示了一个完整的体系，特别对技术盲点进行了深入的解析，有利于读者继续研究和学习。
3．源代码丰富
编者从事智能汽车研究多年，先后参加过第五届、第六届、第七届、第八届、第十二届“恩智浦”杯智能汽车竞赛，多次获得省级奖、赛区奖及国家奖，本书收录了编者长期制作与调试经验，向读者完全开放源代码，讲解精华程序，给读者呈现体、实用的资料。
本书结构
全书分为11章，第1章介绍全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛概况与比赛规则；第2～4章分别从硬件设计、软件设计及机械结构设计给出智能汽车整体设计的框架；第5章对控制芯片的使用进行了详细描述，着重讲解了智能汽车竞赛需要用到的各模块，由于竞赛规定每个学校参赛队伍不得采用同一种型号的控制芯片，因此挑选4种适用于智能汽车竞赛的恩智浦系列芯片——MC9S12XS128、MCF52259、Kinetis K60及MPC5604进行相应讲解；第6～11章根据编者自身的参赛经历，将完整的智能汽车制作过程收录在内，涵盖了电磁、节能、摄像头、光电及自平衡、信标等组别。
 
读者对象
?    智能车制作初学者
?    想进行技术提升的智能汽车参赛队员
?    嵌入式开发人员
?    自动控制领域研究人员
?    本科院校学生及研究生
?    科技爱好者
本书作者
本书由隋金雪、杨莉、张岩编著，参加编写的人员还有山东工商学院深蓝工作室（山东工商学院机器人协会）等。
鉴于作者水平有限，书中难免存在不足和错误之处，恳望读者提出宝贵建议和意见，以便再版时改进。

编著者      
2018年4月