“飞思卡尔”杯智能汽车设计与实例教程.pdf

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书籍描述

作者简介
山东工商学院,副教授

目录
目 录
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 历届承办单位及获奖情况 2
第2章 智能汽车硬件设计 4
2.1 供电模块电路设计 4
2.1.1 单片机供电电路设计 5
2.1.2 舵机供电电路设计 7
2.1.3 特殊传感器的升压供电 9
2.1.4 传感器等其他外设供电 11
2.2 电动机驱动电路设计 12
2.2.1 脉宽调制基本原理 12
2.2.2 H桥的基本原理 14
2.2.3 A车模、D车模电动机驱动方案 15
2.2.4 B车模电动机驱动方案 16
2.3 信号传递电路的设计 19
2.3.1 电动机控制信号的电平转换与隔离 19
2.3.2 传感器数据信号的电平转换 21
2.3.3 舵机控制信号的隔离 24
2.4 测速模块原理与电路设计 25
2.4.1 光电脉冲测速原理 25
2.4.2 低成本方案——光电码盘 26
2.4.3 高精度方案——光电编码器 27
2.4.4 第五轮测速方式 29
2.5 辅助调试设备及其电路设计 29
2.5.1 液晶显示 30
2.5.2 矩阵键盘 32
2.5.3 拨码开关 33
2.5.4 串口通信 34
2.5.5 无线通信 36
2.5.6 SD卡读写 37
2.6 主板外形设计 37
2.6.1 A型车模主板设计参考 37
2.6.2 B型车模主板设计参考 39
2.7 PCB实体电路的设计 39
2.7.1 元器件封装选择 39
2.7.2 基于原理图设计实体电路 40
2.7.3 电路抗干扰、防静电设计 43
2.7.4 自制PCB的方法指导 44
本章小结 45
第3章 智能汽车软件设计 46
3.1 C语言核心内容与芯片编程规范 46
3.1.1 C语言核心内容 46
3.1.2 命名规则 53
3.1.3 注释 54
3.1.4 统一类型别名定义 56
3.1.5 编码 56
3.2 控制主程序 57
3.2.1 摄像头组主程序设计 57
3.2.2 电磁组与光电组主程序设计 57
3.2.3 光电组主程序设计 59
3.3 赛道信息的获取 60
3.3.1 摄像头图像的获取 60
3.3.2 电磁传感器信号的获取 67
3.3.3 光电传感器信号的获取 70
3.4 信号处理与赛道识别 71
3.4.1 摄像头图像处理与赛道边沿识别 71
3.4.2 电磁车信号放大与道边沿识别 73
3.4.3 光电车信号处理与道边沿识别 74
3.5 赛道分析与控制策略 74
3.5.1 摄像头组 74
3.5.2 电磁组及光电组 77
3.6 起跑线的识别 78
3.6.1 摄像头组 78
3.6.2 电磁组 78
3.6.3 光电组 80
3.7 PID控制算法和应用 80
3.7.1 PID控制算法 80
3.7.2 PID控制在智能汽车上的实现 84
3.8 其他控制算法和应用 85
3.8.1 模糊控制 85
3.8.2 赛道记忆算法 87
3.9 计算机辅助调试 87
3.9.1 开发软件介绍 87
3.9.2 C#上位机获取图像 88
3.9.3 MATLAB调试PID 88
3.9.4 按键及显示屏模块 89
第4章 智能汽车机械结构设计 90
4.1 机械设计软件——PRO-ENGINEER 90
4.1.1 简介 90
4.1.2 历史版本 90
4.1.3 主要模块 91
4.1.4 主要特性 91
4.1.5 Pro-Engineer在智能汽车上的应用 92
4.1.6 用户关注热点 92
4.2 智能汽车机械零件设计的一般步骤与准则 92
4.2.1 相关概念 92
4.2.2 设计机械零件的一般步骤 93
4.2.3 设计机械零件的基本准则 93
4.3 工具准备 94
4.3.1 锯切工具——钢锯 94
4.3.2 打孔工具 95
4.3.3 支持定位工具——桌虎钳 96
4.3.4 画线工具 97
4.3.5 螺丝刀 98
4.3.6 钳子 98
4.3.7 粘连工具 99
4.4 常用材料 100
4.4.1 铝合金 100
4.4.2 碳素纤维 100
4.4.3 润滑剂 101
4.5 智能汽车机械结构优化 102
4.5.1 智能汽车的整体结构 102
4.5.2 智能汽车防护保养与机械结构调整 103
4.5.3 智能汽车转向结构调整 107
4.5.4 智能汽车后轮结构调整 109
4.5.5 赛道保养 110

第5章 控制芯片 111
5.1 MC9S12XS128芯片 112
5.1.1 芯片简介 112
5.1.2 时钟模块 112
5.1.3 I/O模块及其应用 121
5.1.4 计数器和定时器模块 126
5.1.5 TIM模块的脉冲累加器 133
5.1.6 脉冲调制解调模块(PWM) 137
5.1.7 周期中断定时器(PIT) 144
5.1.8 SCI总线 151
5.1.9 模数转换模块(A/D) 157
5.2 MCF52259芯片 167
5.2.1 芯片简介 167
5.2.2 时钟模块 168
5.2.3 通用I/O口模块(GPIO) 173
5.2.4 边沿中断检测模块(EPORT) 181
5.2.5 中断管理模块 186
5.2.6 可编程中断定时器模块(PIT) 193
5.2.7 脉冲累加器模块 196
5.2.8 舵机电动机控制模块(PWM) 198
5.2.9 通用异步收发机模块 205
5.2.10 模数转换模块(ADC) 214
5.3 KINETIS K60芯片 226
5.3.1 芯片简介 226
5.3.2 时钟模块 226
5.3.3 多用途时钟信号发生器 228
5.3.4 系统集成模块(SIM) 248
5.3.5 可编程中断定时器(PIT) 257
5.3.6 Flex定时器(FTM) 259
5.3.7 通用输入/输出(GPIO)及引脚控制和中断 283
5.3.8 引脚控制和中断寄存器 286
5.3.9 UART异步串行通信 309
5.3.10 模数转换器(ADC) 331
5.4 MPC5604芯片 356
5.4.1 芯片简介 356
5.4.2 时钟模块 356
5.4.3 简化系统接口单元(SIUL) 372
5.4.4 中断管理模块 391
5.4.5 增强模块化I/O子程序(eMIOS) 403
5.4.6 可编程中断定时器(PIT) 428
5.4.7 A/D转换模块(ADC) 437
第6章 电磁车实例 446
6.1 智能汽车竞赛电磁组背景 446
6.2 电磁组传感器及路径检测设计参考方案 446
6.2.1 磁场检测方法 446
6.2.2 传感器模块设计 447
6.2.3 信号滤波 451
6.2.4 传感器的布局设计与调试 453
6.2.5 电路板的静电保护 458
6.3 车模整体控制策略 458
6.3.1 速度控制策略 458
6.3.2 转向控制策略 459
第7章 摄像头车实例 460
7.1 摄像头传感器简述 460
7.1.1 摄像头的选型 460
7.1.2 CCD摄像头的优势与缺陷 462
7.1.3 OV5116动态集成摄像头 463
7.2 整体方案设计 464
7.3 机械结构与调整 465
7.4 系统架构与硬件设计 465
7.4.1 模块划分及母板电路 465
7.4.2 CCD摄像头模块电路 466
7.4.3 硬件二值化电路 466
7.5 图像采集处理 468
7.5.1 图像采集 468
7.5.2 图像处理 471
7.6 控制策略 472
7.6.1 控制方案 472
7.6.2 驱动电动机PID控制 474
7.6.3 转向舵机控制 475
7.7 难点突破与系统改进 475
7.7.1 机械改进 475
7.7.2 转向控制的优化 475
7.7.3 车体的防护 476
7.8 参考代码 476
第8章 光电车实例 479
8.1 光电直立组简介 479
8.2 直立行走控制原理 479
8.2.1 直立行走任务分解 479
8.2.2 车模直立控制 481
8.2.3 车模速度控制 484
8.2.4 车模方向控制 485
8.2.5 车模倾角测量 486
8.2.6 车模直立行走控制算法总图 490
8.3 硬件电路及传感器安装 491
8.3.1 硬件电路整体概览 491
8.3.2 单片机最小系统9S12XS128MAL 492
8.3.3 线性CCD模块 493
8.3.4 陀螺仪&加速度计模块 494
8.3.5 电动机驱动模块 495
8.3.6 编码器及测速电路 495
8.3.7 辅助调试及电源设计 498
8.3.8 车模整体装配方案 498
8.4 软件算法设计参考 498
8.4.1 整体控制流程 498
8.4.2 9S12XS128MAL单片机资源分配 501
8.4.3 直立控制 505
8.4.4 速度控制 507
8.4.5 方向控制函数 509
8.4.6 电动机控制函数 511
本章小结 512
参考文献 513

序言
前言
智能汽车是当今车辆工程领域研究的前沿,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出智能汽车的最大性能。
关于飞思卡尔微控制器
竞赛指定控制芯片为飞思卡尔系列芯片,飞思卡尔公司是嵌入式控制领域的全球带头人,是主要技术创新者,开发了首个基于Flash 存储 的MCU。

16位微控制器
飞思卡尔S12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控制器具备了通常在32位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),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。

ColdFire微控制器
32位ColdFire嵌入式控制器系统架构不同于业内任何其他产品。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及以太网。凭借庞大的开发工具和设计资源生态系统的有力支持,广泛应用于消费和工业应用领域。

Kinetis ARM®微控制器
32位Kinetis MCU是业界最具扩展能力的ARM® Cortex-M4 MCU的出色代表。该产品组合先期推出的产品,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包含最新的低功耗创新技术和高性能、高精度的混合信号功能。Kinetis MCU还得到飞思卡尔和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“第一视角”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,尤其对技术盲点进行了深刻的解析,有利于读者继续研究学习。
3.源代码丰富
编者从事智能汽车研究多年,先后参加第五、六、七、八届“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛,多次获得省级奖、赛区奖及国家奖,本书收录了编者的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,给读者呈现最具体、最实用的资料。

本书结构
全书共分为8章,其中第1章介绍全国大学生“飞思卡尔” 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比赛需要用到的各个模块,由于竞赛规定每个学校参赛队伍不得采用同一型号的控制芯片,因此挑选出四种适用于智能汽车竞赛的飞思卡尔系列芯片——MC9SX128、MCF52259、KinetisK60及MPC5604进行相应讲解。第6~8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,涵盖了电磁组、摄像头组及光电平衡组三个组别。

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(机器人协会)刘海锐、王庭蛟、王志翔、李惠彬、韩冰、邓鸿宇、刘鹏、董露露等。
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

内容简介
本书以全国大学生“飞思卡尔”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,从器件选购到相关专业的知识讲解,全方面展示了智能汽车的实际制作与调试过程。本书共分为8章,第1章为全国大学生飞思卡尔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章给出了飞思卡尔系列芯片相应模块的讲解,包括MC9SX128、MCF52259、KinetisK60及MPC5604。第6~8章给出了电磁、摄像头及光电三种组别智能汽车的实例制作过程。

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