我院 创新之家 自成立以来硕果累累，载誉无数，2016年7月23号至25号，由教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会主办的第十一届 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛东北赛区分赛 在东北林业大学隆重举行。创新之家择优推荐了6支队伍共20名学生到现场参加比赛。本次比赛中，创新之家六支队伍分别参加了 光电组、摄像头组、双车组和电磁组 等四个组别的比赛。经过三天的激烈角逐，取得赛区一等奖1项、二等奖2项、三等奖1项和优胜奖2项的好成绩。

不过不知道大家对 飞思卡尔智能车比赛 了解多少？对 飞思卡尔智能车 又了解多少呢？

让我们来看一下视频吧

看完了视频里飞快冲刺转弯的小车，有木有觉得很震撼呢？那下面让我们来了解一下什么是 飞思卡尔智能车比赛 吧！

向上滑动阅览 飞思卡尔智能车比赛

飞思卡尔智能车比赛 是由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会(简称自动化分教指委)主办的全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛是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的工程实践活动。 全国大学生"飞思卡尔"杯智能汽车竞赛 由竞赛秘书处设计、规范标准硬软件技术平台，竞赛过程包括 理论设计 、 实际制作 、 整车调试 、 现场比赛 等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖 自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业 的创意性比赛。

该竞赛以 飞思卡尔半导体公司① 为协办方，得到了教育部相关领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区近300所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一。

全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校(包括港、澳地区的高校)参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立 光电组、摄像头组、电磁组、电轨组(2016年新增)、创意组② 等多个赛题组别。每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。

全国大学生智能汽车竞赛一般在每年的10月份公布次年竞赛的题目和组织方式，并开始接受报名，次年的3月份进行相关技术培训，7月份进行分赛区竞赛，8月份进行全国总决赛。

为保证比赛的公平性，全国大学生"飞思卡尔"杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞 思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块③ ，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。因而该竞赛是涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的比赛。

①飞思卡尔半导体公司：飞思卡尔半导体

(Freescale Semiconductor)是全球领先的半导体公司，全球总部位于美国德州的奥斯汀市。专注于嵌入式处理解决方案。飞思卡尔面向汽车、网络、工业和消费电子市场，提供的技术包括微处理器、微控制器、传感器、模拟集成电路和连接。飞思卡尔的一些主要应用和终端市场包括汽车安全、混合动力和全电动汽车、下一代无线基础设施、智能能源管理、便携式医疗器件、消费电器以及智能移动器件等。

②不同组别的区别是检测赛道的传感器和项目不同。如光电使用光电传感器，摄像头用视频摄像头等。

③全国大学生"飞思卡尔"杯智能汽车竞赛参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购竞赛车模，采用飞思卡尔如下 7 个系列:

(1)32 位 Kinetis (ARM® Cortex™-M0+)，主要包括 Kinetis E, EA, L, M 等系列;

(2)32 位 Kinetis (ARM® Cortex™-M4)，主要包括 Kinetis K, W 等系列;

(3)32 位 MPC56xx 系列;

(4)16 位 9S12 系列;

(5)32 位 ColdFire 系列;

(6)DSC 系列;

(7)8 位单片机系列(可使用 2 片)

那么你又知道 飞思卡尔智能车 是什么吗？

飞思卡尔智能车 主要 由小车底盘（轮子，刹车装置等），电机驱动模块（电机，单片机等），寻迹模块（红外接收管，摄像头等），稳压模块，最小系统版等组成。因为使用飞思卡尔公司的产品为核心部件而命名。

实际上 飞思卡尔智能车 就是智能车，前不久的举行过的创新之家招新考核，即

寻迹车比赛就是一种智能车比赛。

向上滑动阅览 飞思卡尔智能车

自动寻迹车 是一种具备自主判断、决策能力的综合智能系统。它的设计集机械、电子、检测技术与智能控制于一体，在社会生活中有着广泛的应用，例如自动化生产线的物料配送机器人，医院的机器人护士，商场的导游机器人等。

全国“飞思卡尔”智能模型车大赛 在这样的背景下产生， 智能模型车比赛 要求利用车上的视觉装置，使智能小车在给定的区域内沿着轨迹自动行进，在确保稳定性的情况下，速度最快者获胜，根据路径判别的原理不同，分为光电组、电磁组和摄像头组等多种类型。下面以光电组设计为例，讲解寻迹车的原理，光电寻迹车采用与白色地面颜色有较大差别的黑色线条引导和反射式激光管识别路径，通过舵机驱动前轮转向，采用直流电机驱动后轮前进，并采用PWM实现电机的调速，使智能车快速、平稳地行驶。

总体设计思想

为了能够自主寻迹行驶，智能车应具有路径识别、方向控制、速度检测、驱动控制等功能，根据比赛规定，本设计以飞思卡尔公司提供的比赛专用车模为载体，以飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128单片机作为控制核心，用激光传感器来进行路径识别，采用前轴转向后轴驱动方式。为了精确的控制赛车速度，在智能车后轴上安装光电编码器，采集车轮转速的脉冲信号，由主控制器进行PID自动控制，完成智能车速度的闭环控制。整个智能车的设计可分为硬件设计与软件设计两部分。

硬件系统应包括主控制器选择、电源管理模块、寻迹传感器模块、测速传感器模块、舵机控制模块以及电机驱动模块。

主控制器模块。 本设计以16位微处理器MC9S12XS128为控制核心，最高总线速度40MHz，模数转换器（ADC）转换时间3μs，具有出色的EMC功能。主要I/O口的分配如下：PA0～PA7共8位用于小车前面路径识别的输入口，PT7用于速度传感器检测的输入口；PWM1用于伺服舵机的PWM控制信号输出；PWM3、PWM5用于驱动电机的PWM控制信号输出。

电源管理模块

电源管理模块为各部分提供动力，全部硬件电路的电源由7。2V镍镉蓄电池提供，由于系统各模块所需电压和电流容量不同，采用芯片LM2940将7。2V蓄电池转换为5V电源给单片机系统、路径识别的光电传感器、光电编码器等供电，由芯片LM2941提供6V为舵机提供电源，而为了提高伺服电机响应速度，电机模块直接由7。2V蓄电池提供电源。

路径检测模块

由于红外光电传感器价格便宜，电路设计简单，所以被经常采用。RPR220是一种一体化的反射型光电探测器，可进行反光性差别较大的两种颜色（如黑白两色）的识别，从而判别赛道的方向。 本设计共采用8个RPR220型红外传感器，水平均布在赛车前部的传感器板上，由于其前瞻性较差，通常只有3cm~5cm，所以将传感器板悬伸在车头前方，采用垂直检测的方法，如图2所示。传感器间距为12mm，小于赛道黑线宽度，保证当赛车在赛道上行驶时始终有传感器能检测到黑线。赛车8个传感器可以检测到8个精确的位置，加上相邻两个传感器同时检测到黑线和没有传感器检测到黑线的情况，一共有16种检测状态，这样的横向检测精度可以达到6mm，基本满足寻迹要求。

速度检测模块

测速模块硬件的主要功能是将频率随转速变化的模拟信号送入信号处理电路，最终转换成数字脉冲信号。为了精确控制车模运动，我们采用的是单片机控制编码器的方法来检测小车的电机转速。编码器我们选用OMRON公司生产的一款100线旋转编码器OME-100-1N型光电编码器，按1：1传动比用一对齿轮与驱动轴连接，驱动轴旋转一周，编码器可获得100个脉冲，单片机通过对脉冲计数就可以得到转速的具体数值。

智能车比赛最终以速度作为评判依据，智能车路径识别算法、转向控制、速度控制算法是研究的重点。智能车的运行控制是根据路径识别和车速检测所获得的当前路径和车速信息，控制舵机和直流驱动电机动作，从而调整智能车的行驶方向和速度。控制算法相当于人的思维，是其最核心的部分，负责按预定的流程处理传感器所采集的数据。软件流程图如图3所示。其中，FOR循环包含了检测黑线位置，更新舵机输出等子程序。

路径识别算法

小车自主寻迹过程中，光电传感器会受外界光线、车体抖动、交叉线、上下坡、路径黑斑等环境因素的干扰，会使传感器检测路径信息存在偏差而影响小车寻迹的稳定性。为此，我们采用连续检测滤波处理的方式消除干扰：即传感器对路径连续检测5次并将采集到的信息存于数组Line[5][8]，检测到黑线存值1，否则存值0。通过公式计算得出距黑线的距离。

智能车的方向控制

智能车的前进方向主要取决于赛道与赛车的偏距大小e，x为前轮转角；y为传感器距赛车前轴间距。则赛车的前进方向转角应为x=arctan（dy）。舵机安装在前轴中心上方，通过转向连杆带动前轮转向。由于舵机采用位置伺服电动机，其输出转角与给定的PWM脉宽成线性关系，PWM控制信号高电平的宽度决定舵机输出舵盘的角度。

由于舵机是一个大的延迟环节，不需要加控制算法。为了提高响应速度，采用直接查表法控制转角，即对应不同偏距e按比例关系设定一个舵机转向表，行驶中直接查表得到需要的转角值，尽量消除了舵机执行延迟造成的影响。当Point＞2时（路径交叉线），保持原有转角值。

智能车的速度控制比较复杂，在行驶中，不仅要求驱动车轮有合理的瞬时速度，还要求速度变化细致平滑，“出弯立刻加速，入弯立刻减速”。即赛车位于直道时设置较高的车速，保证赛车有充足的加速空间；赛车在弯道时，应该随着赛道曲率半径的不同改变车速，避免冲出赛道。车速控制一般采用PID闭环控制。

文章：王梓衡

排版：王梓衡

照片：王梓衡

审查： 张 博

内蒙古大学

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