主讲： 张树波
共青团北京联合大学委员会
赛车的意义
汽车及车模简介
电池使用方法
赛道及比赛规则
研究项目介绍
关于电机驱动
关于舵机驱动
关于赛道检测方式
最佳路线问题
飞斯卡尔单片机介绍
软硬件设计注意事项
工程化方法与团队精神
答疑时间
赛车的意义
该竞赛与教育部已举办的数学建模、电子设计、机械设
计、结构设计4大专业竞赛不同，是以迅猛发展的汽车电子为
背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算
机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。
引导和激励学生实事求是、刻苦钻研、勇于创新、多出
成果、提高素质，发现和培养一批在学术科技上有作为、有潜
力的优秀人才。
汽车及车模简介
二通道遥控赛车车模二通道遥控赛车车模
•车模调校的主要参数
• 后倾角
• 外倾角
• 前束
• 减震弹簧预紧力
电池使用方法
参数：
•电压：×6= v
•容量：2000mAh
放电曲线（在3A的大电流放电条件下得到的结果）
电池使用方法
正确充电：
•推荐使用比赛选配的充电器。该充电器是为玩具电池设计的廉价的
充电器，内部没有智能充电控制电路，只能采用恒功率充电模式，
最大充电电流为700mA，平均充电电流300mA，涓流充电电流小于
100mA，充电时间约为10小时。
电池使用方法
正确放电：
•由于镍镉电池具有记忆效应，对电池的不完全放电将
会人为的降低电池的电容量；
•从放电曲线可以看出，随着电池电量的减少，其电压
也会逐渐降低，当电压降低到某个阈值后继续放电，
电池电压将很快的跌落。这个阈值就是电池的放电下
限电压。厂家给出了放电下限电压为6V。因此，在使
用时，建议在动力车的电源设计中加入电池保护电路，
当电池电压低于6V时切断电路，用来保护电池。如果
没有保护电路，要注意，电池接通时人不要离开。因
为当电池电压降到接近6V时，电池已经给不出多少电
流，已经没有能力驱动电机了，此时一定要及时断开
电路，到了给电池充电的时候了。
赛道及比赛规则
赛道材料： KT板、高密度、白色、厘米厚。
中心黑线： 为黑色即时贴经过裁减而成。
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赛道及比赛规则
用指定车模沿黑线跑两圈取单圈最快者为胜。
研究项目介绍
•汽车动态分析
•车速控制系统
•方向控制系统
•赛道检测系统
•电子控制系统
•策略规划系统
•行为决策系统
•路况记忆系统
•数据传输系统
模型车电机特性
电机特性和MC33886芯片
一、电机特性
RS-380SH
一、电机特性
RS-380SH
一、电机特性
RS-380SH
一、电机特性
RS-380SH
二、MC33886芯片
特性：
工作电压：5-40V
导通电阻： 120毫欧姆
输入信号：TTL/CMOS
PWM频率：< 10KHz
短路保护、欠压保护、过温保护等；
二、MC33886芯片
二、MC33886芯片
二、MC33886芯片
应用说明：
多个MC33886并联使用；
二、MC33886芯片
应用说明：
使用半桥：由于赛车过程中不时用倒车，所
以可以只使用其中的半桥；并且将两个半桥
并联，扩大芯片的驱动能力；
使用其中的一个半桥驱动电机；使用另外一
个半桥作为12V升压电路为CCD提供工作电源；
二、MC33886芯片
使用说明：
规则中的电容限制
全部电容容量和不得超过2000微法；电容
最高充电电压不得超过25伏。
电机加速与减速限制，避免对于工作电源
的影响；
二、MC33886芯片
使用说明：
PWM频率限制：< 10KHz
二、MC33886芯片
使用说明：
PWM频率限制：< 10KHz
二、MC33886芯片
使用说明：
PWM频率限制：< 10KHz
关于舵机驱动
舵机内部结构
舵盘、齿轮组、位置
反馈电位计、直流电
机、控制电路板等。
工作原理
脉宽信号给定参考位
置，舵机内部电路通
过反馈控制调节舵盘
角位。
舵盘角位由PWM控
制信号的脉宽决定。
关于舵机驱动
舵机基本参数
型 号： S3010
电 压： ~ [V]
•角度控制： 1°/ 400us
工作速度： +
•堵转力矩： + [
]
关于舵机驱动
舵机控制方法
三线连接方式
•红线：电源线+6V
•蓝线：地线
•黑线：PWM控制信号
使用S12 PWM输出控制舵机
舵机简介
S12 PWM控制舵机
一、舵机简介
舵机功能
舵机结构
舵机的基本参数
舵机控制方法
舵机的功能
舵机最早出现在航模运动中；
发动机进气量；
副翼舵面；
水平尾翼舵面；
垂直尾翼舵面；
赛车中控制前轮转向；
舵机的结构
舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k，直流
电机、控制电路板等；
工作原理：
控制信号控制电路板电极转动 齿轮组减速
舵盘转动 位置反馈电位计控制电路板反
馈；
控制量 舵盘角度
舵机的基本参数: HS-925
尺寸：**
重量：56g
工作速度:
堵转力矩: () ()
工作角度： 45度/400us
舵机的连接方法
三线连接方法：
黑线：底线；
红线：电源线；两种标准：, 6V;
蓝线（黄线）：控制信号线；
颜色区分电源线和底线；
标准驱动模型
实测波形（0度）
实测波形（15度）
舵机的控制方法
实测波形（30度）
实测波形（-15度）
舵机的控制方法
实测波形（-30度）
转角与脉宽
舵机的控制方法
脉宽与转角
信号产生方式
软件计数方式；
定时器中断方式；
PWM硬件产生方式；
等；
S12 PWM控制舵机
S12 PWM控制器；
具有8路PWM输出端口；
具有独立的8路8bitPWM输出，或者4路
16bitPWM输出；
具有A,B,SA,SB时钟源；
S12PWM发生器
S12 PWM控制舵机
举例
使用PWM4,5合成16bitPWM输出；
PWM4 控制信号；
PWMCTL_CON45 = 0x1;
PWMPER4,5 = 60000; 50Hz
PWMDTY4,5 = 1500*3; 1500us
BUS osc = 24MHz
S12 PWM控制舵机
规则限制：
伺服电机个数不超过3个；
不可以通过提高工作电压提升舵机的性能；
不可以更换舵机；
S12 PWM控制舵机
控制说明
脉宽范围：
对应舵机旋转角度，一方面舵机的极限位置；
另一方面考虑到车模转向的极限。可以通过测
试得到大约40 度左右；
PWM周期：
可选择 50 – 200Hz
S12 PWM控制舵机
控制说明：
舵机的响应时间对于控制非常重要，一方
面可以通过修改PWM周期获得。另一方面
也可以通过机械方式，利用舵机的输出转
距余量，将角度进行放大，加快舵机响应
速度；
关于赛道检测方式
赛道路径几何特点
由直线和圆弧组成；
赛道路径检测内容
确定路径中心位置；
确定路径方向；
确定路径曲率；
需要在赛道垂直方向上
3－5点便可确定道路参数；
赛道路径检测方法
韩国赛道图
赛道路径检测方法
光电管阵列；
CCD: 线阵CCD; 面阵CCD; （黑白）
激光扫描器；电磁感应；超声检测等
基于光电管赛道参数检测方法
光电管阵列优缺点：
优点：简单、响应快速等；
缺点：
空间分辨率低；
水平分辨率: < 16 pixel /线；（可以采用细分的方
法进行优化）；受到大赛规则传感器个数限制；
垂直分辨率：只能检测一点位置；
占用ＣＰＵ端口资源多；
安装固定、接线较困难；
容易受到外界环境影响；
基于面阵ＣＣＤ赛道参数检测方法
使用面阵ＣＣＤ检测路径参数的优点：
分辨率高：
识别路径参数多：中心位置、方向、曲率；
占用ＣＰＵ端口资源少：
ＡＤ转换；
一路中断输入；
一路ＩＯ口输入；
通过算法减少外部环境影响；
基于CCD路径检测方法难点及解决方
法
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采集速率；
图像的分辨率 : 水平高，垂直低；
存储空间；
DG128 8KRAM
处理速度；
图像采集，处理，控制等等；
电源电压；
12V工作电源
用S12采集图像
采集速率：
S12 AD 转换速率10bit : 7us
视频信号一行时间：64us;(有效图像时间<56)
一行有效采集像素：< 8 p/l）
垂直分辨率高：> 300线/帧
矛盾
采集速率
路径检测需要图像特点：
水平分辨率: 高；
垂直分辨率：低；3-5
点
矛盾：如何解决？
解决
采集速率- 解决方法
摄像头水平旋转90度；
水平分辨率 垂直分辨率
附加手段
采集速率- 解决方法
采用CPU 内部总线超频；
< 24Mhz 40 – 48MHz
加快AD转换频率；
-2Mhz 12 – 24MHz
可以将AD转换时间缩短为
每一行有效采集像素点 > 48
规则没有限制
CPU超频
初步计算
采集速率- 解决方法
* 摄像头旋转90度；
* CPU超频；
可以得到 300 × 48 分辨率图像；
可以满足道路检测需要；
实际需要可以使用降低的图像分辨率：
72 × 24 即可；
资源需求
存储空间
必须存储正幅图像；这是由于将垂直分辨率
转换为水平分辨率的原因；
存储空间：
每个像素存储1字节；
72 * 24 图像需要 1728字节；
DG128 RAM空间为8K字节；可以满足存储需
要。 同时还可以开辟双图像存储区，采集、
处理同时进行；
占用资源分析
处理速度：
采集时间：
图像采集采用终端采集的方式；节省
CPU处理事件；
72 * 24 分辨率下：只对于其中的1/4
行进行图像采集。CPU花费在图像采集上
的时间少于 总时间1/4。其余的时间用
于图像处理、控制等运算；
图像处理
处理速度
优化图像路径参数检测算法，算法时间
小于 20ms。
图像：黑白色，检测中心算法简单；
可以适当增加些动态亮度补偿算法；满
足路径参数检测速度要求；
工作电源
CCD工作电源 12V;
使用PWM 斩波升压电路得到12V电源；
这不违反比赛规则；
禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机
以及舵机提供动力；
实现方案和试验结果
系统框图
连接CPU
CPU最小系统
连接CPU
实现方案和试验结果
CPU最小系统
PAD02 视频信号
IRQ 视频行同步信号
PM1 奇偶场信号
PWM2 12V 斩波升压开关信号；
PWM0,1 电极控制PWM信号；
PWM4 舵机控制信号；
PAD0,1 电池电压，12V电压监测；
视频匹配电路
视频信号同部分离电路
实现方案和试验结果
注意：视频信号不
经过直流隔离进入
AD转换器；
升压供电电路
12V 斩波升压电路
实现方案和试验结果
电源电路
实现方案和试验结果
试验版
试验车
例图1
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例图2
例图3
例图4
例图5
用摄像头的缺点
CCD相对昂贵；
占用RAM比较多；
道路检测速率受到限制；< 50Hz
检测有一定的延时（1/50）秒；
附注电路较多：12V, LM1881等；
后续问题
开发有效路径参数算法；
摄像头安装与固定，为之比较的高；
摄像头镜头设计；
混合检测方法：光电管+ CCD; 多个CCD;
赛道检测小结
方法核心内容
摄像头旋转90度。水平分辨率垂直分辨率；
适当CPU 超频；
有效路径检测算法；
该方法也可以在一些粗分辨率视频监视
中进行应用；
最佳路线问题
最佳路线问题
基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统
特点：
•赛道与赛车环境模拟
•控制算法的仿真验证
•路径识别的方案分析
•离线/在线仿真相结合
基
本
构
架
赛道设计界面
最佳路线问题
基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统
赛车参数设定界面
最佳路线问题
基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统
动态仿真界面
飞斯卡尔单片机介绍
飞斯卡尔单片机介绍
飞斯卡尔单片机介绍
飞斯卡尔单片机介绍
硬件设计的一般流程
1、确立设计需求
2、选择合理的方案
3、绘制原理图和PCB图
4、焊接、组装
5、电路调试
6、实际环境验证
软件设计的一般流程
1、确立软件需求
2、构思软件结构
3、算法设计
4、 选择硬件平台
5、编制程序
6、仿真及调试
7、软件维护
软硬件设计注意事项
1、可靠性
2、易用性
3、创新及先进性
注意事项：
工程化方法与团队精神
齐心协力，在才能上互
补，共同完成目标任务
的保证就在于发挥每个
人的特长，并注重流程，
使之产生协同效应。
法拉利车队人员各尽其责
团结就是力量!
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赛车的意义
汽车及车模简介
电池使用方法
赛道及比赛规则
研究项目介绍
关于电机驱动
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关于赛道检测方式
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