第1章 引言
1.1大赛的目的和意义
面对当今世界全球化、信息化的发展，交通运输系统的智能化将会是交通运输事业发展的必然选择，将会是交通运输事业的一次革命。而作为智能交通系统的子系统之一车辆控制系统，是各国争相研究的课题之一。本课题正是以研究车辆控制系统背景，设计并制作了以飞思卡尔公司生产的32 位微控制器为核心，配合其他外围电路的智能小车。这不仅是培养了自身专业知识与实践相结合的综合运用能力，也是加强了自身对跨学科学习的能力。汽车智能化的发展也将是未来汽车发展的趋势，进行智能车的研究对我国汽车工业的发展，特别是缩短与世界汽车强国的距离，起到十分重要的作用。
1.2国内外发展情况
目前，许多国内知名大学，如清华大学、上海交通大学、军事交通学院、国防科技大学等等，对智能车的研究都是进行的比较深入。其中2011年7月，由国防科技大学自主研究制作的无人驾驶汽车，首次完成了从长沙到武汉286公里的高速公路全程无人驾驶实验，这创造了我国自主研制的无人驾驶汽车，在复杂路面状况下自动驾驶的新纪录。2012年11月，军事交通学院自主研制的无人驾驶车从北京出发，沿着京津高速公路一路行驶，85分钟后安全到达天津，该无人驾驶智能车全程行驶共计114公里，最高时速达到105千米，共完成12次自主超车，36次换道动作，30次刹车动作。目前为止，该无人驾驶车已经完成了在各种路况下总计一万多千米的测试实验，最高时速已达到120千米。国外的对智能汽车的研究起步比较早，谷歌公司研制的7辆无人驾驶汽车，在城市、乡村、山地、高速路等各种复杂路况下累计行程超过30万英里。
1.3 设计的基本要求及内容
此次设计的智能小车是以全国大学生第十届“飞思卡尔”杯智能汽车大赛
为背景，小车的位置信号由小车前方的电磁传感器采集电磁信号，经A/D 进行模数转换后，信号被送到控制核心单片机，用于小车的行驶控制决策。通过光电测速模块来检测车速，并采用MK60的低功耗定时LPTMR功能进行脉冲计数和S12的脉冲输入扑捉口进行计数，计算速度；采用PID控制方法来控制电机的转速，输出PWM信号给电动机来实现电动机速度的调整，完成智能车速度的闭环控制。主要是解决硬件电路的设计与制作和程序的编写以及这两者间的协调的问题，基本要求如下：（1）、小车所使用的电路板应为自行设计与制作；（2）、小车所运行的程序应为自行编写；（3）、小车所采用的传感器数量受到一定的限制；（4）、对小车车模的改动受到一定的限制。小车要求达到的性能有：（1）、能够自主巡线即对赛道的信息能够识别；（2）、能够自主合理的控制自身速度；（3）、能够自主合理的控制转向；（4）电磁双车在行驶过程中不能有任何的物理接触。（5）、电磁双车要在经过终点线后的3米距离内停好车。
第2章 检测及控制原理
2.1路径的识别
小车行驶的赛道中心线铺设有一根漆包导线，导线内部通有大小为
90~110mA、频率为20kHz的交变电流，因此在赛道中心线周围会产生一个交
替变化磁场。
2.1.1导线周围的电磁场
根据麦克斯韦的电磁场理论，交变的电流将会在其周围产生交变的电磁场。智能车竞赛使用交流电流频率大小为20kHz的漆包线作为路径导航，漆包线通电后产生的电磁波为低频电磁波。根据毕奥-萨伐尔定律可得：通有稳定的电流
I长度为L的直导线周围会产生一个磁场，与导线距离为r处P点的磁感应强度
为：
图2-1直线电流的磁场
?0Isin?d?(?0?4??10?7TmA?1)（2-1） ?4?r?I由此得：B?0(cos?1?cos?2)
4?r对于无限长直电流导线来说，上式中
?I?1?0，?2??，则有B?0
4?rB???21图2-2 无限长导线周围的磁场强度
在图2-2中，感应磁场的分布形式是以导线为轴的一系列的同心圆。同一圆周上的磁场强度大小相同，并随着距离导线的半径r增大而下降。 2.1.2磁场检测方法
我们选取较为传统的电磁感应线圈（工字型电感）的方案。它具有原理简单、体积小、频率响应速度快、价格便宜、电路易于实现等特点，是适合于初学者迅速实现路径检测的理想方案。通电导线周围的磁场是一个矢量场，场的分布如图2-3所示。如果在通电直导线周围竖直放置两个轴线互相垂直并且位于与导线相垂直的平面的线圈，则可以感应出磁场向量的两个垂直分量，进而可以得到导线周围的磁场强度和方向。
图2-3导线周围的感应电磁场
导线中的电流按一定规律发生变化时，导线周围的磁场也将跟随电流发生变化，则线圈将感应出一定大小的电动势。根据法拉第电磁感应定律，线圈磁场传感器的内部感应电压E与线圈传感器的匝数N、截面积A、通过一圈的磁通量B(t)的关系有：
E??NA????0?r??dB(t)d?(t)?? dtdt感应电动势的方向可以使用楞次定律来确定。由于本设计中，导线中流过的电流频率较低，且线圈体积小，令线圈中心到导线的距离为r，在小范围内可以认为，磁场分布是均匀的。再根据图2-3所示的导线周围磁场分布规律，则线圈中感应电动势可约为：
E??d?(t)kdIK?? (2-2) dtrdtr由公式可知：线圈中感应电动势的大小与电流的变化率成正比，与线圈中心到导线的距离成反比。常量K为与线圈面积的大小、线圈摆放的方式和一些物理常量有关的一个量，具体的感应电动势常量需要通过实际测定来确定不同的线圈不同的轴线摆放方式对常量K的影响。出于方便理解这一点的考虑，我们先讨论一种简单的线圈检测方案：两个水平线圈检测方案。在小车的前上方水平方向固定两个相距为L的线圈，两个线圈的轴线为水平并且和导线相互垂直，高度为h，如下图所示：
图2-4双水平线圈检测方案
为了便于讨论，我们在赛道上建立如下的坐标系，假设在赛道平面上：x轴为垂直于跑道中心线，y轴为垂直赛道往上，z轴为沿着赛道前进的方向，xyz轴满足右手定则。倘若在小车前方安装两个水平的线圈，这两个线圈的距离为L，线圈的高度为h，参见图2-5所示。左边的线圈的坐标为（x,h,z），右边的线圈的位置(x?L,h,z)。因为磁场分布是以z轴为中心的同心圆，所以在计算电磁场强度时，我们只用考虑坐标(x,y)即可。因为线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场水平方向的分量。根据公式（2-2）可以知道感应电动势的大小与
h成正比。
x2?h2