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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型车模、D型车模电动机驱动方案16

2.2.4 B型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摄像头组图像处理与赛道边沿识别74

3.4.2电磁组信号放大与赛道边沿识别76

3.4.3光电组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PID92

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-Engineer94

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 MC9S 12XS 128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I/O模块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模数转换模块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硬件电路设计及车模的制作467

7.2.1节能组车模的制作468

7.2.2节能组硬件电路设计471

7.2.3实车实例475

7.2.4系统整体概述475

7.3车模整体控制策略476

7.3.1方向控制策略476

7.3.2速度控制策略477

7.4节能控制策略478

7.5软件系统设计479

7.5.1开发工具479

7.5.2 PID控制算法480

第8章 摄像头车实例481

8.1摄像头传感器简述481

8.1.1摄像头的选型481

8.1.2 CCD摄像头的优势与缺陷483

8.1.3 OV5116动态集成摄像头484

8.2整体方案设计485

8.3机械结构与调整486

8.4系统架构与硬件设计486

8.4.1模块划分及母板电路486

8.4.2 CCD摄像头模块电路487

8.4.3硬件二值化电路489

8.5图像采集处理490

8.5.1图像采集490

8.5.2图像处理493

8.6控制策略494

8.6.1控制方案494

8.6.2驱动电动机PID控制496

8.6.3转向舵机控制497

8.7难点突破与系统改进497

8.7.1机械改进497

8.7.2转向控制的优化497

8.7.3车体的防护498

8.8摄像头单车参考代码498

第9章 摄像头双车实例502

9.1摄像头双车设计思路502

9.2摄像头双车硬件设计503

9.3摄像头双车组的赛道识别504

9.4控制策略507

9.4.1超车策略507

9.4.2冲点处理509

9.5难点突破与系统改进510

9.5.1单车性能提升510

9.5.2超车过程优化510

9.6摄像头双车组参考代码511

第10章 自平衡车实例（光电组）514

10.1自平衡组简介514

10.2直立行走控制原理514

10.2.1直立行走任务分解514

10.2.2车模直立控制516

10.2.3车模速度控制519

10.2.4车模方向控制520

10.2.5车模倾角测量521

10.2.6车模直立行走控制算法总框架525

10.3硬件电路及传感器安装526

10.3.1硬件电路整体概览526

10.3.2单片机最小系统MC9S 12XS 128MAL527

10.3.3陀螺仪与加速度计模块528

10.3.4电动机驱动模块529

10.3.5编码器及测速电路529

10.3.6线性CCD模块532

10.3.7辅助调试电路及电源设计533

10.3.8车模整体装配方案533

10.4软件算法设计参考534

10.4.1整体控制流程534

10.4.2 MC9S 12XS 128MAL单片机资源分配536

10.4.3直立控制541

10.4.4速度控制542

10.4.5方向控制函数544

10.4.6电动机控制函数546

本章小结547

第11章 信标组实例548

11.1信标组背景及竞赛规则548

11.2整体方案设计548

11.3机械结构与调整550

11.4信标组摄像头传感器简述550

11.5图像信号采集处理551

11.5.1图像采集551

11.5.2图像噪点处理与信标位置的提取553

11.6整体控制策略554

11.6.1路径选择及优化555

11.6.2驱动电动机PID控制556

11.6.3转向舵机控制557

附录 历届竞赛新规则概览558

第十三届竞赛新规则概述558

芯片变化558

起跑线558

赛道边界判定559

赛道元素改动——坡道559

赛道新元素——环岛560

赛道新元素——颠簸路面560

比赛分组与车模限制561

第十届竞赛新规则概述561

芯片变化561

车辆运行方向变化561

电磁组使用双车追逐形式561

灯塔起步与停车563

新赛道元素——直角转弯565

新赛道元素——中心线565

赛道元素改动——障碍565

赛道元素改动——不对称坡道566

参考文献567