现在半导体在汽车中的应用原来越普及，汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势。它包括了汽车电子控制装置，即通过电子装置控制汽车发动机、底盘、车身、制动防抱死及动力转向系统等，到车载汽车电子装置，即汽车信息娱乐系统、导航系统、汽车音响及车载通信系统等等，几乎涵盖了汽车的所有系统。汽车电子的迅猛发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的需求。
作为全球最大的汽车电子半导体供应商，飞思卡尔一直致力于为汽车电子系统提供全范围应用的单片机、模拟器件和传感器等器件产品和解决方案。飞思卡尔在汽车电子的半导体器件市场拥有领先的地位并不断赢得客户的认可和信任。其中在8 位、16 位及32 位汽车微控制器的市场占有率居于全球第一。飞思卡尔的S12 是一个非常成功的芯片系列，在全球以及中国范围内被广泛应用于各种汽车电子应用中。例如引擎管理、安全气囊、车身电子、汽车网络和资讯娱乐等。
1.1 背景介绍
受教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201 号文)，高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛是在飞思卡尔公司资助下以HCS12单片机为主控微控制器芯片的模型车体的基础上进行设计，制作出具有自主道路识别能力的智能汽车，是教育部主办的全国大学生五大
竞赛之一。
全国大学生智能汽车竞赛与己举办的全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等。
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。第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛于2006 年8 月在清华大学举行。来自全国共57 所大学的112 支参赛队的同学们在9 个月的时间里，历经报名、资格评审、赛车制作和调试，以及技术报告的评审等各个阶段的挑战，共有25 支参赛队参加了决赛，清华大学2 队、上海交大速度之星队及清华大学1 队分列成绩前三名。
今年已是第二届比赛，在本次比赛中，参赛选手仍须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，以Freescale 公司生产的16 位微控制器MC9S12DG128B 作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制软硬件系统。各参赛队完成智能车工程制作及调试后，于指定日期与地点参加比赛。参赛队伍之名次以赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及工程制作质量为辅来决定。但与去年不同的是，今年将先分五个赛区进行预赛选拔，然后再进行决赛，决赛地点定于我校。同时，今年的赛道还将增加坡道，难度有所加大。本文所述的内容即是为本届比赛而准备的技术方案。
1.2赛车研究内容
按照以往各队比赛经验，识别赛道信息以及对赛车速度、转向角进行优化控制，是确保赛车在不冲出赛道的前提下尽可能快速行驶的关键。在这些方面，研究了一些已有的设计方案，并阅读了各种参考文献，总结如下：
1.2.1赛道信息识别
赛道信息的识别是车辆控制的基础，为了提高行驶稳定性，很多设计都把重点放在了使传感器感知更远的距离上。现有赛道信息检测方案总体上有两大类：光电传感器方案和摄像头方案。前者电路设计简单、信息检测频率高，但检测范围、精度有限且能耗较大；后者获取的赛道信息丰富，但电路设计和软件处理较复杂，且信息更新速度较慢。关于光电管方案，采用“线型检测阵列”的方法，以4 个发光二极管和1个光敏二极管构成一个检测点，将多个检测点成直线排列。共排成两排，一排安置在机器人底盘前端，一排安置在后端。然后采用巡回检测方式来寻找白色导引线。 “线型检测阵列”寻线装置，采用了大规模可编程器件来实现对光电管检测信号的处理、分析，并实现对步进电机控制脉冲的产生。采用可编程器件，大大减少了系统体积，也方便了检测信号的处理和电机控制。虽然采用光电传感器构成“线型检测阵列”的方案简单易行，但是将其应用于智能车竞赛中仍有一定局限性。例如，它对赛道的检测精度低，即使采用多个光电管，通常也只能确定10-20 个状态，这对赛车转向的平滑控制是非常不利的。此外，线型检测阵列的探测距离较短，如果简单地将检测阵列元件向车模前方伸出安装，又将增加舵机的转向负载，另外光电管的耗电量也非常显著。
基于前述对“线型检测阵列”寻线能力局限性的考虑，选择采用摄像头作为寻线传感器。一方面，摄像头所能检测的赛道信息远多于“线型检测阵列”所能检测的信息，有利于区分各种道路类型；另一方面，摄像头检测范围调整灵活，可以提供足够远的预判距离。实际上，通过“超频”和提高代码效率，并选择合适的图像处理算法，使用比赛规定的单片机完全可以对低线数黑白摄像头的视频信号进行采样和处理，有效识别出导引线的位置和相关几何信息。
1.2.2 车体控制
智能车应根据前方道路类型和当前车体位置误差及速度，对舵机转角和驱动电机PWM波的占空比进行及时调整。关于这方面的控制方案有PID 控制、Bang-Bang 控制和模糊控制等。去年我校CyberSmart 参赛队的技术报告中对舵机PID 控制进行了深入研究，文中列出了不同P、D 参数下赛车的平均速度和调整程度，并指出当P 参数适中、D 参数较小时，性能最佳。此外,该文还介绍了S12 单片机模糊控制指令的应用。虽然理论上模糊控制在非线性场合存在优势，但实际测试表明PD 控制已能满足需求，所以舵机控制仍采用PD 或者P控制。电机速度闭环控制是实现速度合理分配的基本前提，去年大部分队伍使用的调速方案是PID 控制，我校速度之星队使用的是Bang-Bang 控制。前者速度稳态误差小但响应较慢，后者响应迅速但稳态误差较大。针对这一特点，将PID 和Bang-Bang控制结合可以得到改进的Bang-Bang 控制。
今年，较之去年有了一些新的特色。
（1）机械安装
把摄像头支架安装在车中间，并且把电路板均匀分布在车体上，这样可以使小车重心放低，小车在转弯时会更稳定。
电池横向安装在车体中间，同样起到稳定重心的作用。
（2）驱动电路
用单片机产生的PWM脉宽调制信号控制33886驱动电机，具有调速简单、可靠的特点。把33886的多个输出端并联在一起，可以增大驱动电流，提升小车的加减速性能。
而在驱动电路中加入反向制动电路来控制电机，可以极大地提高小车的减速性能。
（3）控制策略
控制策略方面，使用经典控制方法里的PID控制。由于PID算法具有对模型参数要求不高、参数整定方便的优点，比较适合用来做小车寻迹。
在PID算法的基础上，整合加入模糊控制算法，有利于对小车系统的非线性特性因素的控制。
1.3 比赛规则
参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定。组委会制定如下竞赛规则，在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。组委会将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。
比赛过程中，如果赛车碰到赛道两边的立柱并使之倾倒或移动，裁判员将判为赛车冲出跑道。赛车前两次冲出跑道，选手可以申请恢复比赛，即将冲出跑到赛车重新放置在裁判指定的赛车冲出跑道的位置，恢复比赛。整个恢复比赛过程中计时不间断。选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。
比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败：
1) 裁判点名后，2分钟之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备；
2) 比赛开始后，赛车在30秒之内没有离开出发区；
3) 赛车在离开出发区之后10分钟之内没有跑完两圈；
4) 赛车冲出跑道的次数超过两次；
5) 比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车；
6) 决赛前，赛车没有通过技术检验。
如果比赛失败，则不计成绩。
比赛中禁止：
1) 不允许在赛道周围安装辅助照明设备及其它辅助传感器等；
2) 选手进入赛场后，不允许进行任何硬件和软件的修改；
3) 比赛场地内，除了裁判与1名队员之外，不允许任何其他人员进入场地；
4) 不允许其它影响赛车运动的行为。
对于智能竞赛车模
1) 禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；
2) 禁止改动驱动电机的型号及传动比；
3) 禁止改造滚珠轴承；
4) 禁止改动舵机；
5) 禁止改动驱动电机以及电池，车模主要前进动力来源于车模本身直流电机及电池；
6) 为了车模的行驶可以安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。
电路器件及控制驱动电路限制
1) 核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以采用MC9SDG128自制控制电路板,除了DG128MCU之外不得使用辅助处理器以及其它可编程器件；
2) 伺服电机数量不超过 3个；
3) 传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元计为1个传感器，CCD传感器记为1个传感器）；
4) 直流电源使用大赛提供的电池；
5) 禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力；
6) 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。
可以选择参数：
1) 开发软件可以选择CodeWarrior 3.1，也可以另行选择；
2) 开发调试硬件可以选择 BDM（清华大学制作）工具，也可以另行选择；
3) 电路所使用元器件（传感器、各种信号调理芯片、接口芯片、功率器件等）种类与数量都可以自行设计选择。
赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局）
1) 赛道路面用纸制作，跑道所占面积不大于5000mm* 7000mm，跑道宽度不小于600mm；
2) 跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；
3) 跑道最小曲率半径不小于500mm；
4) 跑道可以交叉，交叉角为90°；
5) 赛道为二维水平平面；
6) 赛道有一个长为1000mm的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与结束时刻。
