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| 內容簡介： |
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本书以全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛为背景，讲述智能汽车设计的整体思路与技术难点，从元器件选购到相关专业知识讲解，全方位展示了智能汽车的实际制作与调试过程。本书分为11章，第1章为全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛的总体介绍；第2～4章分别为硬件设计、软件设计及机械结构设计；第5章介绍了恩智浦系列芯片的相应模块，包括MC9S12XS128、MCF52259、Kinetis K60及MPC5604；第6～11章给出了电磁、节能、摄像头、光电及自平衡、信标等组别智能汽车的实例制作过程。本书以智能汽车竞赛为切入点，提炼了智能汽车竞赛的技术精要，全方位阐述了一套完整的、具有自动控制功能的嵌入式系统方案设计蓝图，不仅适用于各个阶段研究智能汽车的读者，还可供嵌入式系统与自动控制相关专业的本科生、研究生用作参考资料。
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| 關於作者： |
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隋金雪，男，1977年9月生，博士，副教授。现任山东工商学院信息与电子工程学院教师，自动化教研室主任。2001年7月毕业于山东理工大学工业自动化专业，并获学士学位；2005年4月毕业于东北电力大学控制理论与控制工程专业，并获工学硕士学位； 2009年12月毕业于导航、制导与控制专业，并获工学博士学位。2005年4月至今在山东工商学院信息与电子工程学院自动化系任教，先后担任自动化教研室副主任、教研室主任、自动化党支部书记。多次荣获山东工商学院优秀教师、优秀党员、工会活动积极分子，2011年荣获烟台市优秀共产党员。从教7年来，曾主讲过《自动控制原理》、《现代控制理论》、《控制系统仿真》、《自动化导论》等7门课程，治学严谨、教学经验丰富，讲课启发性强，理论联系实际，富有激情，有较强的感染力，教学效果优秀，学生网上评教一直名列全校前茅，深受学生欢迎。注重教学理论和教学经验的研究和总结，积极进行教学研究，将自己的科研融于教学之中，先后在国内外教学研究刊物上公开发表教学研究论文 10余篇；获山东工商学院教学效果二等奖2项。辅导学生参加以自动化专业技术为主的全国（或山东省）大学生电子设计竞赛、“恩智浦”杯智能汽车竞赛，并多次获奖。
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| 目錄：
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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
2.2.2H全桥的基本原理15
2.2.3A车模、D车模电动机驱动方案16
2.2.4B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
2.5.6SD卡读写38
2.6主板外形设计39
2.6.1A型车模主板设计参考39
2.6.2B型车模主板设计参考40
2.7PCB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
3.1C语言核心内容与芯片编程规范49
3.1.1C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摄像头图像处理与赛道边沿识别74
3.4.2电磁车信号放大与赛道边沿识别76
3.4.3光电车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
3.7PID控制算法和应用84
3.7.1PID控制算法84
3.7.2PID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
3.9.2C#上位机获取图像92
3.9.3MATLAB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
4.1.5Pro-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
5.1MC9S12XS128芯片117
5.1.1芯片简介117
5.1.2时钟模块117
5.1.3IO模块及其应用126
5.1.4计数器和定时器模块131
5.1.5TIM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
5.1.8SCI总线156
5.1.9模数转换模块162
5.2MCF52259芯片172
5.2.1芯片简介172
5.2.2时钟模块172
5.2.3通用IO口模块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
5.3Kinetis 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
5.3.6Flex定时器264
5.3.7通用输入输出及引脚控制和中断288
5.3.8引脚控制和中断寄存器290
5.3.9UART异步串行通信314
5.3.10模数转换器337
5.4MPC5604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IO子程序410
5.4.6可编程中断定时器436
5.4.7AD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硬件电路设计及传感器的选择467
7.2.1硬件电路设计467
7.2.2车模整体布局468
7.2.3系统整体概述469
7.3车模整体控制策略469
7.3.1方向控制策略469
7.3.2速度控制策略470
7.3.3无刷直流电机471
7.4节能控制策略472
7.4.1取电装置472
7.4.2超级电容473
7.5软件系统设计475
7.5.1开发工具475
7.5.2PID控制算法476
第8章摄像头车实例477
8.1摄像头传感器简述477
8.1.1摄像头的选型477
8.1.2CCD摄像头的优势与缺陷479
8.1.3OV5116动态集成摄像头480
8.2整体方案设计481
8.3机械结构与调整482
8.4系统架构与硬件设计482
8.4.1模块划分及母板电路482
8.4.2CCD摄像头模块电路483
8.4.3硬件二值化电路485
8.5图像采集处理486
8.5.1图像采集486
8.5.2图像处理489
8.6控制策略490
8.6.1控制方案490
8.6.2驱动电动机PID控制492
8.6.3转向舵机控制493
8.7难点突破与系统改进493
8.7.1机械改进493
8.7.2转向控制的优化493
8.7.3车体的防护494
8.8摄像头单车参考代码494
第9章摄像头双车实例498
9.1摄像头双车设计思路498
9.2摄像头双车硬件设计499
9.3摄像头双车组的赛道识别500
9.4控制策略503
9.4.1超车策略503
9.4.2冲点处理505
9.5难点突破与系统改进506
9.5.1单车性能提升506
9.5.2超车过程优化506
9.6摄像头双车组参考代码507
第10章自平衡车实例（光电组）510
10.1自平衡组简介510
10.2直立行走控制原理510
10.2.1直立行走任务分解510
10.2.2车模直立控制512
10.2.3车模速度控制515
10.2.4车模方向控制516
10.2.5车模倾角测量517
10.2.6车模直立行走控制算法总框架521
10.3硬件电路及传感器安装522
10.3.1硬件电路整体概览522
10.3.2单片机最小系统MC9S12XS128MAL523
10.3.3陀螺仪＆加速度计模块524
10.3.4电动机驱动模块525
10.3.5编码器及测速电路525
10.3.6线性CCD模块528
10.3.7辅助调试电路及电源设计529
10.3.8车模整体装配方案529
10.4软件算法设计参考530
10.4.1整体控制流程530
10.4.2MC9S12XS128MAL单片机资源分配532
10.4.3直立控制537
10.4.4速度控制538
10.4.5方向控制函数540
10.4.6电动机控制函数542
本章小结543
第11章信标组实例544
11.1信标组背景及其比赛规则544
11.2整体方案设计544
11.3机械结构与调整546
11.4信标组摄像头传感器简述546
11.5图像信号采集处理547
11.5.1图像采集547
11.5.2图像噪点处理与信标位置的提取549
11.6整体控制策略550
11.6.1路径选择及优化551
11.6.2驱动电动机PID控制552
11.6.3转向舵机控制553
附录历届竞赛新规则概览554
第十三届竞赛新规则概述554
芯片变化554
起跑线554
赛道边界判定555
赛道元素改动坡道555
赛道新元素环岛556
赛道新元素颠簸路面556
比赛分组与车模限制557
第十届竞赛新规则概述557
芯片变化557
车辆运行方向变化557
电磁组使用双车追逐形式557
灯塔起步与停车559
新赛道元素直角转弯561
新赛道元素中心线561
赛道元素改动障碍561
赛道元素改动不对称坡道562
参考文献563
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前言
智能汽车是当今车辆工程领域的研究前沿，它体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。全国大学生智能汽车竞赛对高校学生而言是一次难得的机遇和挑战。智能汽车竞赛涉及的知识较为宽泛，为了设计出性能优越的智能赛车，需要在赛车的设计开发过程中参考许多有价值的文献资料，不断学习，不断创新。
智能汽车竞赛考验参赛选手的综合能力，包括传感器的应用、电动机的应用、电路设计、自动控制原理、系统调试、机械结构设计等，将这些知识合理运用到智能汽车上是对选手的巨大挑战。对于竞赛选手来说，临场发挥对比赛成绩的好坏至关重要，及时制定并调整策略才能发挥智能汽车的最优性能。
关于恩智浦微控制器
竞赛指定控制芯片为恩智浦系列芯片，恩智浦公司是嵌入式控制领域的全球带头人，是主要技术创新者，其旗下飞思卡尔开发了首个基于Flash存储的微控制器（MCU）。
1．16位微控制器
恩智浦S12微控制器和S12X微控制器可以为汽车和工业应用提供高性能的16位控制功能。S12X微控制器具有创新的XGATE模块，无须CPU干预即可处理中断事件。这让S12X微控制器具备了通常在32位微控制器上才有的高性能处理能力。16位产品组合也包括一系列的数字信号控制器（DSC），DSC将微控制器功能与DSP性能合二为一，它们特别适合先进的电动机控制应用。
2．ColdFire微控制器
32位ColdFire微控制器系统架构不同于业内其他任何产品。这个丰富的MCU产品组合以工业应用为核心，具有优异的性能和外围设备选件，包括市场上超低功耗、段式和图形LCD、USB、以太网。凭借庞大的开发工具和设计资源生态系统的有力支持，ColdFire微控制器广泛应用于消费和工业应用领域。
3．Kinetis ARM?微控制器
32位Kinetis MCU是业界最具扩展能力的ARM? Cortex?-M4 MCU的出色代表。该产品组合前期推出的产品包括5个系列 200 多款引脚、外设和软件都兼容的MCU，具有出色的性能、内存和功能扩展能力。由于采用了创新的90nm薄膜存储器（TFS）闪存技术，并带有独特的FlexMemory（可配置嵌入式E2PROM），Kinetis包含最新的低功耗创新技术和高性能、高精度的混合信号功能。Kinetis MCU还得到恩智浦和ARM第三方生态系统合作伙伴的领先市场的实施工具包的支持。
本书特色
1．实用性强
本书以实用性为原则，根据前几届参赛选手的亲身经历，通过第一视角向读者展示智能汽车制作与调试的精髓。
2．内容全面、系统、深入
本书涵盖了智能汽车制作的各方面知识点，向读者展示了一个完整的体系，特别对技术盲点进行了深入的解析，有利于读者继续研究和学习。
3．源代码丰富
编者从事智能汽车研究多年，先后参加过第五届、第六届、第七届、第八届、第十二届恩智浦杯智能汽车竞赛，多次获得省级奖、赛区奖及国家奖，本书收录了编者长期制作与调试经验，向读者完全开放源代码，讲解精华程序，给读者呈现最具体、最实用的资料。
本书结构
全书分为11章，第1章介绍全国大学生恩智浦杯智能汽车竞赛概况与比赛规则；第2～4章分别从硬件设计、软件设计及机械结构设计给出智能汽车整体设计的框架；第5章对控制芯片的使用进行了详细描述，着重讲解了智能汽车竞赛需要用到的各模块，由于竞赛规定每个学校参赛队伍不得采用同一种型号的控制芯片，因此挑选4种适用于智能汽车竞赛的恩智浦系列芯片MC9S12XS128、MCF52259、Kinetis K60及MPC5604进行相应讲解；第6～11章根据编者自身的参赛经历，将完整的智能汽车制作过程收录在内，涵盖了电磁、节能、摄像头、光电及自平衡、信标等组别。
读者对象
? 智能车制作初学者
? 想进行技术提升的智能汽车参赛队员
? 嵌入式开发人员
? 自动控制领域研究人员
? 本科院校学生及研究生
? 科技爱好者
本书作者
本书由隋金雪、杨莉、张岩编著，参加编写的人员还有山东工商学院深蓝工作室（山东工商学院机器人协会）等。
鉴于作者水平有限，书中难免存在不足和错误之处，恳望读者提出宝贵建议和意见，以便再版时改进。
编著者
2018年4月
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