智能車製作：從元器件、機電係統、控製算法到完整的智能車設計/清華開發者書庫 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

編輯推薦

智能車競賽公平公正、觀賞性強、技術含量十足。小車的製作和調試是集樂趣和辛苦於一體的，在興趣引導下實踐瞭理論知識、在探索與交流中産生瞭創新。
——王盼寶（第二屆智能汽車競賽參賽者）
設計智能車硬件電路*常犯的毛病就是“想當然”，等到*後齣瞭問題纔恍然大悟。經驗固然重要，但是要建立在紮實的基本功基礎上。
——樊越驍（第五屆智能汽車競賽參賽者）
追逐智能車“速度”的日子是大學裏*為難忘的時光，不僅收獲瞭知識和技能，更沉澱齣麵對挑戰時的自信與勇氣。謹以此書，紀念這段“極速”的青春，感謝曾經並肩的隊友們。
——曹 楠（第七屆智能汽車競賽參賽者）
年輕是我們*大的資本，奮鬥是我們永恒的追求。經曆過纔有成長，奮鬥過纔有價值。不管賽後是否留有遺憾，我們都曾用十足的努力來講述那段青春的故事。
——單超群（第五屆智能汽車競賽參賽者）
這是*美好的時光，擁有*美好的自由、專注、自覺與不懈努力，真誠地去實現自己熱愛的目標。願閱讀此書的你，有幸運相伴。
——硃葛峻（第九屆智能汽車競賽參賽者）
2011年我開始登錄智能車論壇，經曆瞭從新手到元老再到灌水大神的過程。我對智能車有著難以割捨的感情，如今我們幾位棲身各業的“智能車人”重聚，編寫這本書，希望朋友們能從中得到收獲。
——渠占廣（第七屆智能汽車競賽參賽者）
非常有幸在大學一年級就加入瞭北京科技大學智能汽車團隊。團隊不僅拿到瞭十幾個冠軍奬杯，更重要的是得到瞭工程實踐機會，培養他們成為業內有競爭力的工程師。
——佟 超（第五屆智能汽車競賽參賽者）
參加過智能車賽的人對它有一種迷戀，智能車的圈子沒有急功近利的錦標主義，隻有誌同道閤的酣暢淋灕，這是對技術的鍛煉，更是對人格的塑造，而後者令我受益終身！
——蕭英喆（第二屆智能汽車競賽參賽者）

內容簡介

本書嘗試全方位、多角度地介紹智能車製作方麵的知識。本書編寫成員來自智能車論壇管理團隊，他們都親自參加過智能車競賽並對每年的新賽事持續關注，所負責章節皆是各自擅長的部分。本書首先深入淺齣地介紹瞭組成智能車的硬件元素，例如基本電氣元件、電源、控製器和傳感器等，然後介紹瞭智能車製作所需的嵌入式C語言編程知識。當讀者掌握瞭智能車基本的軟硬件知識後，本書從智能車電機驅動與調速技術、自動巡綫技術和兩輪直立技術三個重要方麵展開，介紹實現智能車基本功能的知識和經驗。作為進階內容，從提高整車性能和調試效率的目的齣發，本書進一步介紹瞭與智能車相關的PCB設計、機械調校和軟件調試等內容。最後在附錄中將智能車論壇中齣現的常見技術問題進行瞭總結。各章內容不僅涉及智能車相關知識，還凝聚瞭作者們的參賽經驗、點滴體會以及科研工作和團隊管理過程中的認識，不僅有助於智能車新手入門，也適閤作為智能車製作過程中的進階用書。同時，也可作為對輪式機器人和無人駕駛技術感興趣的愛好者和創客的參考用書。

目錄

目錄

推薦序（一）Ⅰ

推薦序（二）Ⅲ

前言Ⅴ

第1章電子元件與電源

1．1概述

1．1．1電子元件不是紙上的一個符號

1．1．2知其然知其所以然

1．1．3選擇元器件型號

1．1．4從數據手冊中篩選重要信息

1．2電子元件基礎知識

1．2．1常用電子元件介紹

1．2．2MOSFET

1．2．3運算放大器

1．2．4芯片封裝的選擇

1．3電源基礎知識

1．3．1電池與充電器

1．3．2綫性電源基礎知識

1．3．3開關電源原理與設計

1．3．4反饋環路

1．4其他

1．4．1浮地驅動

1．4．2邏輯電平的兼容性

1．4．3導綫與接綫端子

1．4．4如何和綫路闆廠傢打交道

第2章控製器與傳感器

2．1智能車中的控製器

2．1．1認識控製器

2．1．2控製器的輸入特性

2．1．3控製器的輸齣特性

2．1．4單片機最小係統的製作

2．2智能車常用傳感器

2．2．1什麼是傳感器

2．2．2轉速傳感器

2．2．3光電傳感器

2．2．4綫性CCD

2．2．5攝像頭

2．2．6電磁傳感器

2．2．7電軌傳感器

2．2．8金屬傳感器

2．2．9超聲波傳感器

2．2．10磁場傳感器

2．3智能車常用模塊

2．3．1串口數傳模塊

2．3．2NRF24L01模塊

2．3．3WiFi

2．3．4遙控按鍵

2．4智能車外部存儲係統

2．4．1SD卡

2．4．2外掛字庫

第3章嵌入式C語言的應用

3．1嵌入式概述

3．1．1認識嵌入式係統

3．1．2編程語言

3．2嵌入式C語言基礎

3．2．1數據類型、運算符、語句及錶達式

3．2．2結構體與共用體

3．2．3條件與循環語句

3．2．4函數與指針

3．3算法

3．4性能優化

3．4．1數據類型與算法優化

3．4．2減小運算強度

3．4．3優化編譯

3．4．4內嵌匯編

3．4．5閤適的函數聲明

3．4．6充分利用硬件特性

3．5做一名閤格的程序員

3．5．1代碼注釋

3．5．2頭文件

3．5．3函數

3．5．4良好的編程習慣

3．5．5勤於寫文檔

3．6C語言編程常見問題

第4章智能車電機控製係統設計

4．1智能車機電傳動部分介紹

4．1．1機電傳動部分組成概述

4．1．2車模中直流電動機介紹

4．2電機驅動電路原理與分析

4．2．1電機驅動電路的構成方式

4．2．2PWM技術及其調製方法

4．2．3電機驅動電路運行模態分析

4．3電機驅動電路設計方案

4．3．1入門級電機驅動電路方案

4．3．2中級電機驅動電路方案

4．3．3高級電機驅動電路方案

4．3．4電機驅動電路的幾點總結與討論

4．4電機轉速測量方法

4．4．1智能車常用測速方案

4．4．2轉速、轉嚮測量與計算方法

4．5智能車速度控製策略

4．5．1電機轉速開環控製方法

4．5．2電機轉速閉環控製方法

4．5．3閉環調速係統仿真驗證與分析

4．5．4智能車電機控製係統設計流程

第5章智能車巡綫技術

5．1比賽用四輪車建模

5．1．1他勵直流電機建模

5．1．2四輪車轉嚮建模

5．1．3控製實例：光伏並網逆變係統

5．2巡綫識彆

5．2．1引導信息

5．2．2輪廓提取

5．2．3原始圖像獲取

5．3巡綫技術涉及的實用方法

5．3．1內存分配

5．3．2逆透視變換

5．3．3最小二乘法及其應用

5．3．4巡綫實例

5．4控製器程序設計

5．4．1控製器程序麵對的主要問題

5．4．2需要考慮的一些細節

5．4．3一些沒有提及的事情

第6章智能車直立技術

6．1平衡車基本知識

6．1．1控製係統硬件設計要點

6．1．2控製係統軟件設計要點

6．1．3傳感器係統設計

6．1．4平衡車的姿態

6．1．5陀螺儀傳感器誤差模型

6．1．6加速度計傳感器誤差模型

6．1．7陀螺儀、加速度計傳感器的數據處理

6．2平衡車的姿態解算

6．2．1互補濾波的姿態解算

6．2．2卡爾曼濾波器基本方法和姿態解算

6．2．3卡爾曼濾波姿態解算實驗

6．3姿態控製的實現

6．4平衡車速度控製

6．4．1速度控製主導運動狀態階段

6．4．2姿態控製主導運動狀態階段

6．4．3速度控製實現

6．5平衡車方嚮控製

6．6平衡車機械簡要分析

6．6．1機械結構分析

6．6．2傳感器的安裝

6．7平衡車的製作流程

6．7．1平衡車製作初級階段

6．7．2平衡車製作進階

6．8最後再說點什麼

第7章PCB設計實例

7．1PCB設計工具概述

7．2原理圖庫繪製

7．3原理圖繪製

7．4封裝庫繪製

7．5綫路闆布局布綫

7．6綫路闆打樣與BOM整理

7．7焊接與調試

7．8繪製PCB時的注意事項

7．8．1PCB的設計流程思考

7．8．2大功率電路PCB設計

7．8．3信號檢測電路設計

第8章智能車機械調校與設計

8．1智能車車模簡介

8．1．1車模類型

8．1．2智能車競賽對車模的規定

8．2四輪車機械調校

8．2．1虛位處理

8．2．2輪胎處理

8．2．3差速處理

8．2．4底盤處理

8．2．5防撞結構

8．2．6關於新C車模

8．3自平衡車模的機械調校

8．3．1車模簡介

8．3．2自平衡車模的機械調校

8．3．3球車和自行車

8．4節能車的機械設計和調校

8．4．1車模方案的選擇

8．4．2電機方案的選擇

8．4．3輪胎方案選擇

8．4．4傳動部分方案選擇

8．5小結

附錄A智能車車模總結

附錄B智能車設計中的常見問題

參考文獻

精彩書摘

第3章嵌入式C語言的應用

3．1嵌入式概述
如何讓小車在競賽中聰慧過人並發揮齣異於“常車”的超能力，如何讓小車在競賽中極速飛馳、不走尋常路，這一切都將寄托於軟件的設計。
史蒂夫·喬布斯曾說： “如果說硬件是我們産品的大腦和肌肉，軟件就是産品的靈魂”。在智能車競賽中，軟件控製部分占瞭較大的比重。如果沒有良好的軟件支持，再好的硬件平颱也僅僅是一堆靠電子元件堆積的闆卡而已，不能發揮齣它的最大作用。在智能車係統中，傳感器相當於眼睛、耳朵來獲取外界的信息，輪子則是四肢，驅動器部分相當於車子的肌肉，而控製器則相當於車子的大腦，軟件則是在控製器“大腦”中運行的思想和靈魂！智能車的“智商”和“習性”均須由軟件來體現。
嵌入式係統屬於一種特殊的專用計算機係統，是裝置或者設備的一部分。IEEE(美國電氣和電子工程師協會)對嵌入式係統的定義是“Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants”，即“用來作為控製、監視或者輔助操作機器或者設備的裝置”。
嵌入式係統的風靡歸功於半導體集成電路的高速發展。20世紀70年代，集成電路技術發展齣瞭微處理器，也就是智能內核，它有兩個重要的功能，一是運算處理能力，二是自動控製功能，前者促進瞭計算機的飛速發展，後者使微型控製器走進人們的生活，如圖3．1所示，信息時代的生活離不開嵌入式的支撐。


嵌入式計算機係統以應用為中心，以計算機技術為基礎，而且在軟件、硬件方麵均可根據實際需要進行裁剪，適用於應用控製係統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機係統。它一般由嵌入式微型處理器、外圍配套硬件器件、嵌入式操作係統以及用戶的應用程序四大部分組成。我們使用的單片機就是一個最典型的嵌入式係統。
3．1．1認識嵌入式係統
嵌入式係統與一般PC係統有著一定的區彆，它包括兩大部分： 硬件和軟件。如圖3．2所示，硬件包括處理器、存儲器、外設器件、I/O設備。軟件部分包括操作係統、應用程序等，操作係統主要負責與硬件設備的交互，應用程序則完成該係統的功能。

前言/序言

　　前言

　　將人類的經驗、知識、語言甚至心理賦予機器，我們稱為人工智能。與之類似，智能車的研究主要是希望通過計算機技術取代人，實現自動駕駛。本書所涉及智能車知識基於全國大學生智能車競賽，它要求小型車模能夠在規定的賽道上實現路徑識彆、自主尋跡，並快速行駛。麻雀雖小，五髒俱全，雖然競賽智能車沒有現實生活中的無人駕駛技術那麼復雜，但是也需要相應的傳感器、執行器、控製器以及硬件電路並進行控製算法的設計與調試等。一般需要數月纔能較為係統地掌握上述知識，而能熟練應用並進行係統化調試以及創新往往需要更長時間。因此，該項賽事為大學生將理論知識轉化為實踐技術提供瞭良好的平颱。同時，智能車競賽組委會每年都會對競賽規則、賽道元素等進行非常用心的調整，競賽的新穎性與公平性得到瞭保證，因此每年都會吸引大量相關學科背景的學生積極參與。而齣版本書的主要目的就是能夠為這些參賽隊員提供參考和指導。

　　國內的智能車競賽是在韓國智能車大賽基礎上發展而來的，並於2006年舉辦瞭第一屆全國大學生智能車邀請賽。筆者有幸於2007年參與瞭第二屆賽事，那時參賽規模較小，手中可供參考的資料也很少。基於共享資料與交流的目的，筆者於2007年創辦瞭智能車製作網站www.znczz.com，為參賽同學提供瞭一個綫上交流平颱。時光匆匆，一晃十年已經過去，智能車製作網站積纍瞭大量智能車競賽的技術、經驗分享以及賽事影像等資料。更寶貴的是，筆者通過網站認識瞭眾多誌同道閤的朋友，也因此持續關注智能車賽事。在這個過程中，筆者也從當年的參賽學生變成學長，再到博士畢業，如今作為指導老師開始指導學生參賽。

　　值得一提的是，每年的比賽過程中，智能車製作網站都會湧現齣一批熱心迴答網友問題並樂於分享的會員，他們熱衷於智能車競賽和相關技術，並積極參與論壇的管理工作。所形成的論壇管理團隊不僅規範論壇運行，還會針對智能車中的熱點問題展開激烈討論，當然過程中也少不瞭調侃與嘻哈。除瞭網上聊天，我們還經常利用智能車競賽尋找綫下聚會的可能。前不久，一個偶然的機會讓我們産生瞭寫書的想法，這次幾個老友又一次一拍即閤，雖然大傢都已工作，但是仍然紛紛錶示會抽齣時間完成這件富有情懷的事情，書名也因此確定為《智能車製作》。

　　本書的作者不僅都來自智能車製作網站管理團隊，他們還是當年叱吒智能車賽場的佼佼者，工作後的他們繼續從事所熱愛的技術工程行業，有的積纍瞭豐富的硬件經驗，有的成為瞭優秀的嵌入式開發者，有的在高校指導學生參賽屢獲殊榮。本書的具體編寫情況為：第1章由樊越驍完成，他就是當年的論壇名人鳳姐，在硬件設計、開關電源方麵極富工程經驗，現任職於江蘇某科技公司；第2章由佟超完成，他是北京科技大學智能車領隊之一，硬件功底深厚，常年活躍在論壇幫助大傢解決問題；第3章由單超群完成，他是最早加入智能車論壇管理團隊的成員之一，現任職於深圳某科技公司，在程序設計開發方麵積纍瞭豐富經驗；第4章由王盼寶完成，目前為哈爾濱工業大學智能車俱樂部的指導老師；第5章由硃葛峻完成，他畢業於中南大學，曾是學校智能車協會副會長，現就職於國核電力規劃設計研究院有限公司；第6章由曹楠完成，他曆任第七屆至第九屆南京師範大學平衡團隊隊員及領隊，現任職於恩智浦半導體；第7章由樊越驍和渠占廣共同完成，渠占廣畢業於廈門大學，現任職於華為公司，曾獲智能車競賽國傢一等奬；第8章由蕭英喆完成，他是太原理工大學晉豹智能車隊的指導老師，帶領學生屢獲智能車相關國傢奬項。在此，也非常感謝清華大學卓晴老師以及組委會馬莉老師在此書齣版過程中給予的大力支持和幫助。

　　實際上，本書的讀者並不局限於智能車競賽參賽隊員，對智能車製作有興趣的大中小學生以及相關的科技競賽愛好者都可以從中找到需要的軟硬件知識、電路方案等。本書的作者始終相信興趣引導纔是做好事情的最佳途徑，但由於編寫時間倉促、水平有限，書中不足與錯誤難免，歡迎讀者將發現的問題反饋給我們，問題反饋郵箱是wangpanbao@126.com。

　　編者

　　2017年6月

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