电子科技大学开拓者队

第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：电子科技大学队伍名称：开拓者参赛队员：陈梦翔杨武张晨带队教师：田雨I关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名：陈梦翔杨武张晨带队教师签名：田雨日期：2012年8月8号II第一章引言.................................1第二章方案设计............................2第三章智能车机械改造设计..................5第四章智能车的电路设计及实现..............11第五章软件设计及控制策略与算法............19第六章报告总结............................29第七章参考文献............................30第八章程序................................311第一章引言全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位、32位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分（省）赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间来决定，参加全国总决赛的队伍同时必须提交车膜技术报告。大赛根据车模检测路径方案不同分为电磁、光电与摄像头三个赛题组。车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测的属于电磁组；车模通过采集赛道图像（一维、二维）或者连续扫描赛道反射点的方式进行进行路经检测的属于摄像头组；车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路经检测的属于光电组。技术报告以智能小车的设计为主线，包括小车的构架设计、软硬件设计，以及控制算法研究等，共分为六章。其中，第一章为引言部分；第二章主要介绍了小车的总体方案的选取，对单片机资源的分配作了说明。第四章对小车的硬件设计进行了详细的介绍，主要介绍了电路的设计；第五章描述了小车的软件设计和相关算法。第六章中叙述了我们在设计过程中遇到的问题和解决方法。2第二章方案设计2.1整车设计思路此次摄像头队采用竞赛秘书处统一指定的A型竞赛车模套件，采用飞思卡尔32位微控制器Kinetis系列的MK60DN512ZVLL10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.2.2路经检测方案设计透镜成像组用摄像头识别路径，同时也可以结合红外传感器辅助摄像头检测路径，从而有两种方案：方案一：单独采用摄像头进行路径检测。摄像头通过面成像，可以对车前方足够的赛道信息进行采集，有利于赛车行驶时对前方赛道进行有效的预测，实现最优路径的选择。摄像头采集图像的这个优点尤其在赛车高速行驶准备入弯时表现得突出，它可以精确判断出不同的弯道从而赛车可采用不同的行驶策略，这对于舵机反应的滞后性有很大的改进。单独采用摄像头检测路径的缺点是摄像头采集路面信息的频率较低，容易受到光线和赛道外物体的干扰，尤其是对起跑线检测时处理算法要进行优化。方案二：采用摄像头和红外传感器进行路径检测。红外传感器的电路和软件设计简单，使用红外传感器对路径的检测受光线的干扰较少而且采集的信息可靠，还可以获得很高的检测频率，弥补了摄像头检测频率不高、易受干扰的缺点，在检测路径和起跑线时可以得到比较可靠的信息。但是对黑线的检测精度有限而且红外传感器的作用距离有限，其前瞻距离不可能很远，同时红外传感器的功耗大，电路的重量也不小，严重影响了赛车的启停能力和速度。通过理论论证和现场测试，我们发现只要我们在起跑线第二章方案设计3对算法进行优化，完全可以解决起跑线的问题，在其他地方我们只要在算法里进行去干扰处理，可以解决干扰问题，没有必要再用到红外传感器。最终我们采用方案一。摄像头方案的选择：1.采用CCD摄像头。CCD摄像头优点是成像质量好，特别是动态效果比CMOS摄像头的效果要好很多。但是CCD摄像头的功耗比CMOS摄像头要高，工作电流有100mA左右。2.采用CMOS数字摄像头。CMOS摄像头功耗较低，工作电流只有10mA左右。并且CMOS摄像头出来直接是数字信号，对单片机处理速度有很大的帮助。综上所述，我们采用CMOS数字摄像头。2.3速度控制总体方案的设计在保证赛车稳定性的前提下，提高速度是获胜的关键，也是我们设计的重点。同时赛车的重量和重心的调整也是我们设计时要考虑的问题。对赛车速度的控制主要有两种方案。即：开环控制和闭环控制。方案一：开环控制开环控制是指没有反馈的控制。即通过预先设定的方案，没有外部反馈地进行操作。优点在于操作和控制比较简单，只需要提供理论运行的过程然后编程调整即可实现。缺点在于理论和实际始终有一定的误差，实践证明开环控制的精度不高，无法切实有效的提高速度。方案二：闭环控制闭环控制是指具有反馈的控制。在系统运行过程中，需要不断检测赛车速度的状态，与预期的状态进行比较，当相差到一定程度时，修正误差，精度很高。但是缺点在于电路的搭建和程序的编制都比开环控制要复杂。实现电机的闭环控制传感器主要是采用旋转编码器，在电机转动一定角度的时候形成脉冲，由外部器件捕获这些脉冲，得出与实际运行的差异。开环速度控制实现第七届全国大学生智能汽车竞赛4起来比较简单，但速度会随着电池电压的变化而变化，不能实现对速度的精确控制。为了使小车能以不同的速度通过不同的弯道，精确的速度控制是关键。综上所述，采用速度闭环控制方案。2.4转向控制方案转向模块主要由舵机实现，舵机的响应速度和舵机臂长决定了转向控制的实时性。舵机的响应速度与驱动电压和控制舵机的PWM波周期有联系，通过查阅相关资料得知，在电压允许条件下，驱动电压越高舵机的响应速度越快。我们的初步方案是用电池电压直接供电舵机，但调试的过程中，我们发现电池电压值很不稳定，工作一段时间会电压值会下降，这样会导致舵机臂中心值会便宜，这样车的控制会很受影响，所以我们舵机的驱动电压定位官方标定值6V，响应速度满足我们的要求，我们把控制舵机的PWM波频率调整为60HZ，把舵机臂长加长，整体综合下来，舵机的响应速度有了很大提高，实现了对赛车的快速转向控制。5第三章智能车机械改造设计智能小车的机械性能对于其行驶表现具有非常重要的影响，任何控制算法和软件程序都需要通过智能小车的机械结构来执行和实现。为使模型车在比赛中发挥出最佳性能，使其直线行驶高速稳定，入弯转向灵活，结合现代汽车控制理论对智能车的运动特性进行分析，并据此对智能小车的机械结构进行相应的调整和参数优化。3.1车体机械建模智能汽车竞赛摄像头组专用车模图3.1要使赛车跑出好成绩，除了算法的优化，还要调整赛车的机械结构。机械结构的调整是一个需要通盘考虑的问题，赛车的机械性能对小车行驶性能有很大的影响。安装时需要考虑的要点是：（1）符合组委会规定的赛车的尺寸要求（2）安装的可靠性（3）安装的轻便性（4）方便摄像头准确快速的检测（5）车体各部分重量的分配。质心问题，保证赛车转弯、加速在安装车模第七届全国大学生智能汽车竞赛6与车模结构改造过程中，通过不断的调试摸索，经过对比之后，我们对小车的机械结构进行了改进，提高了小车的过弯性能和行驶的稳定性，达到了满意的效果。下面分别进行介绍。3.2车模安装从拿到车模开始，车模安装便是第一项很重要的工作，车模零件比较多并且很繁琐，安装时要有细心和耐心。首先，认真阅读车模安装说明书，从中了解各零件的编号和作用，安装步骤，车模的基本结构蓝图等。其次，根据说明书安装。找一个比较宽敞得桌面并在上铺上一块比较大的抹布，把各零件袋和安装工具准备齐全，还可以把比较小且常用的零件放在桌面上，这样既可以提高安装效率，也可以防止安装过程中零件的滑落，丢失。安装结束后，对小车各部分进行检查和调整，主要是以下几个方面：（1）驱动电机齿轮传动机构，确保齿轮咬合紧密，顺畅。（2）前轮转向机构，传动杆与舵机连接可靠，舵机工作时无晃动。（3）轮胎，胎内海绵垫平铺无褶皱，轮胎轮毂与表面橡胶可靠固定。（4）前后轮主轴合适固定，减少车轮滚动阻力。3.3机械结构调整在比赛规则允许范围内，通过对小车机械结构进行改造，可以减少软件的复杂性，也可以提高小车行驶稳定性和过弯性能。3.4光电编码器我们采用增量式光电编码器实现对驱动电机转速的检测，通过齿轮传动的方式将测速电机上小齿轮与差速齿轮啮合，可以实时地获得准确的运行速度。最开始我们考虑采用100线的小型编码器，该编码器的外径只有18mm，安装方便，重量也很小。但是，经过队伍商量以后发现相信随着后期车速的不断地提第三章智能车机械改造设计7高，对测速精度的要求也越来越高，再加上模型车本身震动对编码器的影响，100线的小编码器已不能满足需求。所以我们又一次考虑和选择安装较大编码器的方式。最终决定选用500线AB两相光电编码器，当采样时间在2.5MS的时候，可以返回100多个脉冲，这样使PID控制精度足够。3.3.1舵机安装方式调整（1）舵机竖直安装。（2）加长并加工舵机输出力臂。其原因主要是舵机转动一定角度有时间延迟，时间延迟正比于旋转过的角度。舵机的响应速度直接影响模型车的过弯的最高速度，加长输出力臂，舵机转动很小的角度便可使前轮转动比较大的转角，提高了舵机的响应速度。这时，两前轮的连杆水平，舵机在转动时有最大的输出力矩，转向很轻便。3.3.2前轮机械的调整在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。主销后倾角是前轮主销与前轮垂直中心线之间的夹角，也就是主销上端向后倾斜的角度。主销内倾角是前轮主销在赛车水平面内向内倾斜的角度，虽然增大内倾角也可以增大回正的力矩，但增大内倾角会在赛车转向的过程中，增大赛车与路面的滑动，从而加速轮胎的磨损，由于轮胎对地的附着力对防止侧滑有很重要的影响，所以如果轮胎磨损则得不偿失，所以内倾角调整为1°。前轮外倾角是前轮的上端向外倾斜的角度，如果前面两个轮子呈现“V”字形则称正倾角，呈现“八”字则称负倾角。由于前轮外倾可以抵消由于车的第七届全国大学生智能汽车竞赛8重力使车轮向内倾斜的趋势，减少赛车机件的磨损与负重，所以赛车安装了组委会配备的外倾角为1°。前轮前束是前轮前端向内倾斜的程度，当两轮的前端距离小后端距离大时为内八字，前端距离大后端距离小为外八字。由于前轮外倾使轮子滚动时类似与圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。但由于拉杆的作用使车轮不可能向外滚开，车轮会出现边滚变向内划的现象，从而增加了轮胎的磨损。前轮外八字与前轮外倾搭配，一方面可以抵消前轮外倾的负作用，另一方面由于赛车前进时车轮由于惯性自然的向内倾斜，外八字可以抵消其向内倾斜的趋势。外八字还可以使转向时靠近弯道内侧的轮胎比靠近弯道外侧的轮胎的转向程度更大，则使内轮胎比外轮胎的转弯半径小，有利与转向。3.3.3后轮距及后轮差速的调整差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。当车辆在正常的过弯行进中(假设：无转向不足亦无转向过度)，此时4个轮子的转速(轮速)皆不相同，依序为：外侧前轮＞外侧后轮＞内侧前轮＞内侧后轮。差速器的特性是