第三届全国大学生“飞思卡尔”杯 智能汽车竞赛 技 术 报 告技 术 报 告 学 校： 中南民族大学 队伍名称： 零点六一八（光电组） 参赛队员： 胡国正 柳杲华 何宝灿 带队教师： 张俊敏 II 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第二届全国大学生“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： 带队教师签名： 日 期： III 目录 第一章 引言 1.1 总体方案概述2 1.2 路径采集3 1.3 路径分析4 1.4 控制决策4 1.5 执行单元4 第二章 机械系统设计5 2.1 底盘高度的确定5 2.2 舵机延长杆长度5 2.3 前轮倾角的调整5 2.5 齿轮传动机构的调整6 2.6 后轮差速机构调整6 第三章 硬件系统设计9 3.1 硬件电路设计方案9 3.2 主控电路板设计.10 3.3 前瞻模块.11 3.4 起始线检测模块.12 3.4.1 红外对管的排布.12 3.4.2 单限比较器模块.13 3.5 电源模块.14 3.6 电机驱动模块.16 3.7 车速检测模块.17 3.8 测试防撞遥控模块.18 第四章 控制策略与算法.21 4.1 路径信息的提取.21 4.2 路径信息的抗干扰处理.22 4.3 舵机转向控制.22 4.4 速度控制策略.24 4.4.1 方向与速度的曲线拟合.24 4.4.2 PID 控速的实现.25 V 第五章 调试工具开发.27 5.1 信息采集调试工具 27 5.2 集成开发环境 CodeWarrior IDE29 5.2.1 集成开发环境简介.29 5.2.2 程序下载与调试.32 第六章 结语.35 6.1 智能车主要参数.35 6.2 不足与改进.35 6.3 致谢.36 参考文献37 附录39 VI 第一章 引言 全国大学生智能汽车比赛是全国高等教育司委托高等学校自动化专业教学 指导分委会主办，旨在培养创新精神、协作精神，提高工程实践能力的科技活 动。 比赛要求在组委会提供统一智能车竞赛车模、单片机 HCS12 开发板、开发 软件 Code Warrior 和在线调试工具的基础上制作一个能够自主识别路线的智能 车，它将在专门设计的跑道上自动识别道路行驶。比赛要求在不违反大赛规则 的情况下以最短时间完成单圈赛道。 智能车通过实时对自身运动速度及方向等进行调整来“沿”赛道运动。运 动策略的制定主要是依靠对传感器得到的道路及行驶信息进行采集、分析、决 策、执行四个步骤来进行。 本队在华南赛区决赛中成绩为 24.371 秒，由于本队在实验室测试中的赛道 比较光滑，因此赛后本队重新设计了和华南赛区决赛几乎一样的跑道，经过不 断改进和测试，目前的赛车状况和赛时状况对比如下表 1.0 所示。 车况 赛 时 目 前 时间 24.371 秒 22.12 秒 重量 1.2KG 0.99KG 抖动 抖动较为剧烈 基本不抖动 集成度 较为集成 非常集成 滤值 滤得不够彻底 滤得较为彻底 表 1.0 赛车目前状况和赛时状况对比 本报告主要对车模整体设计思路，硬件与软件设计及车模的装配调试过程 作出说明。本报告分为六个章节：第一章为引言介绍；第二章主要介绍智能车 机械设计；第三章具体介绍智能车硬件电路设计；第四章为智能车软件设计； 第三届全国大学生智能汽车竞赛 第五章为智能车开发与调试；第六章为智能车技术参数说明及总结。 1.1 总体方案概述 本着轻质量、低重心、大前瞻的原则，本队经过将近一年的时间，历经四 代方案，最终设计的车辆如图 1.1 所示。 图 1.1 智能车图片 基于舵机存在转向延时的现象，因此智能车的控制不可能达到与检测信息 同步的效果，舵机的转向效果始终滞后于舵机转向控制信息。为了克服舵机滞 后带来的问题，智能车就必须能获取更远的路径信息或者通过记忆算法进行预 测。 第三届全国大学生智能车竞赛将参赛组分为了摄像头组和光电组，其中只 要路径检测传感器不含有透镜就属于光电组，本队属于光电组，因此在路径检 测传感器的选择上非光电管莫属。本队采用了分离式的红外发射接收管，通过 PA 口控制发射管的发光，AD 同步于发射管进行采集，当传感器红外光打到白 2 第一章 引言 色底板时 AD 采集的值较高，达到黑色底板时 AD 采集的值较低，因此通过多个 传感器就可以准确辨别出黑色引导线的具体位置，根据黑线位置控制车体转向， 从而达到 “沿”赛道运动的大赛要求。系统方框图如图 1.2。 控 制 器 模块 电源管 理模块 路径识别模块 （前瞻） 舵机转 向模块 电机驱 动模块 速度检 测模块 通讯与 调试模 为 各 模 块 供 图 1.2 系统方框图 各模块的功能关系为：控制器控制前瞻的运行，前瞻将路径信息反馈给控 制器；控制器对路径信息分析后作出转向决策和速度控制决策，并将决策信息 传给舵机转向模块和电机驱动模块；速度检测模块则是将车体运行速度检测出 来并反馈给控制器；通讯与调试模块则是用于调试控制器并获取智能车运行时 的有关参数；电源管理模块为各模块供电。由以上叙述显然能得出结论：各模 块配合的好坏决定了比赛成绩，而各模块之间的配合不仅是在选型上、安装上 的配合，更重要的是在程序上配合。 1.2 路径采集 路径采集在智能车的制作当中占有非常重要位置，没有准确的路径识别就 不可能有赛车安全的驰骋。路径采集方案主要体现在发射管采取的发射方式， 发射管发射方式有以下两种： 3 第三届全国大学生智能汽车竞赛 4 1直流发射。优点是：制作简单，检测信息稳定，控制周期短，重心低且不 容易造成管子的烧毁；缺点是：前瞻性不够，耗能高且不利于过坡。 2调制发射。优点是：前瞻性较好，耗能少，且过坡较为容易；缺点是：制 作较为复杂，容易烧管子，较多消耗控制器资源且重心较高。 基于制作大前瞻原则，本队采用了调制发射的方式。 1.3 路径分析 数据输入到单片机中后，将根据黑线位置的不同来对其进行运算，以得到 小车与赛道的相对位置关系及相对运动关系。分析是上层控制算法的基础，光 电管安装位置（高度，仰角）的不同，前瞻性会不同，而且获得的单行图像质 量也不同，分析的目的是从综合考虑了上述安装因素后采集的单行图像中获取 尽可能多的有用信息。 在非理想赛道环境下，单片机获得的单行图像质量较差，多数情况下会引 入干扰，造成车模无法正确实别引导线而跑飞。因此将获得的数据进行滤值处 理就显得尤为重要。 1.4 控制决策 基于上两节的基础，控制器利用已知信息来完成对智能车控制指令的输出。 但如何使智能车尽可能快的完成比赛成为难点，主要目标是：根据道路趋势来 制定策略，在不违规的前提下缩短行驶距离，消除车体产生的振荡现象，加快 调节的响应速度等。 1.5 执行单元 执行机构不但涉及一些电路问题而且也涉及了一些机械传动问题。它的作 用是保证控制器发出的指令被正确可靠执行。 执行单元主要是舵机和主电机， 因此保证舵机和主电机的高效可靠运行显得尤为重要，本队实践表明：舵机延 长杆长度和电机驱动的散热能力是执行单元的研究重点。 第二章 机械系统设计 2.1 底盘高度的确定 在独立悬架下摆臂与底板之间可以通过增减垫片来调整底盘离地间隙。垫 片有 1mm 和 2mm 两种规格。一片垫片不加，车前部离地间隙为 12mm，故离地间 隙的调整范围为 9mm12mm。在保证能让小车顺利通过最大坡道的情况下，我们 将地盘离地间隙调为最低。 2.2 舵机延长杆长度 模型车采用的舵机响应速度为0.16s/60。舵机的响应速度比较慢，提高舵 机的响应速度是提高车速的一个非常重要的问题。为此我们做了一些简单的实 验，决定增加舵机输出的连接杆，可以在舵机输出较小的转角，获得较大前轮转 角。连接杆的长度要适中，短了达不到想要的效果，长了舵机输出的力矩不够。 如图2.2所示： 图 2.2 舵机延长杆 2.3 前轮定位 前轮定位主要参数：主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束。 主销后倾角指主销轴线与车体纵向平面的夹角， 它使车辆转弯时产生的离心 力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反， 迫使车轮偏转后自动回正到原来的中 间位置上，从而保持汽车直线行驶的稳定性。回正力与车速和主销后倾角的大小 有关， 车速愈大和后倾角愈大， 回正力愈大。 但回正力过大， 将会引起回正过猛。 第三届全国大学生智能汽车竞赛 会损坏舵机，转弯迟滞；有时会损坏舵机内部的齿轮。车速增高，回正力增高， 为使舵机转向灵活，后倾角可以减小到零。 主销内倾角指前轮的主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角。 它也 有使车轮自动回正的作用，保持直线行驶的功能，不过回正与车速无关。当转向 轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将 被抬起一定高度； 当外力消失后， 车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。 另外主销内倾还会使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面的距离减小， 同时转向时路面作用在转向轮上的阻力矩也会减小， 从而使转向操纵轻便。 但是， 主销内倾角不宜过大，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，轮胎与路面间将 产生较大的滑动，从而会增加轮胎与路面间的摩擦阻力。这不仅将使转向变得很 沉重，还将加速轮胎的磨损。 2.4 齿轮传动机构的调整 电机轴齿轮与后轮轴传动轮传动比为 9：38。齿轮的传动调整对于速度有 影响。调试中发现调调两齿轮间的松紧，会影响车跑的稳定性。调整的好，稳定 性提高，车速自然会提高。 调整首先保证后轮轴传动齿轮轴线与电机齿轮轴线保持平行， 然后调整两齿 轮间的松紧程度。齿轮间过松时，电机转动，传动过程中轮齿间产生碰撞，产生 相当大的噪声，且不利于速度的检测。齿轮调节过紧，增加传动力矩，且齿轮间 的摩擦力增大，浪费驱动力，加速性能不好。 2.5 后轮差速机构调整 差速机构的作用是在赛车转弯的时候，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 个轮子的转速皆不相同，依序为：外侧 前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。此次所使用赛车配备的是后轮差速机 构。差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一 侧，驱动齿轮的转速越高以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前 轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便 较低。差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降 6 第二章 机械系统设计 低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响赛车的过弯性能。好的差速机构，在 电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小， 不会有迟滞或者过转动情况发生。 7 8 第三章 硬件系统设计 3.1 硬件电路设计方案 3.1.1 红外发射与接收管 3.1.1 红外发射与接收管 红外发射接收管的选型直接决定了前瞻性能以及检测精度， 波长匹配是首先 必须要保证的，为尽量避开自然光的干扰，本队选用的峰值波长为 940nm，采用 高功率高冲击电流发射管 JY9415-B5，接收管采用小延迟小接收角度的 PD333-3B。 3.1.2 始线检测模块 3.1.2 始线检测模块 本届比赛加了起始线后 3m 内停车一项内容，对于光电组来说，通过光电传 感器检测起始线是很好的选择，因此，光电对管的排布方式以及程序的处理方式 是必须要着重考虑的。 3.1.3 电源部分 3.1.3 电源部分 车模的动力系统与控制系统共用同一电源。这样，在电机加减速过程中伴随 的超大电流将拉低电池端电压，严重威胁控制系统工作的稳定。因此，通过设计 稳定可靠的电源模块非常重要。 3.1.4 主电机驱