飞思卡尔机械部分调节

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1、全国大学生“飞思卡尔”杯 智能汽车竞赛 (1) 2009-04-28 19:30简要说明赛车设计的总体思路，硬件系统设计和软件系统设计的基本实现方案。第三章 机械部分的设计与实现 在不违反大赛规则的情况下，对赛车的机械部分做了相关调整和改造，使小车 的机械性能得到提升，为赛车良好的行驶表现奠定基础。 2 第一章 引言 第四章 硬件系统的设计与实现 详细介绍了赛车硬件电路的设计方案，其中包括电源管理模块、视频采集模块、 驱动电机模块、转向舵机模块以及测速模块。 第五章 赛车软件系统的设计与实现。 首先介绍了赛车系统设计中用到的各个 S12 功能模块，并对其初始化方法进行 简要说明。接下来具体介绍

2、了黑线提取算法，最后对赛车的方向控制以及速度 控制方案进行了细致说明。 第六章 赛车系统的调试 详细介绍赛车软硬件系统的调试方法，并对赛车在模拟赛道上的行驶表现进行 评估。 第七章 结论 详细介绍赛车的主要技术性能参数，对赛车设计制作过程进行总结，指出今后 改进的方向。 3 第二章 系统设计方案和技术概要 2.1 赛车系统的设计要求 根据大赛要求，设计的赛车要能够在白色赛道上识别出黑色引导线，并根据黑 线走向自动控制车轮转角和车速，从而实现赛车高速稳定的自主寻线行驶。为 使赛车沿着规定的赛道自动寻找黑色引导线并尽可能的高速前进，赛车必须具 备一套能对黑线进行检测并实时控制车速、方向的智能处理系

3、统，同时需要赛 车本身提供强有力的机械支撑。比赛对赛车系统具体的设计要求如下： 智能竞赛车模的规定 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，但可以更改舵机输出轴上连接件； 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

4、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。 4 第二章 系统设计方案与概要 赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局） 1) 赛道路面用专用白色基板制作，在分赛区以及决赛区进行初赛阶段时，跑道 所占面积不大于 5000mm* 7000mm，跑道宽度不小于 60

5、0mm；决赛阶段时跑道面 积可以增大。赛道路面制作材料型号会在网站给出。 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) 赛道直线部分可以有坡度在 15 度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。 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。 比赛最终成绩计算由下面公式给出： 比赛最终成绩(秒) = Ts * (1-0.01R) 式中 Ts 为赛车最快单圈时间（秒）；

6、R 为技术报告评分（分值范围 0-10）。 2.2 赛车系统的设计方案 仔细研究比赛规则和竞赛要求，我们对赛车系统设计的基本策略作出以下分析：第一，智能车竞赛是基于同一开发平台上设计的赛车进行竞速比赛，因而赛车 的速度和稳定性是决定比赛成绩的关键。在保证赛车稳定行驶的前提下，车速 越高，比赛成绩就越好。因此，在赛车的设计中应该遵循稳中求快的基本原则。第二，赛车需要实现自主寻迹，因而需要选择合适的寻线传感器。目前普遍采 用的寻线方案主要有光电管寻迹和 CCD 摄像头寻迹。光电管通过红外收发管检 测接收到的反射光强，以此判断赛道黑线，反应速度快，电路简单。但是比赛 对赛车传感器数量有要求，因而采用

7、光电管寻迹的精度就受到限制，并且光电 管寻迹前瞻性较差，容易受干扰；而 CCD 摄像头则是通过图像采集，动态拾取 路径信息来进行寻线判断。采用 CCD 摄像头寻迹则能大幅度提升赛车的前瞻距 离，有利于赛车提高车速。但是它是以实现小车视觉为目的的，数据处理量比 较大，算法较为复杂。经过方案讨论，我们最终选取 CCD 摄像头作为赛车的寻 线传感器。 5 第二届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 第三，竞赛车模本身是一个机械系统，赛车的机械性能对于赛车的行驶表现具 有很大的影响。因此，在大赛规则允许的范围内，结合汽车构造和汽车系统动 力学的相关理论对赛车运动模型进行分析并对其机械结构和运行参数进行优化

8、 和调整。 第四，由于速度是比赛的关键，那么在赛车的设计中应尽可能的减轻系统负载。 在硬件电路的设计过程中，在避免相邻电磁干扰的情况下应尽量考虑将各种芯 片放在一起，减少飞线，提高电路稳定性。 2.3 系统硬件结构设计整个系统以 MC9S12DG128B 为核心，为了能够让系统快速有效的工作，设计了视 频采集模块、电源管理模块、电机驱动模块、车速采集模块和单片机处理模块。 同时辅助于一定的机械结构设计，使整个有机的结合在一起，赛车的整体结构 如图 1-1 所示。 视频采集模块是赛车的眼睛，本次比赛赛车采用 CCD 摄像头作为寻线传感器， 利用螺杆将 CCD 摄像头架设在车体上方，架设高度和镜头

9、角度可以自由调节。 视频采集由 S12 单片机的 AD 模块，外围芯片（LM1881）和电路，与摄像头组 成。其功能是获取前方赛道的图像数据，以供 S12 作进一步分析处理。 赛车系统由额定电压为 7.2V 的蓄电池进行供电，而赛车各模块需要不同的电压 供给，因此需要进行电压调节。为此设计了电源管理模块，电源模块在智能车 控制系统中好比人的心脏，它可以根据不同模块的用电需求，对各模块进行分 开独立供电。 直流电机驱动没有采用大赛组委会提供的 MC33886 型驱动芯片，而是自制了 H 桥驱动电路，经过测试，不仅能提供较大的驱动电流，同时还可以双向驱动， 因此能够使赛车在比赛中加速性能更加优越，

10、制动效果更加理想。 为了能够实时的监控赛车的行驶速度，我们设计了车速测量模块。采用 RPR220 型红外反射式光电传感器作为基本的采集单元，在赛车减速齿轮上贴 上自制的带有黑白条纹的码盘，当赛车前进的过程中，传感器检测码盘反射光 线，产生类似正弦波形，借助整形电路，将正弦波变成标准的方波。通过 S12 单片机的 Input capture 功能模块计算出车速。 单片机处理模块是整个系统开发的重中之重，根据实际的需要，我们主要应用 6 第二章 系统设计方案与概要 了单片机 MC9S12DG128 的 A/D 模块、PWM 功能模块、SCI 模块、定时器模块和信 号输入捕捉模块。其中采用 S12

11、的 A/D 模块采集来自摄像头的信号，PWM 模块产 生 PWM 信号控制前轮舵机转向和电机的转速，定时器模块主要用来产生实时中 断，对整个系统的信息进行实时监控处理，SCI 模块用于人机交互、信号输入捕 捉模块主要用来采集车速信号，对车速进行计算。单片机采用 C 语言为基本的 工具进行开发，对于各个功能模块的底层开发以单片机的说明书为指导进行。 赛车系统的硬件结构框图如下： 图 2.1 赛车系统的硬件结构框图 2.4 系统软件结构设计 如果说系统硬件对于赛车来说是它的骨架和躯体，那么软件算法就是它的 思想。有了健壮、灵敏的躯体还需要有聪明、智慧的大脑。所以软件系统对于 赛车来说至关重要。首先

12、，赛车系统通过视频采集模块获取前方赛道的图像数 据，同时通过速度测量模块实时获取赛车的速度。然后利用边缘检测算法从图 像数据中提取赛道黑线，求得赛车于黑线位置的偏差，接着采用 PID 方法对舵 机进行反馈控制。最终赛车根据检测到的速度，结合我们的速度控制策略，对 赛车速度不断进行恰当的控制调整，使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速 前进。赛车系统的软件流程如图所示。 7 第二届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 系统初始化检测到摄像头换行信号？视频采样赛道黑线提取开始转向控制读入 实时车速返回 YN 车速控制图 2.2 赛车系统软件流程 8 第三章 机械系统的设计与实现 赛车的机械性能对于其行驶

13、表现具有非常重要的影响，任何控制算法和软件程 序都需要通过赛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 的机械性能，使其直线行驶稳定，入弯转向灵活，结合汽车理论相关知识对赛 车的运动特性作出分析，并据此对赛车的底盘结构进行相应的调整和参数优化。3.1 赛车的整体结构 本次比赛采用了大赛组委会提供的仿真车模，其主要尺寸参数如下： 车长： 316mm 车宽： 172mm 轴距： 204mm 前轮距：142mm 后轮距（可调）：138mm148mm 模型赛车的底盘结构图如下, 图 3.1 赛车底盘结构 9 第二届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 如图所示，赛车机械系统可分为两大块：转向机

14、构和驱动装置。转向机构主要 由舵机、转向拉杆、梯形臂和前轮组成。这四个部分相互连接，形成一个梯形 结构。转向机构的工作原理是：舵机根据接收到的转向控制信号正向或反向旋 转，带动转向拉杆横向移动，转向拉杆通过梯形臂牵动前轮使其绕前轮主销发 生旋转，从而实现赛车的转向。本次比赛车模采用后轮驱动，驱动装置包括直 流电机，减速齿轮，差速器和后轮。后轮转速由直流电机通过减速齿轮来进行 调节和控制，差速器主要作用是有效地弥补了左右两个后轮的行程差，使两个 后轮都在无滑动状态下过弯。 3.2 舵机的安装 舵机是赛车控制中的一个滞后环节，响应速度偏慢，有很大的时间延迟。舵机 的响应速度直接影响到赛车过弯时的转

15、向性能：响应速度越快，赛车转弯时就 越灵敏，车子在不发生侧滑的情况下所能达到过弯车速就越高。因此，想办法 提高舵机的响应速度是提升赛车整个赛段平均车速的一个关键。 实验可知，舵机的响应速度与舵机的工作电压和输出转向传动比密切相关。单 从机械方面考虑，增加转向传动比可以提高舵机的响应速度。根据大赛规则， 舵机不允许改动，但是舵机的连接件和安装位置可以改变。这就为设法提高舵 机输出转向传动比提供了依据。本文对舵机的外围结构和安装位置进行了研究 并作出相应的调整。 图 3.2 舵机增加输出臂示意图 10 第三章 机械系统的是设计与实现 具体的做法如图所示，我们在舵机原有的输出盘上额外增加了一段输出臂

16、，然 后将转向拉杆连接在输出臂的末端。增加输出臂的目的在于增大转向拉杆与舵 机连接点到舵机轴心之间的距离，相当于增大力臂。舵机自身硬件特性决定了 在给定电压一定时，空载和负载时舵机转动的角速度 分别保持定值，而线速 度 VR，正比与舵机输出臂的长度 R。这样一来，在相同的舵机转速条件 下（即 不变），增加舵机的输出臂的长度 R 可以使转向拉杆移动的线速度得到提高，前轮转向就越快，反应就越敏捷。显然这样利用舵机的转矩余量可以 提高其响应速度，从而提高了整个赛车转向控制的速度。但是实验中发现，舵 机采用正装时这样的调整方法受限，原因是舵机输出臂的增加会抬高转向拉杆， 这使得舵机作用在转向轮上的力臂减少，当转向轮遇到较大阻力时反而会降低 转向的响应速度；因此，我们考虑对舵机的安装位置进行调整。 要改动舵机的安装位置，首先要考虑的是能够实现前轮的正确转向，即前轮转 向满足阿克曼原理。阿克曼原理（Ackermann）是指汽车以低速转弯行驶忽略离 心力影响和轮胎侧偏影响的情况下，两轴汽车转向轴的理想内、外轮转角关系 满足一定的几何关系，如图 3.3 所示。 图 3.3 阿克曼原