第九届智能车竞赛 华南赛区光电组桂林理工大学-t.p.l 2014-技术报告

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1、第九届第九届“飞思卡尔飞思卡尔”杯全国大学生杯全国大学生 智能汽车竞赛智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告 学 校：桂林理工大学 队伍名称：T.P.L 2014 参赛队员： 谭垂旺 潘晓基 李 刚 带队教师： 神显豪 I 关于技术报告和研究论文使用授权的说明关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第九届“飞思卡尔”杯全国大学生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

2、： 带队教师签名： 日期： II 目 录 第一章 引言.1 第二章 智能车总体设计方案.2 2.1 章节概述.2 2.2 系统总体方案设计.2 2.3 整体布局.2 第三章 机械系统设计及安装.4 3.1 转向轮参数的调整4 3.2 赛车底盘和重心调整.5 3.3 车模转向舵机的安装.5 3.4 编码器的安装.6 3.5 线性 CCD 与 CCD 转向舵机的安装.7 3.6 陀螺仪的安装.9 第四章 硬件系统设计及实现.9 4.1 硬件设计方案.9 4.2 单片机最小系统.10 4.3 线性 CCD 传感器.12 4.4 稳压电源模块设计.13 4.4.1 单片机、陀螺仪和 LCD5110 供

3、电.13 4.4.2 线性 CCD 和编码器供电.13 4.4.3 舵机供电.14 4.5 电机驱动电路.14 4.6 Nokia5110 显示和按键接口18 4.7 起跑线检测电路18 第五章 软件系统设计及实现19 5.1 系统软件流程图20 5.2 弯道的处理21 5.3 赛道中线推算21 5.4 舵机转向控制22 5.5 PID 控制23 5.5.1 位置式 PID24 5.5.2 增量式 PID24 5.6 舵机控制.25 5.7 电机控制26 5.8 车辆行驶策略26 第六章 系统开发及调试工具.27 6.1 开发工具.27 6.2 上位机调试软件应用27 6.3 无线调试.27

4、6.4 按键和液晶调试.28 第七章 模型车的主要技术参数.29 总 结.30 参考文献.31 附录：部分程序源代码.33 1 第一章 引 言 为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革， 受教育部高等教育司委托，由教育部高等自动化专业教学指导分委员会（以下 简称自动化分教指委）主办全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛以智能汽车为研 究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动， 是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励 探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生 的 综合知识运用能力、基本工程实践能力和

5、创新意识，激发大学生从事科学研究 与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文 精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。 该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术平 台，竞赛过程包括理论设计、实际制 作、整车调试、现场比赛等环节，要求 学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现 的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广 阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计 算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客 观，坚持公开、公平、公正的原则，保证竞赛

6、向健康、普及，持续的方向发展。 全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、 澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优 胜队将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、 摄像头组、创意组等多个赛题组别。每个 学校可以根据竞赛规则选报不同组 别的参赛队伍。全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、专家 主办、学生主体、社会参与”的 16 字方针，充分调动各方面参与的积极性。 2 第二章 智能车总体设计方案 2.1 章节概述 本章主要介绍了本组光电组车的总体设计方案和设计思路，在以后的章节 里，将对整个系统从机械结构、

7、硬件电路、控制算法三个方面进行更为细致的 分析介绍。 2.2 系统总体方案设计 本智能车系统由CCD采集赛道信息，输入到MK60DN512ZVLQ10微控制器，控 制器处理获得的赛道信息，根据赛车与赛道的位置关系，控制舵机和驱动电机 进行相应的动作。同时，通过光电编码器来检测车速。本赛车舵机采用PD控制； 驱动电机采用 PID控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的功率。 MK60DN512ZVLQ10 CCD 上位机 光电编码器 电机驱动模块舵机转向模块 图2.1 整体结构框图 2.3 整车布局 本设计智能车采用B车车模。在整个制作过程中，为了使赛车能更好的稳定 第三章 机械系统设计及安装 3

8、 行驶，我们十分注重对整车结构的设计和安装：降低赛车底盘，放低重心； 重量分布合理；CCD安装稳定；硬件电路布局紧凑、合理；舵机架高直 立安装。 图2.2 整车布局图 4 第三章 机械系统设计及安装 小车的速度不仅跟小车的硬件电路，控制算法有关，小车机械性能的好坏 也直接影响着小车的发挥，好的机械结构可以使得小车更加稳定，有着更大的 潜能。在相同电路和算法下，重心更低的车明显更加稳定，速度更快。为了让 赛车达到更好的状态，我们对赛车机械系统做大量的工作。 3.1 转向轮参数的调整 赛车的转向轮的安装与调整是十分重要的，如果安装不合理，赛车的转向 就会不灵活，赛车侧滑，加速轮胎与差速器磨损，降低

9、赛车行驶速度等问题。 转向轮定位参数包括车轮外倾、车轮前束、主销后倾、主销内倾、推力角 等。保持正确的车轮定位角度可确保车辆直线行驶，改善车辆的转向性能，确 保转向系统自动回正，避免轴承因受力不当而受损失去精度，还可以保证轮胎 与地面紧密接合，减少轮胎磨损等。我们在制作赛车时，对赛车转向轮参数进 行了多次测试，我们调整了车轮前束等参数，最终得到一个比较合适本赛车的 安装。 图3.1 转向轮调整图 第三章 机械系统设计及安装 5 3.2 赛车底盘和重心调整 一般来说，车辆底盘高度越低，车辆重心越低，赛车的抓地力越好，车在 行驶时越稳定。因此在很多赛车比赛中，提高速度的有效方法就是降低底盘高 度，

10、所以我们把固定电池的支架降低，从而降低了重心，为了让重心尽量在车 子的中心，我们把电池安装在靠近舵机的一边，把主板安装在靠近电机的一边， 使整车重量分布均匀，有利于车行驶的稳定性。另外，我们将主电路板做得尽 可能小，刚好能放在电机和电池架中间的底板上。在保证赛车能顺利通过赛道 的前提下，我们降低了赛车底盘的高度，并从整体结构上降低赛车的重心，使 赛车在行驶时更加稳定。 图3.2 赛车底盘图 3.3 车模转向舵机的安装 车模转向舵机的安装方式主要有直立式安装和倒置式安装。比赛车模的转 向是通过舵机带动左右横拉杆实现。舵机的转动速度和功率一定，要想加快转 向机构的响应速度，唯一的办法就是优化舵机的

11、安装位置及其力矩延长杆的长 度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力 矩太大也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机 力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。经过实际验证，我们得 出了一套可以稳定高效工作的参数及结构。综合考虑了速度与力矩的关系，我 们采用直立式舵机安装方式，保证舵机在底盘上的质量分布尽量平均，实现了 较好的舵机转向控制。 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 6 图3.3 舵机安装图 3.4 编码器的安装 光电编码器是智能小车速度反馈元件，其安装位置应该充分考虑测速的准 确性和防干扰。光电编码器的尺寸较大，给安装造成

12、了极大的不便，在尝试了 各种可能性后,我们将编码器安装于车模尾部的边上，与车轮传动齿轮耦合，尽 量使得传动齿轮轴保持平行，传动部分轻松、流畅，不存在过大噪音和丢数情 况。 第三章 机械系统设计及安装 7 图3.4 编码器安装图 3.5 线性 CCD 与 CCD 转向舵机的安装 本次比赛我们使用 3 个 CCD 传感器，分别用于普通直道和弯道、人字弯道、 坡道的检测。 检测普通直道和弯道的 CCD 安装:这个 CCD 应用于车辆行使的全过程， 所以需要有足够的前瞻来尽可能多的采集前方路况信息。为了能够让 CCD 快速 采集前方路况信息，使车子能够实时快速响应，我们使用一个舵机来控制 CCD 的转

13、向，使 CCD 跟随车子的行进方向转动。我们采用卧式安装 CCD 转向舵机， 即舵机转轴直立朝上，与 CCD 支架固定在一笔直方向上。为了保证 CCD 有足够 的前瞻,能够完整采集赛道两边黑线,我们把舵机固定在主板的中间位置，CCD 装在较低处，仰角较大； 检测人字弯道的 CCD 安装：此 CCD 用于检测人字弯道的斑马线及两边黑 线，采集检测的信息量较大，要有足够大的视角范围，所以我们把它装在比 要高的位置。当车子进入人字弯时，告知智能车已经进入人字弯道，需要做出 相应动作转出弯道； 检测坡道的 CCD 安装: 当车子快到坡顶时前瞻长的 CCD 的视线已经高出 了坡顶的高度，以至于发生丢线。

14、这时需要安装一个前瞻短的 CCD,但是前瞻短 第三章 机械系统设计及安装 8 带来的问题是 CCD 装在低处视角范围就窄，无法采集到赛道两边黑线，所以我 们只能把 CCD 安装在最高位置，扩大视角范围，才能采集到坡道信息，顺利通 过坡道。 CCD 支架杆有两种选择，一种是碳素杆，非常轻，但很容易破碎，一种采 用轻质铝材，牢固耐用，但比起碳素杆还是重了许多。对比两种材质的支撑杆， 结合本届车模的具体情况，决定采用碳素杆材料，从而减轻车模重量。 3个CCD的作用不同安装的位置及角度亦不同。CCD要经过实际多次调试选择 最佳角度和高度，以及对CCD视野范围来进行标定。 图3.5 3个CCD安装 图3

15、.6 CCD转向舵机安装 9 3.6 陀螺仪的安装 陀螺仪应用于坡道的检测判断，通过感知车子的姿态告诉单片机车子正在 坡道路段，需要调用前瞻近的 CCD 检测路况信息。我们把陀螺仪安装在转向舵 机前面即车子最前方，从而能及时的检测到车子的姿态。 图 3.7 陀螺仪安装 第四章 硬件系统设计及实现 4.1 硬件设计方案 从最初进行硬件电路设计时我们就既定了系统的设计目标：可靠、高效、 简洁，在整个系统设计过程中严格按照规范进行。 可靠性是系统设计的第一要求，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁 兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将数字电路与模拟电路 分开，使本系统工作的可靠性达到了

16、设计要求。 高效是指本系统的性能要足够强劲。我们使用了由分立元件制作的直流电 动机可逆双极型桥式驱动器，该驱动器的额定工作电流可以达到 20A 以上，保 证了电动机的工作转矩和转速。 简洁是指在满足了可靠、高效的要求后，为了尽量减轻整车重量，降低模 型车的重心位置，应使电路设计尽量简洁，尽量减少元器件使用数量，缩小电 路板面积，使电路部分重量轻，易于安装。我们在对电路进行了详细分析后， 对电路进行了简化，合理设计元件排列、电路走线，使本系统硬件电路部分轻 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 10 量化指标都达到了设计要求. 图4.1 主板PCB图 4.2 单片机最小系统 我们采用的单片机为 freescale 公司的 MK60DN512ZVLQ10。MK60DN512ZVLQ10 是 K60 系列 MCU。 Kinetis 系列微控制 器是 Cortex-M4 系列的内核芯片。K60 内存空间可扩展，从 32 KB 闪存/ 8 KB RAM 到 1 MB 闪存 / 128 KB RAM，可选的 16 KB 缓存用于优化总线带宽和闪 存执行性能