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1、 第九届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告 学 校： 中南大学 队伍名称： 比亚迪牡羊座 2014 参赛队员： 薛喜辉 李炜坤 卞栋磊 带队教师： 王 击 杨明安 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“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： 带队教师签名： 日 期： 第九届全国大学生智能汽车竞赛技术
2、报告 II 目录目录 第一章 引言.1 1.1 背景介绍1 1.2 整车设计思路1 1.3 章节安排2 第二章 机械结构设计 - 1 - 2.1 总体思路 - 1 - 2.2 前轮的调节 - 2 - 2.3 底盘调节 - 2 - 2.4 传感器的安装 - 2 - 2.5 舵机的安装 .- 3 - 2.6 测速传感器的安装 .- 4 - 2.7 差速机构调整 - 4 - 2.8 硬件电路板的安装 - 5 - 2.9 本章小结 - 5 - 第三章 硬件电路设计 - 6 - 3.1 硬件设计总体方案 .- 6 - 3.2 电源管理模块 .- 7 - 3.3 主控制器电路 .- 7 - 3.4 电机驱
3、动电路 .- 8 - 3.5 人机交互电路 .- 9 - 3.6 本章小结 .- 9 - 第四章 软件设计 - 10 - 4.1 总体设计 .- 10 - 4.1.1 模块设计 - 10 - 4.1.2 总体流程 - 10 - 4.2 传感器排布的确定 .- 11 - 4.3 舵机控制 - 11 - 4.3.1 舵机控制算法 .- 11 - 4.3.2 转向改进 .- 12 - 4.4 速度控制 .- 12 - 4.4.1 电机控制 .- 12 - 4.4.2 速度给定策略 .- 13 - 4.5 特殊情况处理 .- 14 - 4.5.1 十字弯 - 14 - 4.5.2 坡道 - 14 -
4、4.5.3 起跑线 - 15 - III 4.5.4 障碍 - 15 - 4.5.5 人字 - 15 - 4.6 本章小结 .- 15 - 第五章 调试与开发软件 - 16 - 5.1 系统硬件调试 .- 16 - 5.2 传感器调试 .- 16 - 5.3 软件系统调试 .- 17 - 5.4 本章小结 .- 19 - 第六章 车模具体参数 - 20 - 第七章 总结与展望 - 21 - 7.1 总结 .- 21 - 7.2 展望 .- 21 - 参考文献 - 23 - 致谢 - 24 - 附录：程序代码I 第一章 引言 1 第一章 引言 1.1 背景介绍背景介绍 全国大学生智能汽车竞赛是以
5、智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创 意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动，该竞赛 是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的 8 位、16 位和 32 位 微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相 应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成 时间最短者为优胜。1 全国大学生智能汽车竞赛已成功举办了八届，得到了高校师生的高度评价， 已发展成全国 30 个省市自治区 170 余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞 赛。已被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中 9 个科技人 文竞赛之一。该竞赛激发
6、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。1 1.2 整车设计思路整车设计思路 智能车竞赛要求设计一辆以组委会提供车模为主体的可以自主寻线的模型 车，根据比赛规则和要求，本智能汽车采用光电组方案，采用组委会规定的 TSL1401 线阵 CCD 传感器作为路径检测采集模块，飞思卡尔 16 位微控制器 MC9S12XS128 作为控制核心，欧姆龙 500 线编码器作为速度采集模块，由微 控制器采集并分析当前传感器模块传送过来的赛道信息计算出舵机打脚和电机 速度等参数，从而使智能小车能在跑到上快速稳定的行驶。 图 1-1 系统总框图 本智能车控制系
7、统由路径检测传感器模块、SD 卡模块、电机驱动模块、微 控制器模块、拨码开关和按键等参数调节模块组成，系统总框图如图1-1 所示。 路经检测 微控制器模块 PC 机SD 卡模块 速度检测 舵机 按钮及拨码开关 电机 第九届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 2 1.3 章节安排章节安排 技术报告分七个章节：第一章节主要是对模型车设计制作的主要思路以及 实现的技术方案概要说明，提出技术报告的行文框架。第二章介绍了赛车机械 改造的总体思路，并详细说明了机械结构调整情况。第三章说明赛车系统的硬 件设计实现。第四章说明方向控制和速度控制算法设计。第五章介绍仿真和调 试的方法。第六章是赛车的具体参数。第七章
8、总结了整个制作过程中的创新点 和不足之处，提出了下届备赛过程的努力方 第二章 机械结构设计 - 1 - 第二章 机械结构设计 随着智能车的速度不断提升，智能车的机械结构越来越被重视，智能车机 械结构的好坏对车的速度有着很大的影响。本智能车如图 2-1 所示。 图 2-1 智能汽车外貌 2.1 总体思路总体思路 关于赛车机械结构的调整，我们主要从以下几个方面考虑： 1)车体重量：比赛规则规定，智能车的驱动电机和传动机构不允许更改， 意味着赛车的最大驱动能力是一定的。要想提高赛车的平均速度，必须提高其 加速和制动性能，在驱动力一定的情况下，尽量减轻车体的重量会提高赛车的 加减速性能。另外，更轻的重
9、量也会使赛车转向更加灵活。 2)重心高低：导引线弯道的最小半径为 0.5 米，要使得智能车能在弯道上 高速通过，必须防止侧滑和侧翻，尤其是侧翻。重心位置是影响侧翻的最关键 的因素，所以设计中应尽量降低智能车的重心。为此，我们采用前轮安装一定 数量垫片来尽量降低车体的底板高度。印制电路板用螺丝尽量低位安装在车模 底盘上。 第九届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 - 2 - 3)转向灵活性：转向的灵活性会直接的影响到智能车的性能，由于舵机 具有机械延时，另外加上控制舵机的周期，舵机要转到给定的目标角度会有一 定的延时，要使转向快，就要尽量减小舵机的延时。另外，后轮的差速的性能 对转向性能的影响也很大
10、。 2.2 前轮的调节前轮的调节 光电组使用的是组委会规定的 B 车模，这种车模前轮只有三个可调部位： Camber link，前束及前悬挂。 Camber link 我们采用车模默认值，并没有进行调节。 Toe角度(束角)是描述从车的正上方看，车轮的前端和车辆纵线的夹角。车 轮前端向内束(内八字)，称为Toe-in;车轮前端向外张(外八字)，称为Toe-out。少 量的前轮Toe-in (内八字)可以使车在加速时保持稳定。但这样做也会减少车子 在进入弯角时的转向反应，同时增加加速出弯时的转向反应。如果需要在进入 弯角时获得更多的转向，可以使用Toe-out (外八字) 。但这样做会使车子在加
11、 速时、或者通过起伏路面时，变得不稳定，偏离直线。越大角度Toe-in或Toe- out，越会减低车辆在直线行走的速度。为了使车辆行驶稳定我们将束角调成 Toe-in。 前悬挂的松紧和前轮的抓地力有一定关系。但是前悬挂如果过松，车模在 行驶过程中会发生特别大的抖动，这样会使CCD传感器的检测准确度严重下降， 所以我们在调整前轮结构时选择拧紧前悬挂的螺丝。 2.3 底盘调节底盘调节 为了降低重心，防止车辆在高速行驶时出现侧翻，侧滑等失控现象，我们 将底盘尽可能的降低，刚好过坡道不擦跑道。底盘调节还要注意前后的高低配 合和左右高度的平衡。适当的高低配合有利于增加前轮的抓地力，防止车模发 生推头现象
12、。左右高度平衡可以改善车辆的过弯性能。一般来讲，底盘向那边 倾斜，该方向的过弯性能就好，这也是左右不对称的原因。很多队伍利用这种 现象，在尾部加装悬挂舵机来提高车辆的过弯性能。但有利就有弊，目前出现 的主动悬挂装置都是开环的，其适应性不是很好，不同的赛道，参数差异可能 很大，而且一旦挂开得不合理，带来的后果是致命的。所以我们并没有进行过 主动悬挂的尝试。 2.4 传感器的安装传感器的安装 我们的智能车采用线性 CCD 作为路径检测传感器。为了提高其前瞻性，我 第二章 机械结构设计 - 3 - 们采用了常用的碳素杆高架式的架设方法。8mm 碳素杆质量较轻，可以大大减 轻整车质量，降低重心高度。为
13、了防止 CCD 晃动，我们还给主要碳素杆支架 上加入额外的三角支架。传感器安装图如图 2-2 所示。 图 2-2 线性 CCD 安装图 第九届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 - 4 - 2.5 舵机的安装舵机的安装 图 2-3 转向舵机连接 舵机响应速度是整车过弯速度的一个瓶颈。为了加快车轮转向速度，我们 设计并安装了舵机转向机构。在并非改变舵机本身结构的条件下，改变了舵机 的安装位置，安装更长的舵机输出臂。采用杠杆原理，在舵机的输出舵盘上安 装一个较长的输出臂，将转向传动杆连接在输出臂末端。这样就可以在舵机输 出较小的转角下，取得较大的前轮转角，从而提高了整个车模转向控制的速度 2。如图 2
14、-3 所示，这种方法是通过机械方式，利用舵机的输出转距余量，将 角度进行放大，加快了舵机响应速度。 第二章 机械结构设计 - 5 - 2.6 测速传感器的安装测速传感器的安装 图 2-4 编码器固定 本智能车采用欧姆龙 500 线光电编码器作为测速传感器，它能提供较高的 精度且具有 A、B 两向，但是由于 XS128 芯片器件的限制和简单处理的需要， 我们只采用 B 向输出作为速度信号。光电编码器通过齿轮和后轴齿轮相连，检 测车轮转速，如图 2-4 所示。 2.7 差速机构调整差速机构调整 后轮差速机构的作用是在车模转弯的时候，减少后轮与地面之间的滑动， 使转向轻便。车辆在正常的过弯行驶时四个
15、轮子的转速皆不相同，顺序为：外 侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。差速器的作用便是在起到传动的同 时允许该速度差的存在2。 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 低。过松会导致传动力不够，即主电机转动时后轮不动，只要有这种情况出现， 会严重影响到智能车的加速和制动性能，即出现智能车速度上升慢，制动力不 够的情况。过紧会使转向不轻便，甚至出现转弯时后轮滑动的现象，导致过弯 速度由于差速器没调整好而变慢。转向不灵活还会增加前轮侧滑的概率，因为 差速器调得过紧智能车在过弯时会给前轮一个向外的力，从而导致前轮有向外 第九届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 - 6 - 侧滑的趋势
16、3。 调整原则是：差速器应调的足够的松，但是要保证在任何测试情况下都不 会出现传动力不够的现象，而且为了保证测速的准确性，不能出现两个车轮同 时都和后轴齿轮转向相反的情况。 2.8 硬件电路板的安装硬件电路板的安装 我们的智能车系统除了传感器部分之外，电路板分两部分，一是电机驱动， 另一块主要含控制部分和电源管理部分，我们称之为主控板。我们把主控板固 定在驱动电机和电池之间，安装时离底盘 3mm 左右,并且用螺丝固定，既牢固 又便于散热。电机驱动部分直接用排针插在主控板上，这样可以降低整车的重 心。由于电机驱动下面覆盖的并不是主控芯片电路，这样也不会产生太大的干 扰。 2.9 本章小结本章小结 本章节主要讲叙了智能车系统的机械结构设计。本设计结构注重于减小智 能车行进阻力、加快舵机反应速度，进而提升智能车机械系统的整体性能。硬 件部分不只是包含机械结构部分，它也包含对于智能车稳定运行更为重要的一 环电路部分。所以接下来将详细介绍智能车系统的电路部分。 第三章 硬件电路设计 - 7 - 第三章 硬件电路设计 机械结构已经做了合
