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1、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：湖北工业大学工程技术学院队伍名称：追逐者参赛队员：徐崇凯 郭云翔 秦绘带队教师：吴迪 1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邀请赛关保留、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： 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2引言全国大学生智能汽车竞赛是以智能汽车为研
2、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。我校为了增强学生的综合能力，努力为学生营造条件参加比赛。虽然我们起步比较晚，但我们的实力相对往届有的一个质的提升。根据往届的经验，我们以 K60 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，最终实现一套能够自主识别路线，的智能车控制系统。文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简要的说明。在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，还积极的与
3、其他学校进行了交流，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用，也增强了我们的团队合作的能力。 目录3目录引言.- 3-目录- 4 -第一章 方案设计- 7 -1.1 系统总体方案的设计- 7-1.2 系统总体方案设计图.- 8 -第二章 智能车机械结构调整与优化.- 9 -2.1 智能车前轮定位的调整- 9-2.1.1 主销后倾角.- 9 -2.1.2 主销内倾角.- 9 -2.1.3 车轮外倾角.- 10 -2.1.4 前轮前束- 10 -2.2 智能车转向机构调整优化- 11-2.3 编码器的安装.- 11 -2.4 智能车重心位置的调整- 12 -2.5 其它机械结构
4、的调整.- 12 -第三章 电路设计说明.- 13 -3.1 主控板和驱动板的硬件设计- 13 -3.1.1 电源管理模块- 13 -3.1.2 电机驱动模块- 14 -3.1.3 数模转换模块.- 15-3.1.4 单片机及其他电路部分设计- 16 -全国大学生智能汽车邀请赛技术报告43.2 智能车传感器模块设计- 18 -3.2.1 电感传感器的原理.- 19 -3.2.2 磁传感器信号处理电路.- 19 -3.2.3 磁传感器的布局原理及改进.- 21 -第四章 智能车控制软件设计说明- 24-4.1 底层初始化.- 24 -4.24.2 传感器采集处理算法 .- - 2424 - -4
5、.3 基于位置式 PID 的方向控制- 25 -4.3.1 基于增量式 PID 的速度控制.- 27 -4.3.24.3.2 模糊控制 .- - 2727 - -第五章 开发与调试 - 29 -5.1 上位机系统- 29 -第六章 模型车的主要技术参数说明.- 31 -6.1 智能车外形参数- 31 -6.2 电路部分参数- 31 -6.3 传感器个数以及种类- 31 -6.4 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量- 31 -6.5 赛道信息检测精度、频率.- 31 -结论- 33 -参考文献 - 34 -附录 程序源代码I第一章 方案设计5第一章第一章 方案设计方案设计本章主要简要地
6、介绍智能车系统总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。1.11.1 系统总体方案的设计系统总体方案的设计根据竞赛规则相关规定，智能车系统采用大赛组委会统一提供的 C 型车模，以飞思卡尔半导体公司生产的 32 位微控制器 K60 作为核心控制器，在 IAR 开发环境中进行软件开发。赛车的位置信号由车体前方的电磁传感器采集，经内部 AD 进行模数转换后，输入到控制核心，用于赛车的运动控制决策。通过编码器测速模块来检测车速，电机转速控制采用 PID 控制，通过 PWM 控制驱动电路调整电机的转速，完成智能车速度的闭环控制。此外
7、，还增加了按键和拨码开关用于对车子的运行时间和档位控制。用 OLED 模块监测车子数据并及时进行调整。 车子总布局全国大学生智能汽车邀请赛技术报告61.21.2 系统总体方案设计图系统总体方案设计图K60核心控制单元编码器直流电机电机驱动模块舵机转向控制OLED 显示模 块五六路电感传感器上位机干簧管键盘，拨码开关运放模块图 1.2 系统总体方框图根据以上系统方案设计，赛车共包括七大模块：K60 主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块。各模块的作用如下：K60 主控模块，作为整个智能车的“大脑” ，将电感传感器、编码器、干簧管等的信号做统一处理，根据控制算法做出控制决策，驱
8、动直流电机和舵机完成对智能车的控制。传感器模块，是智能车的“眼睛” ，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。电机驱动模块，驱动直流电机和舵机完成智能车的加减速控制和转向控制。速度检测模块，检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。第二章 智能车机械结构调整与优化7第二章 智能车机械结构调整与优化智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此良好的机械结构不仅有助于车子的稳定，而且可以降低软件的设计难度。本章将主要介绍智能车车模的机械结构和调整方案。2.12.1 智能车前
9、轮定位的调整智能车前轮定位的调整现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，其主要的参数有：主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。2.1.12.1.1 主销后倾角主销后倾角主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。所以，主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在 1到 3。模型车通过增减黄色垫片的数量来改
10、变主销后倾角的，经过试验，我们将主销后倾角设定为 3，这样既不会使转向过于沉重，而且可以得到较大的回正能力。2.1.22.1.2 主销内倾角主销内倾角主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作全国大学生智能汽车邀请赛技术报告8用也是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于 8。 对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为 4左右。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，
11、保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。 2.1.32.1.3 车轮外倾角车轮外倾角前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾” ，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在 1左右，以减少承载轴承负荷，增加
12、零件使用寿命，提高汽车的安全性能。 模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为 0即可，并且要与前轮前束匹配。2.1.42.1.4 前轮前束前轮前束所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。像内八字那样前端小后端大的称为“前束” ，反之则称为“后束”或“负前束” 。在实际的汽车中，一般
13、前束为 0-12mm。第二章 智能车机械结构调整与优化9在模型车中，前轮前束是通过调整舵机带动的左右横拉杆实现的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束 0-2mm 可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，是由于车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。2.22.2 智能车转向机构调整优化智能车转向机构调整优化智能车转向的好坏建立在良好的转向机构的调校上的，模型的转向符合“阿克曼转
14、 向理论”是我们认为最优的设定。合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合适的转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性。正是由于这些原因，转向系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺利地完成比赛。在开始之初，我们根据计算设计了一个舵机摆杆，但由于制作精度不够高，使得实际效果并不明显，车模有吃边现象。最后我们决定采用蓝宙的设计的舵机摆杆，实际效果能达到使用要求，采用立式的舵机安装方法，转向良好，在舵机中值设定后能随意跑直线。2.32.3 编码器的安装编码器的安装为了得到较高的精度，我们采用了龙
15、丘的编码器。该编码器有精度高，体积小，重量轻，容易安装的优点。齿轮的啮合可以自主调节。全国大学生智能汽车邀请赛技术报告10编码器安装2.42.4 智能车重心位置的调整智能车重心位置的调整为了有更大的前瞻，必须把电感架到较远的位置，会引起车重心特别靠前，后轮正压力不足导致甩尾。为了使重心后移，我们尝试了很多传感器支架的搭建方式，使得保证结构稳定的前提下尽量减轻重量。同时，我们将电池往后移，达到了预期的效果。2.52.5 其它机械结构的调整其它机械结构的调整为了消除轮胎与轮毂的滑移现象，在轮胎与轮毂之间用胶水粘牢。为了让 车子更顺利的过坡道，车子底盘应保证平整，无突起物。为了取得良好的加速 性能和
16、稳定性，给底盘进行了加固。第三章 电路设计说明11第三章 电路设计说明3.13.1 主控板和驱动板的硬件设计主控板和驱动板的硬件设计3.1.13.1.1 电源管理模块电源管理模块为满足需要，本车模上存在 4 种供电电压：1）智能车使用镍镉充电电池，充满时电压在 7.88.2V。可直接用于电机和舵机供电。2）一些数字器件使用直流 5V，5V 电源选用线性稳压芯片 LM2940。3）使用 3.3V 为单片机以及运算放大器供电，采用线性稳压芯片LM1117-3.3。输入端接 LM2940-5V 输出端。4）舵机我们使用 6V 供电，我们使用线性稳压芯片 LM1084ADJ 对舵机供电。加若干 LED 显示各类电源工作状况。该部分电路如图 3.1 所示。全国大学生智能汽车邀请赛技术报告12图 3.1 电源管理模块原理图3.1.23.1.
