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1、第十届“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： 哈尔滨工业大学（威海） 队伍名称： 工大威海九队参赛队员： 季晨鹏陈汉诚徐鹏飞刘震带队教师： 麻志滨 刘芳 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十届“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： 目目 录录第一章 引言.1 第二章 智能车整体方
2、案设计.2 第三章 车模机械结构调整.43.1 对前轮的调整.4 3.1.1 主销后倾.4 3.1.2 主销内倾.4 3.1.3 前轮外倾.4 3.1.4 前轮前束.53.2 电磁支架的安装.53.3 对底盘的调整.63.4 对重心的调整.63.5 对舵机的调整.7 第四章 硬件平台设计.94.1 电源模块94.2 主板电路114.3 传感器模块12 4.3.1 检测原理.12 4.3.2 传感器布局.134.4 电机驱动模块144.5 舵机驱动模块144.6 速度检测模块和终点检测模块15 第五章 软件算法设计 - 17 -5.1 底层初始化 .- 17 -5.2 传感器采集处理 .- 17
3、 -5.3 寻线行驶算法 .- 17 - 5.3.1 定位算法 - 17 - 5.3.2 基于位置式 PID 的方向控制 .- 18 - 5.3.3 基于位置式 PID 的速度控制 .- 19 - 第六章 开发工具、制作、安装、调试过程说明.206.1 开发工具.206.2 调试过程.206.2.1 上位机系统.20 6.2.2 控制算法的参数整定.216.3 整车机械方面的调整.22 第七章 模型车参数说明 - 23 -7.1 智能车外形参数 - 23 -7.2 电路部分参数 - 23 -7.3 传感器个数以及种类 - 23 -7.4 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量 - 23
4、-7.5 赛道信息检测频率 .- 23 - 第八章 总结与提高.24 参考文献.25 附录 A 源程序代码I1第一章第一章 引言引言全国大学生智能汽车竞赛是教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养而设立的。该竞赛与己举办的全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等 4 大专业竞赛不同，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。在本次比赛中，本组使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，双车选用 A 型车模作为前车，B 型车模作为后车，都采用飞思卡尔 32 位微控制器MK60DN512ZVLQ10 作为核心控制单元，
5、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，同时不断尝试并确定了双车通信的方式，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制硬件系统。在制作小车的过程中，我们对小车的整体构架进行了深入的研究，分别在机械机构、硬件和软件上都进行过更进，硬件上主要是考虑并实践各种传感器的布局，改进驱动电路，软件上先后进行了几次大改，小车的寻线方式从最先的电感值归一化后的差比和运算到最终方案的确定。控制算法上，从 PID 到Bang-Bang,再到模糊 PID 都进行了一些研究。技术报告以智能小车的设计为主线，包括小车机械结构设计、软硬件设
6、计，以及控制算法研究等，共分为七章。其中，第一章为引言部分；第二章主要介绍了小车的总体方案的选取；第三章对小车的机械结构进行了详细的介绍；第四章主要介绍了电路的设计；第五章描述了小车的软件设计和相关算法；第六章中叙述了小车的调试工具；第七章是对我们小车的制作过程的总结和展望。2第二章第二章 智能车整体方案设计智能车整体方案设计本智能车系统以飞思卡尔公司的 MK60DN512ZVLQ10 为核心，基于 6 组 6.8nF 电容和 10mH 工字电感并联组成传感器的路径识别，由运算放大检波模块、 电源模块、电机驱动模块、舵机控制模块、速度采集模块、拨码开关和按键等 组成的调试模块、oled 显示屏
7、模块、蜂鸣器模块、无线串口模块、MCU 模块、 干簧管终点检测模块等组成，如图 2.1 所示。在双车配合上采用一个光电管安 装在后车，防止两车相撞的情况发生。整个智能车系统工作电压由 +3.3V、+5V、-5V、6V、7.2V 组成，其中 7.2V 用于电机模块，6V 用于舵机 模块、5V 给车速传感器、-5V 和+5V 给仪表运算放大器、+3.3V 给 MCU 等。为 了在线控制参数的调整方便，我们采用按键、拨码开光和无线串口配合使用的 方式，使用 oled 屏和 led 作为小车上的参数显示，并且用上位机在 PC 端接收 传感器采集到的数据来进行曲线拟合、分析，使得整个参数调制过程变得简单
8、 轻松。电源模块MK60DN512ZVLQ10电机驱动模块舵机驱动模块电磁传感器测速模块无线串口模块按键、拨码开 关等oled 显示屏、蜂 鸣器等干簧管终点检 测图 2.1 智能车总体结构框图第二章 智能车整体方案设计 3图 2.2 智能车总体效果图4第三章第三章 车模机械结构调整车模机械结构调整要使赛车跑出好成绩，赛车的机械结构是至关重要的。机械结构的调整是 一个需要通盘考虑的问题，赛车的机械性能对小车行驶性能有很大的影响。安 装时需要考虑的要点是： （1）符合组委会规定的赛车的尺寸要求 （2）安装的可靠性 （3）安装的轻便性 （4）要使传感器有合适长度的前瞻 （5）车体各部分重量的分配。质
9、心问题，保证赛车转弯、加速性能。3.1 对前轮的调整根据汽车理论，对前轮的调整主要包括主销后倾，主销内倾，前轮外倾， 前轮前束几个方面。 3.1.1 主销后倾主销后倾就是使小车的主销轴向后倾斜一个角度，类似于自行车的前叉。 主销后倾可以提高小车的行驶稳定性。因为由于主销后倾，在前轮偏转时会产 生一个回正力矩，使小车保持向前行驶的状态，车速越大回正力矩越大，但这 个力矩同时会使转向变的沉重。根据汽车动力理论将主销后倾角设为度，使车轮具有自动回正的功能。3.1.2 主销内倾主销内倾就是使汽车的销上端向内倾斜一个角度。主销内倾角也有使车轮 自动回正的作用 。3.1.3 前轮外倾前轮外倾就是使汽车的前
10、轮呈外“八”字型的往内张开。前轮外倾角一方面第三章 车模机械结构调整5可以在汽车重载时减少装载间隙，可以减少锁紧螺帽的载荷。（如图3.1）图 3.1 前轮的调整3.1.4 前轮前束前轮前束就是使两前轮的前端距离小于后端距离。前轮前束是为了补偿前 轮外倾带来的不良后果，因为前轮外倾会使车轮地面上出现连滚带滑的现象。 经我们的探索，发现主销后倾对小车的行驶稳定性有很大的提高，所以我 们将主销后倾角设为度。而主销内倾，前轮外倾，前轮前束则要根据赛道的 具体情况而作出具体的调整，由于赛道未知因此主销内倾角，前轮外倾角和前 轮前束角都保持为度。 通过对前轮的不断调节，我们总结出前轮对智能车的加速以及是否
11、拐内圈 都有一定的影响。3.2 电磁支架的安装电磁支架的安装不仅要考虑到要有足够的长度、质量要轻，同时更重要的 是支架的稳定性，还有在调试过程中免不了各种碰撞，所以碳纤维杆要方便更 换。因此我们用碳纤维杆作为支架的材料，用三通和热熔胶配合作为连接支架 的材料，考虑了三角形的稳定结构，对支架的方案进行了多次尝试和比较，最 终确定了较为稳定的支架布局。（见图 3.2）第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6图 3.2 电磁支架安装图3.3 对底盘的调整底盘越低，车辆的重心越低，后轮抓地力越好，前轮转向越敏感，所以我 们使用垫片将两辆车的重心放到较低的位置。考虑到在整个赛道中并无崎岖路 面，我们拆除
12、了两辆小车的减震系统并用 PCB 加固了小车的底板，使得控制电 路板能低放置，减低小车中心和小车行驶过程中的晃动。3.4 对重心的调整除了赛车的纵向重心外，赛车重心的前后位置对赛车的行驶性能也有很大 的影响。将重心前移会加大前轮对地摩擦，可以一定程度上减少侧滑，增加转向。 但是由于电磁支架本身就会使车的重心较为靠前，所以安装完支架之后 A 车模 的重心位置比我们期望的还要靠前。整个车身上占重量较大的并且位置也比较 便于调整的是电池，所以我们对电池的位置做了精心的调整，将原有车模的电 池底座去除，改用轻质的魔术贴，用热熔胶固定在车的底盘上，这样使车的重 心进一步降低，并调整电池的位置使得赛车的重
13、心大概位于赛车的中间稍微偏 前一点的位置。（如图 3.3）对于 B 车模由于它所用的电机质量较重，电磁支第三章 车模机械结构调整7架对重心的影响并不明显，所以对于 B 车模我们只是将舵机由立式改为卧式， 这样可以进一步降低重心。图 3.3 电池和电路板的位置重心的调整，使赛车后轮的抓地力和前轮转向力之间有了一个很好的均衡。3.5 对舵机的调整1）A 型车模的舵机我们采用立式的安装方法（见图 3.4）。传统的平躺式舵机 安装方式，不仅使横拉杆地面有一定夹角而且左右横拉杠的长度不同。这使得 舵机输出的力变小（因为只有舵机使出的力的水平分力才是使前轮转向的有效 分力）且 MCU 中舵机左右转的参数也
14、将不同。通过我们的竖直安装方式有效的 解决了这两大问题。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告8图 3.4 A 车舵机安装示意图（2）B 型车模的舵机我们采用卧式的安装方法（见图 3.5）。由于 B 车模原有 的安装方式舵机位于车体的中心位置，不利于电路板的安装和重心的调整。为 方便电路板的安装和降低重心，我们最终选择卧式安装的方案。图 3.5 B 车舵机安装示意图对舵机的改动后提高了舵机的响应速度，MCU 中有关舵机的参数左右对称， 小车的过弯性也有有很大的提高。9第四章第四章 硬件平台设计硬件平台设计智能车的硬件平台主要由以下模块构成：（1） 电源与电源监控模块 （2） 中央控制电路 （3
15、） 电磁传感器模块 （4） 电机驱动模块 （5） 舵机驱动模块 （6） 终点检测模块 （7） 速度检测模块 （8） 拨码开关、按键、oled 等调试模块4.1 电源模块智能车系统采用配发的标准的车模用的 7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄电池进行供 电，但各个模块所需要的电压不同，因此需要进行电压调节。电源系统的好坏 直接关系到整个系统的稳定性。 本系统电源包括：7.2V 为电机供电，使用 LM2941 稳压成 6V 后给舵机供电， 一路 UCC383(5V)为编码器等供电，一路 TPS7350（5V）和一路 ICL7660（-5V） 给仪表运算放大器供电，一路 B0512（12V）作为
16、电机驱动模块的驱动电压，另 外用一片 TPS7333（3.3V）为单片机和 OLED 等供电。电池（7.2V）舵机测速等MCU、OLED电机 机TPS7350（5V）UCC383(5V)LM2941（6V ）电磁传感器TPS7333(3.3V)B0512(12V)ICL7660（- 5V）MOS 驱动图4.1 电源分配图UCC383 是 TI 公司生产的三端线性稳压芯片，最大输出电流能达到 3A，并且 外围电路较简单，只需在输入输出端加入滤波电容即可。另外在输出端和地端加入 LED 灯第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告10来指示输出电压是否正常。（如图 4.2） 图 4.2 UCC383 原理图B0512 是一款 5V 升 12V 的电源隔离芯片，用在 MOS 管驱动芯片 IR2104 上。对于 12V 的电源，并不需要提供很大的输出电流，所以我们选择这款电源 隔离芯片，电
