《第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 合肥学院 逐梦1队》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 合肥学院 逐梦1队（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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：合肥学院队伍名称：逐梦 1 队参赛队员：许强、杨涛、余长丰、陈伟带队老师：李秀娟、刘伟引言- - 2 - -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： 第十届全国大学生智能汽车总决赛赛技术报告- - 3 - -
2、引言.- 4 - 第一章 方案设计.- 5 - 1.1 系统总体方案的设计.- 5 - 1.2 系统总体方案设计图- 6 - 第二章 智能车机械结构调整与优化.- 7 - 2.1 智能汽车车体机械建模- 7 - 2.2 智能车前轮定位的调整.- 7 - 2.2.1 主销后倾角- 8 - 2.2.2 主销内倾角- 8 - 2.2.3 前轮前束.- 9 - 2.3 智能汽车部分结构安装及改造.- 10 - 2.3.1 智能汽车转向机构调整优化.- 10 - 2.3.2 智能汽车差速机构调整.- 12 - 2.3.3 智能车后轮减速齿轮机构调整.- 13 - 2.3.4 重心高度的调整.- 13 -
3、 2.3.5 传感器的安装.- 14 - 第三章 智能汽车硬件电路设计.- 15 - 3.1 电源管理模块- 15 - 3.2 传感器模块- 16 - 3.2.1 电感传感器的原理- 16 - 3.2.2 磁传感器信号处理电路- 17 - 3.2.3 鸳鸯超声波.- 19 - 3.2.4 其他传感器电路- 20 - 3.2.4 系统主板设计.- 20 - 3.3 电机驱动模块- 21 - 第四章 智能车控制软件设计说明.- 22 - 4.1 软件设计总体框架- 22 - 4.2 采集传感器信息及处理- 23 - 4.2.1 电感的布局.- 23 - 4.2.2 传感器滤波与归一化.- 24 -
4、 4.2.3 赛道信息计算.- 27 - 4.3 速度控制算法.- 28 - 4.3.1 增量式 PID 控制原理.- 28 - 4.3.2 速度策略分析.- 29 - 4.4 舵机控制.- 30 - 4.5 双车通信.- 30 - 4.5.1 超声波模块测距- 30 - 4.5.2 NRF24L01 通信.- 31 - 结论.- 32 - 参考 文 献33 附录 1：调试软件.34 附录 2：车模参数.35 附录 3：程序代码.36引言- - 4 - -引言全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨，鼓励创新的一项科技竞赛活动。竞赛要求在规定的汽
5、车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动模块以及编写相应控制程序，制作完成能够自主识别道路的模型汽车。智能汽车竞赛的赛道路面为宽度为 45cm，赛道主要赛道元素附近设有标志，小车沿赛道中心通有频率 20kHz 电流为 100mA 交流电的系铜线作为引导线。参赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛。今年电磁组为双车运行，在两辆车同时运行的基础上加上双车之间的通信。本文中，我们小组通过对小车设计制作整体思路、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法，而对单片机
6、具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳动。这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。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，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，在此要感谢清华大学，感谢他们将这项很有意义的科技竞赛引入中国；也感谢北京科技大学相关学院对此次比赛的关注，我们的成果离不开学校的大力支持及指导老师悉心的教导；还要感谢的是和我们一起协作的队员们，协助，互促，共勉使我们能够走到今天。第十届全国大学生智能汽车总决赛赛技术报告- - 5 - -第一章 方案设计本章内容简要地介绍智能车系统总体设计
7、思路，以及一些设计方案的分析，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。1.1 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，电磁双车车模中有一辆必须采用的是大赛组委会统一提供的 B 型车模，另外一辆可用 A、B、C 型车模。主控制器采用以飞思卡尔半导体公司生产的 32 位微控制器 KL26 作为核心控制器，在 IAR 开发环境中进行软件设计。单车在赛道上的位置信号由车体前方的电磁传感器采集，经运算放大器放大后送如单片机内部 AD 进行模数转换后，进行算法处理得到相关的参数，将所得到的参数用于赛车的运动控制。通过编码器测速模块来检测车速，并采用
8、 KL26 的输入捕捉功能进行脉冲计数计算速度和路程；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，增加了按键作为输入输出设备，增加 OLED 作为显示器辅助调试。双车运行时，采用的是 nrf24l01 和超声波模块来进行双车间的通信，以防止两车相撞和两车间距离被拉大，实现两车间的最优控制。图 1.1.1 双车整体框图引言- - 6 - -1.21.2系统总体方案设计图系统总体方案设计图KL26 控制器前 车KL26 控制器后 车NRF24L01超声波模块电磁传感器运放模块电磁传感器运放模块OLED 显示OLED 显示按键 拨码开关舵
9、机电机驱动直流电机编码器陀螺仪模块图 1.2.1 系统方案设计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、速度检测模块辅助调试模块。各模块的作用如下：K60 主控模块，作为整个智能车的“大脑”，将采集电感传感器、编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电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，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向
10、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。辅助调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。第十届全国大学生智能汽车总决赛赛技术报告- - 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，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进和提高。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智能汽车车体机械建模智能汽车车体机械建模此次竞赛选用北京科宇通博科技有限公司生产的智
11、能车竞赛专用模型车(B型模型车)，配套的电机为 540 电机，伺服器为 S-D5。智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。智能车的外形大致如图 2.1.1。图 2.1.1 智能车外形2.2 智能车前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。模型车通过四条轮胎与地面接触，两个后轮同轴受到限位，无法调整，与模型车的前进方向保持平行，因此要改引言- - 8 - -变模型车与地面的接触方式，调试出利于模型车转向、直线的四轮定位，只能通过调
12、整前轮各定位参数来实现。B 型模型车可以调整的前轮参数有主销后倾角、主销内倾角、车轮前束，三个参数可以调整，但是由于模型车加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着一些偶然性。2.2.1 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。图 2.2.1 主销后倾角示意图B 型模型车的主销后倾角无法通过直接调整前桥结构实现改变，采用在前桥处增加垫片，可以适当
13、的增加主销内倾角，有利于保持直线行驶、转向后回正。2.2.2 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 03左右，不宜太大。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不第十届全国大学生智能汽车总决赛赛技术报告- - 9 - -同之处是主销
14、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。引言- - 10 - -图 2.2.2 主销内倾角示意图2.2.3 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，一般前束为 012mm。图 2.2.3 前轮前束示意图在模型车中，
15、前轮前束是通过调整伺服电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 02mm 可以减小转向阻力，第十届全国大学生智能汽车总决赛赛技术报告- - 11 - -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、主销内倾角和前束等均可以调整，但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。2.3 智能汽车部分结构安装及改造智能汽车部分结构安装及改造2.3.1 智能汽车转向机构调整优化智能汽车转向机构调整优化理想的转向模型，是指在轮胎
16、不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。在这种理想的模型下，车体的转向半径可以计算得到。图 2.3.1 智能车转向示意图如图 2.3.1，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。车轮满足转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点。转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。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。在实际操作中，我们通过理论计算的方案进行优化，然后做出实际结构以验证理论数据，并在实际调试过程中不断改进。引言- - 12 - -图 2.3.2 智能汽车转向梯形示意图图 2.3.2 为智能汽车在转向半径为 50cm 的转向前轮及其转向梯形的理论变化情况。可见在转向过程中，中间连杆的长度
