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1、全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校： 徐州工程学院队伍名称： 徐工电磁队参赛队员： 董亮亮夏杰胡飞陈中康带队教师： 张旭隆王峰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十届“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： II摘摘 要要本文介绍了徐工电磁队队员们在准
2、备第十届飞思卡尔智能车大 赛中的准备过程及设计思路。智能车的硬件平台采用 MK60DN512VLL10 处理器，软件平台为 IAR 开发环境，车模采用大 赛组委会统一提供的 B 型和 C 型仿真车模。 文中主要介绍了智能小车控制系统的机械结构、软硬件结构及 设计开发过程。整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计 及信号处理、控制算法和策略的优化等多个方面。车模以野火公司 生产的 K60 单片机为控制核心，以安装在车体前的工字电感作为循 迹传感器，采用干簧管检测起跑线，以旋转光电编码器检测速度信 息。车模系统的简单工作原理是 K60 单片机采集工字电感感应电压 的模拟量和干簧管的导通状态，结
3、合舵机控制算法控制舵机转角， 单片机再综合赛道信息并结合旋转光电编码器的速度反馈信号，利 用电机控制算法控制速度变化。关键字关键字：MK60DN512VLL10 、反馈信号、舵机控制、速度控制全国大学生智能汽车邀请赛技术报告IV目录目录摘摘 要要.III引引 言言.- 1 -1 智能汽车比赛背景 - 1 -第一章第一章 系统整体设计系统整体设计.- 2 -1.1 系统概述 .- 2 -1.2 整车布局 .- 2 -第二章第二章 机械系统设计机械系统设计.- 4 -2.1 车体机械建模 .- 4 -2.2 车轮的安装及调整 .- 5 -2.3 底盘高度的调整 .- 6 -2.4 编码器的安装 .
4、- 6 -2.5 舵机的安装 .- 7 -2.6 舵机转角分析 .- 8 -2.7 电感支架的安装 - 10 -2.8 后悬架的改善 - 11 -2.9 其它机械结构的调整 - 13 -第三章第三章 硬件系统设计硬件系统设计.- 15 -3.1 单片机最小系统 - 15 -3.2 主板电路设计 - 15 -3.2.1 电源模块设计.- 15 -3.2.2 电磁检测信号放大模块设计.- 17 -3.2.3 参数调试模块.- 17 -3.3 电机驱动模块 - 18 -V3.4 起始线检测模块 - 19 -3.5 其它模块 .- 19 -第四章第四章 软件系统设计软件系统设计- 21 -4.1 软件
5、开发平台 .- 21 -4.2 软件系统总体设计 .- 21 -4.3 位置算法设计 .- 22 -4.3.1 磁场信息获取与处理- 22 -4.3.2 巡线原理- 23 -4.4 控制算法 .- 23 -4.4.1 舵机打角控制- 23 -4.3.2 电机速度控制- 24 -4.4 PID 控制算法 .- 24 -4.4.1 位置式 PID- 26 -4.4.2 增量式 PID - 26 -4.4.3 PID 参数整定.- 27 -第五章第五章 系统调试系统调试- 28 -5.1 在线调试 .- 28 -5.2 现场调试 .- 29 -第六章第六章 车模的主要参数及说明车模的主要参数及说明-
6、 30 -第七章第七章 总结总结- 31 -鸣谢鸣谢.- 32 -参考文献参考文献.- 33 -附录：程序初始化代码附录：程序初始化代码 - 34 -全国大学生智能汽车邀请赛技术报告- 0 -引 言1 智能汽车比赛背景全国大学生智能汽车竞赛是教育部举办的五大赛事之一，其中还包括大学生数 学建模竞赛、电子设计竞赛、机械设计竞赛、结构设计竞赛。智能汽车竞赛在我国 已经成功举办八届，其主要目的是加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养。 各参赛队采用飞思卡尔半导体公司的 8 位、 16 、 32 位微控制器作为核心控制单元， 自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机
7、控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参 加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队 伍的名次 （成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术报告、制作工程质 量评分为辅来决定。大赛分为光电、摄像头和电磁组三个赛题。车模通过感应由赛 道中心电线产生的交变磁场进行路径检测的属于电磁组；车模通过采集赛道图像（一 维、二维）进行路径检测的属于摄像头组；车模通过线阵 CCD 进行路径检测的属 于光电组。比赛跑道为表面白色，两边有连续黑线作为引导线，黑线宽为 25mm。 比赛规则限定了跑道宽道区宽度 45cm（电磁组另有标准） ，拐角最小半
8、径 50cm， 并且规定了各赛道标志的具体指标。赛车跑完一圈后，停在起跑区内三米，即完成比赛。引言- 1 -第 1 章 系统整体设计1.1 系统概述 智能车系统的总体工作模式为： 电感与电容谐振产生交流电信号，经过信号处 理模块进行放大检波，输入到 MK60DN512VLL10 微控制器，微控制器 AD 口对放 大后信号进行连续采样，进一步软件处理得到赛道中心线信息； 通过光电编码器来 检测车速，并采用 MK60DN512VLL10 的输入捕捉功能进行脉冲计算获得速度； 转 向舵机采用 PD 控制；驱动电机采用棒棒结合 PID 控制， 通过 PWM 控制驱动电路 调整电机的功率；而车速的目标值
9、则由处理采集的信号规划。根据智能车系统的基本要求，我们设计了系统结构图，如图 1.1 所示。在满 足比赛要求的情况下，力求系统简单高效，因而在设计过程中尽量简化硬件结 构，减少因硬件而出现的问题。图 1.1 系统框架 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告- 2 -1.2 整车布局 （1）电池底座降低，降低重心； （2）车模底盘降低，主板低放，以降低重心； （3）舵机竖直放置， 增长力臂，利于转角， 方便控制； （4）用轻便坚固的碳纤杆作为电感传感器前瞻支架的材料； （5）前（1）电池底座降瞻支架固定于前轮，并通过碳纤杆拉伸固定于车身后方，利于整车稳定性。B 车 C 车图 1.2 整车图 2第一章
10、系统整体设计- 3 -第 2 章 机械系统设计任意一个工程都是由软件和硬件组成。软件是灵魂，硬件是躯体，而软硬件都 是在机械结构的基础上来执行和实现的。在赛车制作中，除了算法的优化，硬件的 稳定，车的机械结构也占举足轻重的作用。赛车的机械性能对小车行驶性能有很大 的影响，机械结构的调整是一个需要通盘考虑的问题。安装时需要考虑的要点是： （1）满足组委会规定的赛车的尺寸要求 （2）安装的可靠稳定性及轻便简易性 （3）传感器探测距离的能力 （4）车体各部分重量的分配 在车模的安装与结构改造过程中，通过不断的调试摸索后，我们对小车的机械 结构进行了改进，以提高小车的过弯性能和行驶的稳定性。下面分别进
11、行介绍：2.1 车体机械建模 此次竞赛的赛车车模选用大赛组委会统一提供的 B 型和 C 型仿真车模。车模外形如图 2.1 所示。全国大学生智能汽车邀请赛技术报告- 4 -图 2.1 车体机械模型 2.2 车轮的安装及调整 第二章 机械系统设计- 5 -整个车模结构中，前轮是转向轮，后轮是驱动轮。对前轮的调整参数比较多， 由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等 4 个因素决定，反映了转向轮、 主销和前轴等三者在车架上的位置关系。而后轮部分主要是齿轮传动结构调整和后 轮差速结构调节。以下对转向轮定位参数进行解释（参见“智能模型车底盘浅析” -清华大学）： 主销后倾角 主销后倾角在车轮偏转后形成
12、一回正力矩，阻碍车轮偏转。主销后倾 角越大，车速愈高，车轮偏转后自动回正力越强，但回正力矩过大，将会引起前轮 回正过猛，加速前轮摆振，并使转向沉重。通常后倾角为 1 3。 主销内倾角 在汽车前后方向上，主销向内倾斜一个角度，主销轴线与垂线间的夹 角称为主销内倾角。当汽车转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾 , 则车 轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度，在外力消失后，车轮就会在重力作用下 力图恢复到原来的中间位置。通常主销内倾角不大于 8。前轮外倾角 在汽车横向平面内，前轮中心平面向外倾斜一个角度，称为前轮外倾 角。前轮外倾角一方面可以使车轮接近垂直路面滚动而滑动减小转向阻力，使汽车 转
13、向轻便；另一方面减少了轴承及其锁紧螺母的载荷，增加了使用寿命，提高了安 全性。一般前轮外倾角为 1左右，但对于有高速、急转向要求的车辆，前轮外倾 角可减小甚至为负值。 前轮前束 俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是稍微带一些 角度，这种现象称为前轮前束。车轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成 的不良后果，二者相互协调，保证前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。前轮前束一般 为 012mm。而现代汽车的前轮外倾角出现减小甚至为负值的趋势，前轮前束也应相 应减小甚至也为负值。 通过测试，我们主要调整的主销内倾和前轮外倾，就取得了理想的效果！2.3 底盘高度的调整在保证顺利通过坡道和障
14、碍的前提下，底盘尽量降低，从整体上降低模型车的 重心，可使模型车转弯时更加稳定、高速， 同时可通过降低电池支座实现。 2.4 编码器的安装 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告- 6 -为使整个控制形成闭环，当前速度反馈是必须的。为了测出当前速度，我们用了一 个光电编码器。该编码器为 200P/R，供电电压 5V，共引出 3 跟线。安装时尽量使得 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。安装图如图 2.2。B 车 C 车图 2.22.5 舵机的安装 舵机是赛车转向的驱动装置，其性能的好坏直接关系到赛车的转向性能和弯道 的极限速度。而舵机的固定方式也在一定程度上决定了比赛的
15、成败。舵机的固定大 体有三种方式，下面对其优缺点进行个人点评。 （1）平躺式固定 这种固定方式是车模上舵机的原安装方式。 它的优点：1）重心底，接近地盘，有利于车模的稳定。 2） 两臂前轮不等长，有利于车模的转弯。 它的缺点：1）在舵机和角度调节头之间有介子作为受力缓冲作用的。但这在比赛中会延缓前轮的反应时间。最好用 AB 胶将其固定死。2）舵机的力臂太短。相比后两种固定方式，舵机在相同的转角下，前轮 转角会小得多，这在比赛中是很不利的。因为舵机转角是需要时间的，这样就延缓 了前轮的转动效率。 （2）侧卧式固定 舵机转头朝下。固定在中间位置，用铝板固定牢固。第二章 机械系统设计- 7 -它的特
16、点：优点上基本上和站立式固定方式相同，不过它克服了站立式固定的重心过高的缺点。是一种比较理想的固定方式。 （3）站立式固定 这种固定方式是舵机竖立在车身前轮位置。用两等长的前轮拉杆住链接前轮。 它的优点：1）力臂长，前轮的反应速度是平躺式的三倍左右（由于力臂的长度会 有所不同，力臂越长，反应越快）。这里请注意一点，力臂过长可能导致力矩不足， 反而导致前轮转不到位。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。建议力臂在 3.5-4cm 之间。2）两拉杆轴是等长的，所以车的左右转是相同的。这里说明一点，两 拉杆轴是等长并不和上述“转向都是一边长一边短”相矛盾。因为我们的最终目地 是使车模在转向时，内侧前轮要比外侧的转角要大。当舵机转动力臂时，由于力臂 的尾
