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1、第第十十届届“飞飞思思卡卡尔尔”杯杯全全国国大大学学生生智智能能汽汽车车竞竞赛赛技术报告技术报告学校：齐鲁工业大学队伍名称：C116-12356 参赛队员：高传志 董雯 石永帅 郭真真带队教师：孙宝江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： 第十届全国大学生智能汽车邀请赛
2、技术报告II目录第1章 绪论 1.1 齐鲁工业大学C116-12356队 1.2 系统总体设计方案. 1.3系统总体方案设计图 第2章 磁导航小车控制原理 2.1 磁场基本理论. 2.2 磁传感器信号处理电路. 2.3 磁传感器的布局. 第3章 机械结构设计及优化 3.1 转向舵机的安装. 3.2 车前轮的调校. 3.3 车底盘的调整.3.4 传感器的安装. 3.5 测速模块的安装. 3.6 电机的安装与差速的调节 3.7 起跑线检测传感器安装. 3.8 液晶显示模块 3.9 驱动模块3.10 轮胎的选用3.11 小车的保养 第4章 PID算法简介以及调试方法. 4.1 PID算法简介 4.2
3、 经验调试PID参数的方法第5章 软件设计部分摘要 5.1 软件设计框图 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告III5.2 各模块初始化相关程序. 5.3 部分模块运行程序.第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告1第一章 绪论1.1 齐鲁工业大学C116-12356队智能车竞赛是一项涵盖控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的长期的推动作用。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，也感谢齐鲁工业大学对此次比赛的关注，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
4、一起协作的队员们，协助，互促，共勉使我们能够走到今天。本课题是设计并实现一种基于飞思卡尔 MC9S12G128 单片机的磁导航智能车。本课题中，采用一款四轮的带有差速器的后轮驱动模型赛车作为智能小车基本载体，系统采用了可靠性高的16位单片机 MC9S12G128 作为控制核心。使用安放在车头的电感传感器检测道路状况，作为小车导航的依据。设计目标是智能小车能在弯曲的道路上自主循迹运行,不偏离道路，速度越快越好。课题中采用 10mH 电感对赛道内磁场进行测量,并通过控制策略使小车平稳快速的跑完赛道全程。论文介绍了总体方案设计，电磁小车寻径原理，各个模块的硬件组成和软件设计。硬件方面主要介绍了电感传
5、感器的原理及选型以及飞思卡尔 MC9S12G128 单片机的最小系统。软件方面主要介绍了智能小车舵机和电机驱动的初始化，电机运行的 PID 控制，检测电路信号的处理和控制主程序。1.2 系统总体设计方案智能车系统采用飞思卡尔的 16 位微控制器 MC9S12G128 单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。在选定智能车系统采用电感传感器方案后，智能车的位置信号由车体前方的电感传感器采集，经MC9S12G128单片机的I/O 口输入后，用于智能车的运动控制决策，同时，内部PWM模块发出PWM波，控制舵机转弯，同时驱动直流电机对智能车进行加速和减速控制，最终使智能车在第十届全国大学生智能汽车邀
6、请赛技术报告2赛道上能够自主行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对智能车的速度进行精确的控制，在智能车电机传动轴上安装编码器，采集电机转速的脉冲信号，经ECT捕获后进行PID自动控制，完成智能车速度的闭环控制。图1.2小车整体布局1.3 系统总体方案设计图根据以上系统方案设计图，赛车共包括七个模块：MC9S12G128主控模块、MC9S12G128电机编码器舵机电磁检测起跑线检测液晶显示第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告3电磁检测模块、电机模块、编码器模块、舵机模块、起跑线检测模块、液晶显示模块。各模块的作用如下：MC9S12G128主控模块：作为整个智能车的“大脑” ，将采集电感
7、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速度和方向控制。图1.3.1单片机MC9S12G128图电磁检测模块：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。电机模块：通过驱动直流电机完成智能车的加减速控制。舵机模块：通过舵机完成智能车的方向控制编码器模块：检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。起跑线检测模块：通过干簧管的吸和检测开始和结束，是小车跑的顺利。液晶显示模块：采用诺基亚5110作为显示器，能清楚的知
8、道赛道的电感信第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4息。第二章 磁导航小车控制原理2.1 磁场基本理论根据电磁学，我们知道在导线中通入变化的电流（如按正弦规律变化的电 流） ，则导线周围会产生变化的磁场，且磁场与电流的变化规律具有一致性。如果在此磁场中置一由线圈组成的电感，则该电感上会产 生感应电动势，且该感应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。由于在导 线周围不同位置，磁感应强度的大小和方向不同，所以不同位置上的电感产生的感应电动势 也应该是不同。据此，则可以确定电感的大致位置。首先，由毕奥-萨伐尔定律知：通有稳恒电流 I 长度为 L 的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为
9、r 处 P 点的磁感应强度如公式 2-1：B= （公式2-1）drsin4210直道附近的磁场分布，可以近似为无限长的直导线上的磁场分布，容易算得距离长直导 线距离为 r 的点的磁感应强度如公式 2-2：B= （公式2-2）r 202.2 磁传感器信号处理电路确定使用电感作为检测导线的传感器，但是其感应信号较微弱，且混有杂 波，所以要进行信号处理。要进行以下三个步骤才能得到较为理想的信号：信号的滤波，信号的放大，信号的检波。我们组采用的是6.8nf的聚苯电容进行滤波，INA129进行信号的放大，具体电路图如下图所示。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告5图2.2 电磁检测图2.3 磁传感器的
10、布局对于直导线，当装有小车的中轴线对称的两个线圈的小车沿其直线行驶， 即两个线圈的位置关于导线对称时，则两个线圈中感应出来的电动势大小应相 同、且方向亦相同。若小车偏离直导线，即两个线圈关于导线不对称时，则通 过两个线圈的磁通量是不一样的。这时，距离导线较近的线圈中感应出的电动 势应大于距离导线较远的那个线圈中的。根据这两个不对称的信号的差值，即 可调整小车的方向，引导其沿直线行驶。对于弧形导线，即路径的转弯处，由于弧线两侧的磁力线密度不同，则当载有线圈的小车行驶至此处时，两边的线圈感应出的电动势是不同的。具体的 就是，弧线内侧线圈的感应电动势大于弧线外侧线圈的，据此信号可以引导小 车拐弯。另
11、外，当小车驶离导线偏远致使两个线圈处于导线的一侧时，两个线圈中 感应电动势也是不平衡的。距离导线较近的线圈中感应出的电动势大于距离导 线较远的线圈。由此，可以引导小车重新回到导线上。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6由于磁感线的闭合性和方向性，通过两线圈的磁通量的变化方向具有一致性，即产生的感应电动势方向相同，所以由以上分析，比较两个线圈中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大 致循线行驶。根据以上特点，我们组决定采用5个垂直放置的电感按“一”字排布，每个电感相距约为 5cm，这样覆盖赛道范围约为25cm。五个“一”字排布的电感可以大大提高检测密度和广
12、度。 图2.3 电感排布图第三章 机械结构设计及优化3.1转向舵机的安装舵机安装的位置影响舵机的转向性能，智能车对舵机的安装要求是很高的，这也就对智 能车舵机安装的机械结构提出了较高的要求，其要求舵机安装在智能车上必须完全固定，绝 对不允许它与智能车之间有相对移动。只有这样，才能保证舵机转向的灵活性。舵机臂的长度也是影响舵机转向性能的关键，加长舵机臂对提高舵机的响应速度确实有 一定的效果，加长舵机臂能提高舵机的响应速度，舵机只需要转较小角度就可以实现较大角 度的转弯，但是车身转动的惯性限制了车的转向。舵机臂加长会降低舵机定位的精度、提高 重心、造成舵机损坏等。舵机加长臂的长度并不是跟舵机转向的
13、灵活性成正比的，加长臂太 长反而会影响第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告7其转向性能，因为加长臂太长定会导致力矩加大，导致转向不灵活。综合考虑，最终选择适当加长舵机臂，不仅能提高智能车转弯的灵活度，而且也不会对舵机定位的精度 有太大影响。舵机安装的位置也至关重要，由于 B 型车模舵机安装在了车体的中部，不利于舵机臂的 加长和电路板的安放，所以我们对舵机的安放位置也做了改动，将舵机安装在车的两个前轮 中间位置，并通过简单的连杆直接将舵机加长臂与车前轮连接。舵机安装在了智能车的中间，连接两轮的连杆长度相同，这就使得车体左右完全对称，智能车左右转弯性能相同，提高了 智能车适应不同赛道的能力。图3
14、.1舵机模块图3.2 车前轮的调校3.2.1 前轮调整术语介绍要保持车辆直线行驶的稳定性，使小车直道稳定、弯道转向轻便，必须确第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告8定 车轮定位参数，包括主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束。主销后倾角：主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩，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， 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 13。图3.2.1.1主销后倾图主销内倾角：在小车前后方向上，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，
15、则车轮连同整个小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。 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告9图3.2.1.2主销内倾角图前轮外倾角：在汽车的横向平面内，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，使小车转向轻便；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。图 3.2.1.3 前轮外倾角图前轮前束：俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完
16、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。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告10图 3.2.1.4 前轮前束图3.2.2 前轮调整前轮调整直接关系到小车运行。调整得好的可以使小车直线行驶平稳，弯道转向轻便灵活、稳定。前轮调整主要涉及到主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束4个方面。实验中，我们得出调整方案。1、调整主销后倾角为 13，可通过增减黄色垫片数量来改变。调整中注意过大的主销后倾角会使转向承重，舵机反应迟滞。我们进行微调，使主销后倾角呈现1且=2。2、调整主销内倾角可以通过装入 4倾角的臂座来调节。由于过大的倾
