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1、第十届全国大学生“飞思卡尔”杯华北赛智能汽车竞赛技技 术术 报报 告告学 校：北京工业大学队伍名称：纽伊斯特参赛队员：耿庆贺张翼郭震带队教师：徐喆第二章 智能汽车机械结构调整与优化2贾惠忠1目 录目 录.1第一章 方案设计11.1 系统总体方案的选定.11.2 系统总体方案的设计.11.3 小结1第二章 智能汽车机械结构调整与优化22.1 智能汽车车体机械建模.22.2 智能汽车传感器的安装32.2.1 速度传感器的安装32.2.2 线形CCD 的安装42.2.3 车模倾角传感器.52.3 重心高度调整52.3.1 电路板的安装52.3.2 电池安放.52.4 其他机械结构的调整52.5 小结
2、6第三章 智能汽车硬件电路设计.73.1 主控板设计73.1.1 电源管理模块.73.1.2 电机驱动模块83.1.3 接口模块.1423.2 智能汽车传感器153.2.1 线性CCD 传感器153.2.2 陀螺仪.153.2.3 加速度传感器163.2.3 编码器.173.3 键盘，数码管.183.4 液晶屏203.5 小结20第四章 智能汽车控制软件设计.214.1 线性CCD 传感器路径精确识别技术214.1.1 新型传感器路径识别状态分析224.1.2 线性CCD 传感器路径识别算法234.2 弯道的处理244.2.1 弯道策略分析.244.3 对速度的闭环控制.244.4 障碍的处理
3、264.5 小结.26第五章 开发工具、制作、安装、调试过程 275.1 开发工具.275.2 调试过程.27第六章 模型车主要参数.296.1 智能汽车外形参数.2936.2 智能汽车技术参数.29结 论30参 考 文 献321第一章 方案设计本章主要介绍智能汽车系统总体方案的选定和总体设计思路，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汽车控制系统进行深入的介绍 和分析。1.1系统总体方案的选定本届智能汽车大赛光电组比赛对传感器有着严格的规定，用到了线性ccd,但是由于需要镜头成像，所以会带来成像失真，静电干扰严重等问题。由于平衡车的特殊性，车身在循迹前进的过程
4、中，必须保持车身的平衡。根据最基本保持车身平衡的基本原理，我们需要知道车身当前的角度和角速度。因此在保持车身平衡方面，我们确定以加速度计作为角度传感器，陀螺仪作为角速度传感器。另外，车身转向控制方面， 我们组没有 使用陀螺仪作为转向反馈。这样会让车转弯不连续和平滑，最重要的是限制了车模的速度，不用转向陀螺仪车模的极限速度大概率在一米三左右。有了转向的陀螺仪可以 2 米以上。1.2系统总体方案的设计遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞思卡尔的32 位微控制器MK60DN256ZVLL10 单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。线性 CCD 采集赛道明暗信息，返回到单片机作为转向控制的
5、依据。加速度计&陀螺仪返回的模拟信号作为车身当前角度的信号。主控输出PWM 波控制电机的转速以保持车身的平衡和锁定赛道。同四轮车不同，平衡组需要使用左右轮的差速来转弯。为了控制的准确性和快速性，我们使用编码器作为速度传感器。编码器返回的信号可以形成闭环，使用PID 控制电机的转速。平衡组强烈的加减速会导致车身的倾角剧烈的变化，这并不利于车身保2持平衡。因此整个调试过程就是要保证车身稳定的前提下不断提高车模前进的平均速度。根据以上系统方案设计，赛车共包括六大模块： MK60DN256ZVLL10主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下：MK60D
6、N256ZVLL10 主控模块，作为整个智能汽车的 “大脑”，将采集 CCD 传感器、陀螺仪，加速度计和光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动两个直流电机完成对智能汽车的控制；传感器模块，是智能汽车的 “眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能汽车的 “大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间，同时使用陀螺仪和加速度计计算车模行进过程中的实时角速度和加速度信息，用以保持车模稳定行进；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汽车的加减速控制和转向控制；速度检测模块，检测反馈智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控
7、制；辅助调试模块，主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。1.3 小结本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计和总体结构，简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统的各个模块进行详细介绍。3第二章 智能汽车机械结构调整与优化智能汽车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识，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优化和提高结构的稳定性。本章将主要介绍智能汽模型车型车的机械结构和调整方案。2.1智能汽车车体机械
8、建模此次竞赛选用的智能车竞赛专用模型车 (D型模型车)，配套的电机型号为RN260-CN-2875。智能车的控制采用的是 双后轮驱动方案。智能车的外形大致如下：图 2.1 智能汽车外形图第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告42.2 智能汽车传感器的安装车模中的传感器包括有：速度传感器，车模姿态传感器（陀螺仪、加速度计）以及线形CCD。下面分别介绍这些传感器的安装。2.2.1 速度传感器的安装速度编码器我们采用了编码器，安装方法如下：用十字扳手套筒将车的后轮拆卸后，安装编码器，固定编码器的固定件是根据车得尺寸及与编码器的相对位置手工制作的连接固定件。在安装完后轮后，在利用十字扳手套筒将后轮装上
9、。安装时应注意调整好齿轮间隙。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最终成绩。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行 , 齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了
10、，动力传递十分流畅。如图所示。第二章 智能汽车机械结构调整与优化5编码器安装完毕2.2.2 线线形形CCD 的的安安装装为了降低整车重心，需要严格控制 CCD镜头的安装位置和重量，我们自行设计了轻巧的铝合金夹持组件并采用了碳纤维管作为安装 CCD的主桅，这样可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度，使 CCD镜头便于拆卸和维修，具有赛场快速保障能力。 CCD镜头的安装如图2.4所示。图2.4 CCD的安装 第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告62.2.3 车车模模倾倾角角传传感感器器车模倾角传感器包括陀螺仪和加速度计。它们都是表贴元器件，单独固定在 一块小电路板上，然后与车
11、身相固定，从而保证检测数据的可靠性。2.3重心高度调整重心的高度是影响智能车稳定性的因素之一。当重心高度偏高时，智能车在转弯过程中会发生抬轮现象，严重时甚至翻车。因此，从小车稳定性出发，我们尽量降低重心高度，从而保证小车可靠稳定。2.3.1 电电路路板板的的安安装装为了使小车具有较好的稳定性及转向性能，我们在搭建小车时尽量选择降低重心，因此也将电路板安装在了电机上方，从而实现降低重心，提高小车的稳定性。2.3.2 电电池池安安放放同样为实现降低重心，提高小车稳定性的目的， 学长3D打印了符合参赛规则的电池支架，然后固定在电机下方，进而用于固定电池，最大程度的降低了小车的重心。2.4 其他机械结
12、构的调整另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、传感器的保护等方面。由于直立小车的直立行驶及转向都是通过后轮实现的，因此当小车在转向时，模型车的轮胎与轮毂之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力，而且使小车的状态不稳。因此，我们在实际调试过程中第二章 智能汽车机械结构调整与优化7对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮毂错位而引起的驱动力损失的情况。为了保护模型车传感器支架，在车模机械设计的时候，我们增添了防撞保护装置，使一旦车模倾倒或者失控，防撞保护装置可保护车模机械的安全性，保证小车状态的稳定性。2.5 小结模型车的性能与机械结构有着非常密切
13、的联系。良好的机械结构是模型车提高速度的关键基础。在同等的控制环境下，机械机构的好坏对其速度的影响十分显著。我们非常重视对智能汽车的机械结构的改进，经过大量的理论研究和实践，我们小车的大部分质量都集中在两轮前后，达到降低重心的目的，从而提高了小车整体的稳定性和可靠性。8第三章 智能汽车硬件电路设计3.1主控板设计3.1.1 电电源源管管理理模模块块首先了解一下不同电源的特点，电源分为开关电源和线性电源，线性电源的电压反馈电路是工作在线性状态，开关电源是指用于电压调整的管子工作在饱和和截至区即开关状态的。线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整
14、管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压，但开关电源是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的。 从其主要特点上看：线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音，开关电源效率高、损耗小、可以降压也可以升压，但是交流纹波稍大些 。电源模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应选好合适的电源模块。竞赛规则规定，比赛使用智能汽车竞赛统一配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd 供电，而单片机系统、路径识别的 CCD 传感器、陀螺仪和加速度传感器
15、均使用的是3.3V 的电源。编码器需要 5V 电源，伺服电机工作电压范围为 4V 到6V（为提高伺服电机响应速度，采用7.2V 供电），直流电机可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄电池直接供电，智能汽车电压调节电路示例见图3.1。第三章 智能汽车硬件电路设计9图 3.1 电源管理模块原理图电源的纹波将影响传感器的性能。减小电源的纹波的大小可以保证传感器的可靠性。第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告103.1.2 电电机机驱驱动动模模块块我们自己用软件划了驱动的图，并根据此焊接了4 路 PWM 驱动，利用BTS7960 可以大大提高电的驱动能力。3.1.3 接接口口模模块块1CCD
16、 接口。CCD 的外围器件很少，输出信号经过滤波等处理后就可以直接连接到K60 的 AD 端口上。接口极其简单，电路如下所示。第三章 智能汽车硬件电路设计11图 3.7 CCD 接口2陀螺仪接口陀螺仪在保持车身的平衡方面极其重要，为了方便更换，我们并未将陀螺仪直接画在主板上。由于使用的是单片机本身的AD，所以陀螺仪的接口很简单。电路如下所示。图 3.8 陀螺仪接口3.2智能汽车传感器由于今年比赛规则对光电平衡组的传感器有明确的规定，所以我们在传感器的选择上没有花费时间。对于的传感器的优化，我们也主要是传感器对环境的适应性方面。第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告123.2.1 线线性性CCD 传传感感器器线性CCD 内部包含128 个光电二极管，相关的放大电路。其基本单元如图图 3.9 CCD 内部感光单元光照射到光电二极管上，产生光电流，光电流被积分电路积分。在采样期间，积分电容的一端被连接到输出端，积分后的输出电压与该点的光强和积分时间成正比。因此为了适应场地，CCD 的积分时间应该是可变的。3.2.2 陀陀螺螺仪仪大赛规定了陀螺仪和加速度计的选用范围。经过挑
