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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：哈尔滨工程大学 队伍名称：极品飞车二号 参赛队员：王杰曾冬冬胡健军带队教师：张爱筠吕淑萍 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： 目录目录.II 摘要III 第一章 引言.1 1.1 设计思路及方案的
2、总体说明.1 1.2 章节安排.1 第二章 机械设计2 2.1 车体参数要求.2 2.2 车体参数调整.2 2.3 传感器支架和摄像头安装.3 2.4 其他机械结构的调整 4 第三章 硬件系统.5 3.1 智能车电源系统设计 5 3.2 红外对管电路 6 3.3 电机驱动电路 7 3.4 陀螺仪、加速度计电路. .73.5 其他模块电路. 8 第四章 智能汽车控制软件设计.9 4.1 智能车软件系统总体工作流程.9 4.2 赛道中线提取及优化处理10 4.3 智能车的转向控制14 4.4 智能车的速度测量15 4.5 PID 控制算法及其改进形式的应用 .15 第五章 开发调试过程及主要参数1
3、9 5.1 开发工具19 5.2 调试过程19 5.3 智能汽车外形参数20 第六章 总结21 参考文献.23 附录.25摘要本文对 2015 年哈尔滨工程大学极品飞车二号进行了详细的介绍，本车以 K60N512VMD100 为主控制器，通过两个 TSL1401 线性 CCD 采集赛道信息，光电 对管检测直角标志，通过陀螺仪和加速度计返回角度控制智能车直立，利用返 回信息进行寻迹。 在接近一年的准备过程中，我们对车的机械结构，硬件电路，软件程序进 行了深入学习研究，机械方面，参照汽车的行驶原理，从材料、结构上进行改 动对系统的硬件设计采用模块化的设计方法。主要包括：单片机主控模块、电 源模块、
4、角度传感器模块、速度检测模块、线性 CCD 模块、电机驱动模块，红 外对管模块。对系统软件设计则是应用 IAR 嵌入式系统开发软件，自行设计了 智能汽车自动识别路径的方案，编写出基于 K60 的路径识别程序、直立控制程 序和速度控制程序。0第一章 引言1.1 设计思路及方案的总体说明根据光电平衡组的要求，赛车总共包括七大模块：电源管理模块、K60 核心控 制模块、电机驱动模块、角度传感器模块、线性 CCD 模块、速度检测模块，红 外对管模块。图 1.1 赛车系统结构框图1.2 章节安排第一章引言： 详细介绍了本智能车系统的总体概况； 第二章智能车机械调校： 详细介绍了本智能车在机械结构上的调整
5、，包括车轮的调整，齿轮啮合调整， 整车支架设计等； 第三章智能车硬件系统： 详细介绍了本智能车各个硬件模块电路的设计、制作和方案的选择； 第四章智能车软件系统： 主要介绍了本智能车软件设计、算法设计，详细的介绍了平衡控制和速度控制；第五章开发调试过程及主要参数： 详细介绍了智能车软件仿真调试平台、智能车主要技术参数等； 第六章总结：1总结整个设计的过程和对未来设计的展望；第二章 机械设计2.1 车体参数要求1) 禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；如有必要可以对于车模中的零 部件进行适当删减。 2) 禁止采用其它型号的驱动电机，禁止改动驱动电机的传动比； 3) 禁止改造车模运动传动结构； 4
6、) 禁止改动驱动电机以及电池，车模前进动力必须来源于车模本身直流电机 及电池； 5) 禁止增加车模地面支撑装置。在车模静止、动态运行过程中，只允许车模 原有四个车轮对车模起到支撑作用。对于摄像头平衡组，车模直立行走，在比 赛过程中，只允许原有车模两个后轮对车模起到支撑作用。 6) 为了安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。2.2 车体参数调整由于本届比赛可以选择 D 车模和 E 车模，E 车模电机选用 RS-380 和 D 车模 电机 RN-260 比较，电机 RS-380 在相同电压下的电磁转矩更大，但是 E 车模的 整体做工不如 D 车细致，很多机械参数都需要调教。经过团队
7、讨论和仔细分析， 最后选用 E 车模作为比赛车模。2.2.1 齿轮啮合调整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。调整好后的齿轮传动噪音很小
8、，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，动力传递十分流畅。2图 2.1 齿轮部分调整2.2.2 车的重心调整因为车体的重心将决定车辆行驶的稳定性和转弯特性，特别是在车高速行 驶时，重心的位置与高低对智能车影响的很大的。经过反复试验，我们选择将 车辆的重心尽量靠近车轴，并且在保证能通过坡道和开始加速的情况下适当增 加配重片尽量压低，这样有利于增加车辆的转向性能！2.3 传感器支架和摄像头安装2.3.1 线性 CCD 传感器的安装选取传感器支架，我们选用质地轻的碳杆（外径 8mm，内径 6mm）。线性 CCD 选择了铝合金夹持装置，这样尽量的减轻摄像头传感器部分的重量，同时
9、让支架部分的重量尽量分布在车轴重心上。同时为了使得小车在行驶时不晃动， 根据三角形稳定性对线性 CCD 支架尽心加固。图 2.2 传感器支架32.3.2 角度传感器的安装 车模角度传感器包括陀螺仪和加速度计。我们单独绘制了印刷电路板来对 陀螺仪和加速度计进行固定，同时保证了角度传感器的稳定运行。图 2.3 角度传感器安装2.4 其他机械结构的调整另外，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直立两轮实现 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
10、态不稳。因此，我们在实 际调试过程中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。新的车胎比较光滑，摩擦力不 足，容易导致车在行驶的时候发生侧滑，所以对轮胎用砂纸进行适当打磨，选 择适当的粗细的砂纸打磨可以使得轮胎与 KT 板之间的摩擦力最大。4第三章 硬件系统3.1 智能车电源系统设计在本系统中，单片机供电电压为 3.3V，部分芯片工作电压为 5V，常用的方案是 3.3V 采用 AMS1117 作为稳
11、压芯片，5V 常用 LM2940 作为稳压芯片，并且有较为成熟的应用电路。图3.1 系统供电典型电路但由于 AMS1117芯片假货较多，芯片质量良萎不齐，LM2940芯片虽然可以提供较大的电流，但同时也会存在一定的纹波。由于在该系统中，5V 和3.3V的功耗都比较小，电流均小于500mA，但对电源的稳定性要求较高，需要电源芯片具有低压差，低发热量，电源输出稳定的要求。因此我决定选用 Ti 公司的 TPS7350，TPS7333分别作为5V，3.3V 的稳压芯片。Ti 公司的微功耗低压差线性电源芯片,具有完善的保护电路,包括过流,过压,电压反接保护。使用这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳
12、压电路。稳定的5V 电源对线性 CCD 工作的稳定至关重要。为了让线性 CCD 获得稳定的电源，我们设置了单独为线性 CCD 供电的稳压模块，提高了图像的质量，方5便了后续对图像进行处理。图3.2 系统供电电路3.2 红外对管电路为了保证对直角标志检测的稳定性，我们使用了红外对管置于车模车身下方检 测直角标志。经测试，该方案稳定性较高，对黑线的检测比使用线性 CCD 图像 判断标志可靠性更高。电路的 PCB 设计如下图。图3.3 红外对管电路63.3 电机驱动电路为了保证良好的驱动能力，选择 BTN7971组成 H 桥电路驱动电机。该驱动 电路瞬态响应快，电流上限大，保证了直立车模对快速性和稳
13、定性的要求。在 MCU 输出信号和驱动芯片输入信号之间使用74HC244作为隔离芯片，使车模在行 驶时电机中的大电流不会对单片机造成影响，提高了系统的稳定性。图 3.4 电机驱动电路3.4 陀螺仪、加速度计模块电路我们使用 MMA8451 加速度计和两个 ADxrs620 陀螺仪作为加速度计、陀螺仪模 块。其中加速度计和一个 ADxrs620 陀螺仪采集直立姿态，经互补滤波获得车 身直立角度，另一个 ADxrs620 陀螺仪采集转弯角速度，作为转向环的 D 输出， 抑制转向的抖动。具体电路见下图。7图 3.5 陀螺体、加速度计电路3.5 其他电路为了方便车模的调试，我们使用了 OLED 模块来
14、显示各种信息，五向开关设置 各种模式和调节参数，蜂鸣器对车模状态进行提示，各模块电路如下图。图 3.6 蜂鸣器电路 图 3.7 OLE 模块接口电路8图 3.8 五向开关电路9第四章 智能汽车控制软件设计4.1 智能车软件系统总体工作流程图 4.1 智能车软件系统总体工作流程104.2 赛道中线提取及优化处理4.2.1 赛道中线推算： 双线赛道跳沿的搜索：双线的赛道图像如图所示图 4.2 双线赛道双线的赛道图像特点是中间高两边低，对应的是赛道与底布。我们采用的 是中间往两边搜的方法找跳沿，当往两边找到前后几个差值比较大的区域时认 为此处有跳沿。 具体程序：L_edgeFlag0=0; yanL
15、L=midline-100; if(yanLLyanLL;j-)if(ADVjthreshold) /开始搜跳沿的点的值要大平均值if(ADVj-ADVj-17) if(ADVj-ADVj-220)if(ADVj-ADVj-330)if(ADVj-1ADVj-2) if(ADVj-860) if(ADVj+15threshold|ADVj+20threshold-30) 11Ledge0 = j; /跳沿位置 L_edgeFlag0=1; /找到跳沿的标志break;R_edgeFlag0=0; yanRR=midline+100;if( yanRR113) /划定右跳沿范围yanRR=113; if(ccsingleflagthreshold)if(ADVj-ADVj+17) if(ADVj-ADVj+220) if(ADVj-ADVj+330) if(ADVj+1ADVj+2) if(ADVj+850) if(ADVj-15threshold|ADVj-20threshold-30) Redge0 = j; R_edgeFlag0=1; break;单线中线的寻找：单线的赛道图像如图所示图 4.3 单线赛道12单线赛道的特点是单线处图像下凹，其它处的点值很高。 根据这个特点，我们可以采取在一定范围从左往右搜索下凹的方法找到单线。 找到单线后再左右补出双跳沿
