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1、第十届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告学 校：华北理工大学队伍名称：华北理工大学光电1 队参赛队员：裴春祥、刘祉正、赵新鹏带队教师：罗振中、刘振东第十届全国大学生智能汽车技术报告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九届“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： 目目 录录引 言1第一章 方案设计
2、21.1 系统总体方案的选定.21.2 系统总体方案的设计.21.3 小结3第二章 智能汽车机械结构调整与优化42.1 智能汽车车体机械建模.42.2 智能汽车传感器的安装52.2.1 速度传感器的安装 62.2.2 线形CCD 的安装.72.2.3 车模倾角传感器.72.3 重心高度调整82.3.1 电路板的安装92.3.2 电池安放112.4 其他机械结构的调整122.5 小结.13第三章 智能汽车硬件电路设计.143.1 主控板设计143.1.1 电源管理模块.153.1.2 电机驱动模块173.1.3 接口模块193.2 智能汽车传感器19第十届全国大学生智能汽车技术报告3.2.1 线
3、性CCD 传感器.193.2.2 陀螺仪.203.2.3 加速度传感器203.2.3 编码器.203.3 键盘，数码管.213.4 液晶屏213.5 小结.21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 224.1.1 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224.2 弯道的处理224.2.1 弯道策略分析.234.3 对速度的闭环控制234.4 障碍的处理234.5 小结23第五章 开发工具、制作、安装、调试过程 245.1 开发工具.245.2 调试过程.24第六章 模型车主要参数.256.1 智能汽车外形参数256.2
4、 智能汽车技术参数25结 论26参 考 文 献27引引 言言全国大学生“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，制作完成一个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不小于45cm 的白色面板，赛道两侧边沿有宽为25mm 的连续黑线作为引导线。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道。在本次比赛中，本组使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔32 位微控制器
5、MCF52255 作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制系统。在制作小车的过程中，我们对小车的整体构架进行了深入的研究，分别在机械结构、硬件和软件上都进行过改进，硬件上主要是考虑并实践各种传感器的布局，改进驱动电路，软件上先后进行了几次大改，小车的寻线方式采用适应性较强的优化的位置加权的方法。控制算法上，从 PID 到 Bang-Bang,再到模糊PID 都进行了一些研究。在这份报告中，我们主要通过对整体方案、机械、硬件、算法等方面的介绍，详细阐述我队在此次智能汽车
6、竞赛中的思想和创新。具体表现在电路的创新设计、算法以及辅助调试模块等方面的创新。我队成员涉及自动化、机械、计算机等专业，在准备比第十届全国大学生智能汽车技术报告第 1 页赛的过程中，队员查阅了大量的专业资料，反复地调试汽车模型的各项参 数。所有队员都为第 0 页此次智能汽车竞赛付出了艰苦的劳动。这份报告凝聚着华北理工大学光电组全体队员的心血和智慧。第第一一章章 方方案案设设计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 系系统统总总体体方方案案的的选选定定本届智能汽车大赛光
7、电组比赛对传感器有着严格的规定，统一使用线性 CCD 或分立光电管传感器获得 一维连续或者离散点赛道信息。 分立光电管的特性远不及线性CCD,前瞻太小，不适合平衡组的汽车来循迹。相比之下，CCD 与传统的光电传感器相比有着信息量大，质量轻，电路简单的特点，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，我们确定以陀螺仪作为角度传感器， 加速度计作为角速度传感器。1.2 系系统统总总体体方方案案的的设设计计遵照本届竞赛规则规定
8、，智能汽车系统采用飞思卡尔的32 位微控制器MCF52255 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依据。陀螺仪返回的模拟信号作为车身当前角度的信号， 加速度计采集车身转动的角速度。 MCU 输出 PWM 波控制电机的转速以保持车身的平衡和 赛道路径的前进 。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。编码器返回的信号第十届全国大学生智能汽车技术报告第 1 页可以形成闭环，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，这并不利于车身保持平衡。
9、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：MCF52255 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：MCF52255 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 MCU 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
10、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 小小结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。第第二二章章 智智能能汽汽车车机机械械结结构构调调整整与与优优化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
11、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的机械结构和调整方案。2.1 智智能能汽汽车车车车体体机机械械建建模模此次竞赛选用的是 北京科宇通博科技有限公司生产的智能车竞赛专用模型车(E型模型车)，配套的电机型号为 RS-380。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2.2 智智能能汽汽车车传传感感器器的的安安装装车模中的传感器包括有：速度传感器 （编码器），车模姿态传感器（陀螺仪、加速度计）以及线
12、形CCD。下面分别介绍这些传感器的安装。第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2.2.1 速速度度传传感感器器的的安安装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。固定件的尺寸如图 2.2所示。图2.2 主销后倾图在安装完后轮后，在利用十字扳手套筒将后轮装上。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
13、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，说明齿轮间第二章 智能汽车机械结构调整与优化第 5 页的配合间隙过大，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，动力传递十分流畅。如图 2.3所示。图2.3 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 用蓝宙公司的
14、支架安装CCD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，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。第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图2.4 CCD的安装 2.2.3 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， 这里我们使用蓝宙出售的成品电路板，固定在车身上 ，从而保证检测数据的可靠性。2.3 重重心心高高度度调调整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，智能车的稳定性下降，转弯会抬轮， 甚至翻车。因此，从小车稳定性出发，我们尽
15、量降低重心高度，从而保证小车 平稳可靠的运行 。第二章 智能汽车机械结构调整与优化第 7 页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，我们制作了两片铝条，然后固定在电机前方，进而用于固定电池，最大程度的降低了小车的重心。2.4 其其他他机机械械结结构构的的调调整整另外，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，
16、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 精度，尤其是CCD，他是整辆智能车的眼睛， 在车模机械设计的时候，我们增添了防撞保护装置， 使用一块海绵固定在 CCD上方，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 小小结结模型车的性能与机械结构有着非常密切的联系。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。第第三三章章 智智能能汽汽车车硬硬件件电电路路设设计计3.1 主主控控板板设设计计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
