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1、I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：中国海洋大学队伍名称：666参赛队员：饶源 曲艺带队教师：张玲 黎明II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： III目录引 言 .1 第一章 方案设计 .2 1.1 系统总体方案的设计.2 1.2 小结
2、2 第二章 赛车机械系统设计与实现.3 2.1 重心高度调整 .3 2.2 智能汽车前轮定位的调整3 2.2.1 主销后倾角 4 2.2.2 主销内倾角 .4 2.2.3 前轮约束 4 2.3 智能汽车部分结构安装及改造.5 2.7 小结 .5 第三章 智能汽车硬件电路设计.7 3.1 主控板设计 .7 3.1.1 电源管理模块 7 3.1.2 电机驱动模块 .8 3.1.3 接口模块 .10 3.4 小结 .11 第四章 智能汽车控制软件设计.12 4.1 图像处理 .12 4.1.1 图像采集 12 4.1.2 黑线提取 12 4.2 弯道的处理 .13 4.3 对速度的闭环控制 14 4
3、.4 小结 .14 第五章 开发工具、制作、安装、调试过程.15 5.1 开发工具 15 5.2 调试过程 15 第六章 模型车主要参数.16 6.1 智能汽车外形参数 16 6.2 智能汽车技术参数 16 结 论 .17 参 考 文 献 .18 附录.19 电路原理图 .19 程序核心源代码 .22IV1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
4、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 MK60DN256ZVLL10 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、舵机 控制等，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。2第一章第一章 方案设计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
5、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 系统总体方案的设计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。摄像 头采集赛道信息返回到单片机作为转向控制的依据。输出四路 PWM 波控制两 个电机的转速，为了控制的准确性和快速性，我们使用双编码器作为速度传感 器。编码器返回的信号可以形成闭环，使用增量式 PID 控制电机的转速。输出 一路 PWM 控制舵机。1.2 小结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
6、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第二章第二章 赛车机械系统设计与实现赛车机械系统设计与实现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 重心高度调整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
7、由于离心力的作用会发生抬轮现象，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。一、车底盘高度调整：合理的底盘刚度和底盘高度调节会提高智能车的加 速性能。智能车的重心应该越低越好，降低地盘是实现重心下降的较为直接的 方式。应注意到底盘高度的调节是将智能车的其他性能提高以后间接的帮助加 速性能提高。但是由于赛道中坡道的限制，底盘的高度在低于 5mm 时将会冲 撞坡道，并不使地盘受到不必要的磨损和震荡，剧烈的冲击甚至会撞坏转向机 构。因此地盘距离地面高度不能低于 5mm。降低底盘的方式可以通过在前桥、 后桥处增加垫片来实现 二、车体构件高度调整：在智能车改装过
8、程中，我们一直把重心作为考虑 因素之一。使重量的分布尽量靠近底盘。此外更小体积的电路板可以恰好镶嵌 在底盘其他构件的空隙之中。 三、紧固螺丝：在智能车对于紧固程度要求不高的地方，如电路板固定螺 丝，传感器定位螺丝等，采用尼龙材质的螺丝；在车底盘等高度较低的地方采 用模型车原配螺丝；在安装外设的时候，尽量采用规格合适的螺丝钉。这样不 仅可以降低整车重量，而且可以使重心高度尽量降低。2.2 智能汽车前轮定位的调整智能汽车前轮定位的调整C 型模型车可以调整的前轮参数有主销后倾角、主销内倾角、车轮前束， 三个参数可以调整。42.2.1 主销后倾角主销后倾角主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线
9、之间的夹角。主销后 倾角的存在使车轮转向轴线与赛道的交点在轮胎接地点的前方，可利用赛道对 轮胎的阻力产生绕主销轴线的回正力矩，该力矩的方向正好与车轮偏转方向相 反，使模型车保持直线行驶。后倾角越大，模型车的直线行驶性越好，但过大 的回正力矩也会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在 1到 3。 B 型模型车的主销后倾角无法通过直接调整前桥结构实现改变，采用在前 桥处增加垫片，可以适当的增加主销内倾角，有利于保持直线行驶、转向后回 正。2.2.2 主销内倾角主销内倾角主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。9 图 2.3 主销内倾角的作用，是使车轮在受外力偏离直线行驶时，前轮会
10、在重力作 用下自动回正。另外，主销内倾角还可减少前轮传至转向机构上的冲击，并使 转向轻便；但内倾角越大，前轮自动回正的作用就越强，转向时越费力，轮胎 磨损也更大增大。主销内倾的调整应该保持在一个合适的范围， “一般来说 08 度范围内皆可”。在实际的调整中，只要将角度调整为 5 度左右就会对于过弯 性能有明显的改善。如果赛道比较滑，可以将这个角度再调节的大一些。在实 际制作中，这个角度调节为 8 度左右。 对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由 于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调 整为 03左右，不宜太大。 主销内倾和主销后倾都有使汽
11、车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不 同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速 时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。2.2.3 前轮约束前轮约束所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，前轮中心线与纵 向中心线的夹角为前束角。前轮前束的作用是保证模型车的行驶性能，减少轮 胎的磨损。前轮在滚动时，由于前轮外倾会向外偏斜，如果前束适当，轮胎滚 动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。 前束的调整总是依据主销内倾的调整。只有主销内倾确定后才能确定合适 的前轮前束与之配合。前轮前束的调整是方便的。主销内倾的调整由于要拧开5螺丝钉，固定件
12、又为塑料，所以频繁的调整容易引发滑丝现象。而前束不会， 所以调整前束是最安全、方便的。前束在摩擦大的时候有明显的效果。但是一 定不要太大，适当的放开一两圈就够了。 在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。主 销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大 小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束 02mm 可以减小转向 阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。调节合适的前轮前 束在转向时有利过弯，还能提高减速性。将前轮前束调节成明显的内八字，运 动阻力加大，提高减速性能。由于阻力比不调节前束时增大，所以直线加速会 变慢。 智能汽车
13、采用稳定速度策略或者采用在直道高速弯道慢速的策略时， 应该调节不同的前束。后一种策略可以适当加大前束。虽然模型车的主销后倾 角、主销内倾角、和前束等均可以调整，但是由于模型车加工和制造精度的问 题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。2.3 智能汽车部分结构安装及改造智能汽车部分结构安装及改造理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均 产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。在这种理想 的模型下，车体的转向半径可以计算得到。假设智能汽车系统为理想的转向模 型，且其重心位于其几何中心。车轮满足转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线 这三
14、条直线必然交于一点。转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。 合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆 行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合适的转向机构可以使车辆自行回到直 线行驶状态，具有好的回正性。正是由于这些原因，转向系统优化设计成为智 能汽车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺利地完成比赛。在 实际操作中，我们通过理论计算的方案进行优化，然后做出实际结构以验证理 论数据，并在实际调试过程中不断改进。2.7 小结小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
15、响 十分显著。我们非常重视对智能汽车的机械结构的改进， ；为了较好的调节四 轮质量分布，在搭建模型车的过程中，我们尽量对称安装各部件，每一个环节 都是建立在合理的四轮定位基础之上；为了使转向力臂最长，转向舵机采用传6统的立式安装方式。电池尽量安装在靠近底盘处，由于模型车的自身特点，模 型车底盘可利用空间很小，硬件组成员改进了电路板形状，使电路板和模型车 的底盘形成了较为完美的契合。7第三章第三章 智能汽车硬件电路设计智能汽车硬件电路设计3.1 主控板设计主控板设计3.1.1 电源管理模块电源管理模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
16、，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，单片机、摄 像头、蓝牙调试模块、红外模块使用 5V 供电，舵机使用 5V 到 6V 供电，编码 器使用 3.3V 供电。83.1.2 电机驱动模块电机驱动模块电机驱动模块我们采用了以 BTS
