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1、第十二届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 学 校：华南理工大学队伍名称：华工冰魄队参赛队员：郑立楷 黄理广杨少基 黄迪臻带队教师：陈安 邓晓燕目录关于技术报告和研究论文使用授权的说明2第一章 系统设计方案说明41.1 系统设计要求51.2 系统总体方案设计5第二章 智能车机械结构调整与优化62.1 智能车整体62.2 前轮定位62.3舵机安装72.4 传感器安装72.5 编码器的安装7第三章 电路设计说明83.1 主板硬件设计方案83.1.1 电源管理模块83.1.2 电机驱动模块93.1.3 数模转换模块103.1.4 单片机及其他电路部分设计103.2 智能车传感器模块设计113
2、.2.1 电感传感器的原理123.2.2 磁传感器信号处理电路12第四章 智能车软件控制模块154.1 控制系统整体154.1.1系统整体结构图154.1.2整体底层模块说明154.2.赛道偏移量计算与处理164.2.1电感值采集与处理164.2.2赛道识别164.3 电机与舵机控制164.3.1模糊控制算法简介164.3.2 基于模糊控制的速度与舵机控制164.3.3基于位置式pid的速度控制174.4 双车控制174.4.1 双车距离获取174.4.2双车距离控制184.4.3环形超车184.4.4十字超车18第五章 总结19参考文献20第一章 系统设计方案说明本章主要简要地介绍智能车系统
3、总体设计要求及方案，在后面的章节中将整个系统分为控制电路模块和控制算法两部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。 1.1 系统设计要求根据竞赛规则相关规定，智能车系统采用大赛组委会统一提供的 B型车模， 以飞思卡尔半导体公司生产的 32 位微控制器 K60 作为核心控制器，在 keil开发环境中进行软件开发。要求赛车能够识别赛道中心的电磁线信号，并根据该信号完成循迹。整个智能车控制系统要求尽可能稳定，快速，并具有较好的适应性。1.2 系统总体方案设计根据系统的设计要求，大体可将系统分为以下几个模块：K60 最小系统模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、舵机控制模块、辅助调试模
4、块。各模块的作用如下： 1、K60 最小系统模块，作为整个智能车系统的控制中枢，将采集电感传感器、编码器、超声波等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流 电机和伺服舵机完成对智能车的控制。 2、传感器模块，是智能车的获取赛道信息途径，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 K60 控制中枢做出决策提供必要的依据 和充足的反应时间。 3、电源模块，为整个智能车的硬件系统提供稳定合适的电源。 4、电机驱动模块，驱动直流电机按照控制中枢给出的控制信号进行加减速。5、速度检测模块，反馈智能车两路后轮的实时转速，用于电机转速的闭环 控制。 6、舵机控制模块，控制小车的左右转
5、向。 7、调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。 第二章 智能车机械结构调整与优化2.1 智能车整体2.2 前轮定位前轮的调整包括前轮主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束的调整。在调试过程中，我们发现前轮定位对小车的转向影响很大。主销后倾，是指将主销（即转向轴线）的上端略向后倾斜。从汽车的侧面看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即主销后倾角。主销后倾的作用是增加汽车直线行驶时的稳定性和在转向后使前轮自动回正。主销后倾角越大，方向稳定性越好，自动回正作用也越强，但转向越沉重。主销后倾角一般不超过3。B车模的主销后倾角不易调节，我们保持了车模原有的后倾角
6、。主销内倾，是指将主销（即转向轴线）的上端向内倾斜。从汽车的前面看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即主销内倾角。主销内倾的作用是使车轮转向后能及时自动回正和转向轻便。对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主内倾角的大小，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。 前轮外倾角，是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。如果车轮垂直地
7、面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在1左右。前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，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。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。2.3舵机安装参考往年的舵机安装方式我们发现舵机有立式安装和卧式安装两种，比较两种安装方式，我们可以发现力臂较短的连接方式优点是能够输出更大力矩，调节精度更
8、高，但是不足的是反应速度不够快，而对于长的连接方式优点是反应速度快，但是调节精度低，输出力矩不足，所以综合考虑SD-5舵机输出力矩较大，速度较慢的特性我们决定立式安装舵机，最大限度地增加舵机的灵敏度，舵机安装如下图所示：2.4 传感器安装以工字电感为采集信号的传感器，需安装于车模前上方，有一定的前瞻用以预测赛道信息，并使车模结果紧凑、稳定，减轻重量，最终选用直径5mm的碳棒为基本构架，再利用3D打印件固定于车模底板上，做到在车子运行时，传感器不会出现抖动的现象，以保证得出电感值的可靠性，为了采集更精确的赛道信号，同时考虑到程序控制方面的便捷性，我们设计用六个电感传感器采集赛道信号。三个横向电感
9、，两个斜向电感，一个中间竖直电感。而为了减轻车前重量使整车车身重心靠后，传感器的架设采用双杆结构。2.5 编码器的安装速度传感器一般可以选择对射式光栅或光电编码器。对射式光栅的重量轻，阻力小精度也高，然而光栅暴露在外界容易受到外界光线或粉尘等的影响，导致计数不准确；而光电编码器就不存在此类问题。所以最后我们选择了光电编码器，该编码器线数为512线，可以达到很高的精度，符合我们的要求。在安装编码器的时候要保证有合适的齿轮咬合。咬合完美的原则是：两个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；传动部分要轻松、顺畅，容易转动。判断齿轮传动是否调整好的一个依据是
10、，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，咬合过紧，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。第三章 电路设计说明3.1 主板硬件设计方案 可靠性是系统设计的第一要求，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路与模拟电路分开，将大电流的电机驱动部分与小电流的控制电路分开，使本系统工作的可靠性达到了设计要求。 3.1.1 电源管理模块 本车模上存在 4 种供电电压： （1）智能车使用镍镉充电电池，充满时电压
11、在 7.88.2V。直接用于驱动电机以获得足够的驱动能力。在电池输入的两端做好滤波处理，并联大容量极性电容和小电容滤除电源电压的低频及高频噪声，防止出现在电机加减速过程中，由于电机电流过大而使电池电压突变的情况出现。模拟电路模块，数字电路模块，和舵机，MOS驱动模块分别通过0欧电阻单点接地，以隔离各个模块的信号。 （2）逻辑电路和编码器的供电使用直流 5V，5V 电源选用线性稳压芯片 LM2940。（3）使用3.3V为单片机供电，采用线性稳压芯片AMS1117-3.3。 输入端接LM2940输出端。 （4）使用6.5V为舵机供电，采用线性稳压芯片LM2941。 该部分电路如图所示。 3.1.2
12、 电机驱动模块 电机驱动电路由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器组成，其功率元件由 8 支 N 沟道功率 MOSFET 管组成，额定工作电流可以轻易达到 100A 以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成：PWM 信号输入接口、升压电路、上桥臂功率 MOSFET 管栅极驱动电压泵升电路、功率 MOSFET 管栅极驱动电路。 该部分原理图如图所示。 3.1.3 数模转换模块 由于 K60 的内部 AD 比较精确，所以使用了单片机内部 AD，简化了电路 设计，考虑到我们所使用的传感器数量，引出8路 AD(留两路备用)。其接线方法如图所示。 3.1.4 单片机及其
13、他电路部分设计 核心控制单元：K60（主频 150MHz，FlashRom512KB，具备 SPI，SCI，IIC，FTM 等常用接口） 测速模块：在电机前方架编码器，当电机转动时带动编码器转动，由此获 取速度信息。用编码器测速较光栅片测速精度更高。测速模块供给主板的信号 要经过整波，使用上拉电阻提高其峰值电压。 该部分电路原理图： 。 人机交互：增加五向开关，拨档开关用于输入参数，策略调整，加入液晶 屏显示小车状态便于调试。蜂鸣器，led指示灯用于提示小车运行状态，蓝牙模块用于实时回传小车运行过程中的各种状态。该部分整体电路如图所示。 3.2 智能车传感器模块设计 根据竞赛组委会的相关规定，
14、电磁组的智能车是基于 100mA 的交变电流产生的电磁场上， 由于赛道是通有 20KHz 交变电流的导线，因此需要通过检测导线周围所产生的电磁场确定道路与小车的相对位置。 3.2.1 电感传感器的原理 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。 3.2.2 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。 （1）信号的滤波 比赛选择 20kHz 的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得 20kHz 的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。使用 LC 并联谐振电路来实现选 频电路（带通电路），如图所示。 其中，E是感应线圈中的感应电动势，L是感应线圈的电感值，R0 是电感的 内阻，C 是并联谐振电容。电路谐振频率为：
