追風三隊2019競賽技術報告

1、第十四屆“恩智浦”杯全國大學生智能汽車競賽技 術 報 告學校：長春理工大學隊伍名稱：追風三隊 2019參賽隊員：陳聰 高作相 沈智利帶隊教師：唐雁峰 姚廣宇 關于技術報告和研究論文使用授權的說明本人完全了解第 14 屆“恩智浦”杯全國大學生智能汽車競賽關保留、使用技術報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和恩智浦半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論中。參賽隊員簽名：帶隊教師簽名：日期：目錄引 言第一章 方案設計1.1 主要思路 21.2 技術方案概要說明1221.3 小結(jié)2第

2、二章 機械結(jié)構的調(diào)整與優(yōu)化2.1 總體框架 32.2 傳感器的設計安裝2.2.1 傳感器的種類及個數(shù)42.2.2 電感安裝52.2.3 超聲波的安裝52.2.4 編碼器的安裝52.3 電路板的固定及連接第三章 硬件電路方案設計34663.1 電源63.1.1 主控、外設、驅(qū)動的供電63.2 主控73.3 電磁信號采集3.4 信號隔離 9第四章 特殊賽道識別及處理4.1 環(huán)島的識別及處理4.2 橫斷識別及其處理4.3 坡道識別及處理104.4 直角丟線的識別及處理10第五章 控制策略研究5.1 PID 控制 125.1.1 PID 算法簡介125.1.2 PID 參數(shù)整定1389910125.2

3、 車模速度控制5.3 車模方向控制第六章 開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過程6.1 開發(fā)工具 15第七章 車模主要參數(shù)7.1 智能汽車外形參數(shù)7.2 智能汽車技術參數(shù)結(jié)論參考文獻附錄151515171717181819引言“恩智浦”杯全國大學生杯智能汽車競賽是以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為宗旨，促進高等學校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學生綜合知識運用能力和創(chuàng)新意識的一項競賽活動。因而該競賽是涵蓋了智能控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學科的比賽，對學生的知識融合和實踐能力的提高，具有良好的推動作用。競速賽是在規(guī)定的模型汽車平臺上，使用飛思卡爾半導體公司的 8 位、 1

4、6 位、32 位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、電機驅(qū)動電路以及編寫相應軟件，制作一部能夠自主識別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進，以完成時間最短者為優(yōu)勝。本文采用第十四屆“恩智浦”杯全國大學生智能車競賽的汽車模型作為研究平臺，以 32 位單片機 K60DN512 作為主控制單元，運用 MDK 軟件作為開發(fā)工具進行智能控制策略研究。理論設計、實際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場比賽等都是本次競賽的重要環(huán)節(jié)。本屆車模后置雙電機，因此需要對兩個電機分別進行速度檢測，方向 PID 控制。在電源模塊設計中，采用 B0512S 作為穩(wěn)壓 12V 輸出，為驅(qū)動模塊供電；采用 TPS7350 作為穩(wěn)壓 5

5、V 輸出，為串口通信模塊供電；采用 TPS7333 作為穩(wěn)壓 3.3V 輸出,為運放芯片，陀螺儀，單片機、編碼器供電。單片機軟件算法部分為本文論述的重點，主要體現(xiàn)了智能車的智能控制策略，運用 PID 控制理論完成對車模平衡、速度、方向的控制；繼續(xù)沿用以往的循跡算法，對新型賽道的識別及處理為我隊創(chuàng)新之處。本篇技術報告將從智能車機械結(jié)構、硬件電路、控制算法等方面詳細介紹整個準備過程。第一章 方案設計1.1 主要思路（1）控制車模速度：通過編碼器實時反饋當前的速度，通過水平電感的偏差制作求取模糊速度，設為期望速度。（2）控制車模方向：通過計算左右電感的偏差來計算 PID，輸出量分別給到舵機和電機上，

6、以達到控制方向的目的。1.2 技術方案概要說明（1）硬件方面：根據(jù)控制車模行進必要和方便調(diào)試及數(shù)據(jù)分析的需要設計合適的 PCB， 我們將電機驅(qū)動模塊與控制模塊分開， 控制模塊為6cm*10cm 的 PCB 板，驅(qū)動模塊為 3cm*10cm 的 PCB 板，并且進行了高要求的布線，做好了模擬地與數(shù)字地的隔離，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在采集板上的體現(xiàn)尤為突出；（2）軟件方面：在硬件達到最優(yōu)狀態(tài)（硬件絕對是車穩(wěn)和快關鍵）下，靠傳感器獲取各個控制環(huán)節(jié)的實際數(shù)據(jù)，與期望作差，得到偏差，再應用PID 經(jīng)典控制理論進行調(diào)節(jié)。在經(jīng)典 PID 不適用的情況下，可以根據(jù)實際情況添加模糊 PID, MATLAB 擬合曲

7、線補償參數(shù)等方案。1.3 小結(jié)本章簡要介紹了我們隊對于智能車系統(tǒng)運行的主要思路，并概述了我們隊對于技術方案的總體說明。總而言之，做車只有思路清晰，知道方向并為之不斷奮斗方能成功。第二章 機械結(jié)構2.1 總體框架今年的越野組別是新組別，車?？梢匀我膺x擇，由于兩厘米的硬質(zhì)路坎，所以。在車模的選擇上下了很大的功夫。我們最先淘汰的便是 K車模允許改裝型車模，體型大并且轉(zhuǎn)彎很差，根據(jù)官方的推薦我們購買了 L 型車模。看過幾大賽區(qū)省賽后，由于賽道的難度，我們不得不考慮車模的改裝。改裝的選擇有兩種，一是將 L 車模的后輪改裝，二是將 C 車的后輪改裝，因為 C 車體積小，轉(zhuǎn)向靈活，便于控制，我們優(yōu)先選擇了

8、C 車的改裝，由于賽道長度的原因，電池的選擇也尤為重要，我們選擇了更加強勁的航模鋰電池，使我們的車可以保持狀態(tài)跑完全程。 2.2 傳感器的設計安裝2.2.1 傳感器的種類及個數(shù)一共有 5 種共 9 個傳感器：電感 5 個，Mini 編碼器兩個，加速度計、陀螺儀一體（mpu6050 模塊）一個，超聲波兩個，紅外一個；2.2.2 電感安裝電感的位置分別位于水平兩端和中間，兩端是兩個水平電感和豎直超前的電感，中間的電感也是一顆水平電感。為減小電感之間的互感現(xiàn)象，每個電感之間的距離都大于 3cm，為減小干擾，中間的電感遠離紅外與超聲波模塊。2.2.3 超聲波的安裝超聲波的安裝有兩個，由于超聲波自身有散

9、射角，在加上車模在室外運行時 C 車沒有什么好的減震，車身會晃動，地面也并不光滑水平，所以很容易測量到錯誤數(shù)據(jù)，在橫斷的處理上會有很大的影響，為此我們采用仰視和俯視的辦法將安裝，如下圖： 2.2.4 編碼器的安裝由于選用新 C 車模，有廠家定制的 mini 編碼器固定接口，所以只需注意在安裝編碼器時，編碼器齒輪與電機齒輪與車輪的咬合很重要，安裝時需要調(diào)整好齒輪間隙。齒輪傳動機構對車模的驅(qū)動能力影響巨大。齒輪傳動部分安裝位置的不恰當，會大大增加電機驅(qū)動后輪的負載，左右負載不均勻。會嚴重影響控制。2.3 電路板的固定及連接考慮到賽道元素的水坑和砂石路面，我們將電路板騰空架起，用隔離噴漆防護，底盤用

10、錫紙封住，可以安全度過水坑。面對砂石路面，我們將前輪的胎皮進行打磨使其減小過砂石的摩擦力，并且將電池放后，重心靠后，使整個車模的重心離后輪更近。第三章 硬件電路方案設計3.1 電源3.1.1 主控、外設、驅(qū)動的供電由于室外越野組對電池型號，數(shù)量不限，為了增強車模的續(xù)航能力，我們使用兩塊電池分別給主控和驅(qū)動供電，最后將兩模塊共地，做簡單的隔離。 以下為主控部分的供電方案，我們采用 TPS7350Q 與 TPS7333Q 作為電源的穩(wěn)壓芯片，由于3.3V供電的負載較多，所以TPS7333Q我們使用了兩片。原理圖如下。舵機的供電芯片我們采用 AS1015 的方案，該芯片壓降相比其他芯片壓降要小，并可

11、以在 6V 供電的情況下輸出 1A 以上的電流，使舵機的反應更靈敏。電機驅(qū)動我們使用 TPS7350Q 輸出的 5V 輸入給 B0512S，該芯片封裝小，且升壓電路已經(jīng)集成到了芯片內(nèi)部，便于使用，并且可以穩(wěn)定的輸出12V。MOS 管驅(qū)動芯片我們使用 HIP4082，該芯片內(nèi)部自帶隔離，有兩路通道。由于目前 P 溝道 MOS 的制作技術不及 N 溝道 MOS，所以我們選擇 4 片 LR7843 作為 H 橋驅(qū)動，電機兩端并聯(lián)一個瞬態(tài)抑制二極管作過流保護。3.2 主控由于室外越野組主要的信號來源便是電磁信號， 所以我們選擇的 ADC 功能較強的K60DN512 單片機。3.3 電磁信號采集電磁信號

12、采集部分對運放要求較高，我們采用了 OPA2350，該運放帶寬為 38MHz，噪聲為 5nV/HZ，原理圖如圖：第四章 特殊賽道識別及處理本屆比賽賽道類型新添斷路、橫斷，較第十三屆難度有較大的提升。4.1 環(huán)島的識別及處理環(huán)島的識別很重要，由于是電磁信號，所以我們的重點是在如何判斷出這個元素。 環(huán)島與其他元素相比只有一個明顯的特征，即左右兩側(cè)電感的電壓都會大于正常循跡時的電壓，據(jù)此可以判斷出環(huán)島元素。判斷出環(huán)島以后，就需要靠我們的陀螺儀來完成后續(xù)的工作了，雖然直接用陀螺儀的航偏角會有誤差，但是通過環(huán)島的時間橫斷，這個誤差就可以忽略不計了。4.2 橫斷識別及處理橫斷路障的識別我們使用超聲波模塊與

13、夏普紅外模塊共同識別。由于超聲波有散射角，平視時，超聲波會在凹凸不平的地面反射，所以超聲波的安裝需要小幅度仰視。由于超聲波在物體多時有較大干擾，紅外模塊受陽光影響大， 兩者結(jié)合判斷即可解決這一問題。 4.3 坡道識別及處理坡道的識別是為了防止車模速度過快，在坡道處騰空，需要靠我們安裝的俯視超聲波了，只要安裝到位就會判的很準，合理控制速度即可。4.4 直角丟線識別及處理在我們的電感歸一化的同時我們需要計算出電感的丟線閾值，方便我們控制直角的速度，方向則是由豎直朝前的電感決定的。但要注意的是前瞻的長度一定要合適，否則過彎也會很容易判斷為直角影響車模的正常運行。 4.5 停車檢測 由于室外越野組有水

14、坑、沙坑、硬質(zhì)路坎等元素，車模的底盤相對較高，因此往年使用干簧管檢測磁鐵停車的方案并不適用。所以我們使用線圈檢測磁鐵停車。 車模在經(jīng)過磁鐵上方時，由于線圈內(nèi)部的磁場發(fā)生變化，會產(chǎn)生一個感應電動勢，將該信號放大即可用于判斷停車。由于電機內(nèi)部的磁鐵與線圈一直保持相對靜止狀態(tài)，所以電機內(nèi)的磁鐵不會產(chǎn)生影響，但電機的線圈在啟動和制動時電流較大，也會產(chǎn)生較大磁場，從而對線圈造成干擾，所以我們將線圈固定在車頭位置從而減小干擾。 控制策略研究5.1.1 PID 算法簡介PID 控制即比例、積分、微分控制，該方法在工程實際中應用相當廣泛。PID 控制算法具有結(jié)構簡單、工作可靠、便于調(diào)整、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。當被控

15、對象的性能、結(jié)構等一系列參數(shù)無法得知，而且建模等控制方法亦無從下手時，我們便可以應用 PID 控制技術，但是，系統(tǒng)控制器的結(jié)構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定。當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術。PID 控制，實際中也有PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。圖 12 為 PID 控制系統(tǒng)原理圖。圖 12 PID 控制系統(tǒng)原理圖PID 函數(shù)的一般形式為：U(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)；其中 kp 為比例系數(shù)，TI 為積分時間，TD 為微分時間常數(shù)

16、。比例控制是一種簡單實用的控制方式。該方法的輸出與輸入誤差成比例關系。比例系數(shù)越大，調(diào)節(jié)作用亦越大，減少誤差的過程則越迅速，但是比例系數(shù)如果過大，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性會大大下降。對于積分控制，控制器的輸出與系統(tǒng)的輸入誤差信號的積分成正比關系。積分項的引入是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。微分控制中，控制方法的輸出與輸入誤差的變化率成正比關系。智能車控制系統(tǒng)由于存在有較大慣性，其變化總是落后于誤差的變化自動控制系統(tǒng)，在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振

17、蕩，嚴重時會導致不穩(wěn)定。為了充分解決此問題，我們需要提前抑制誤差的變化作用，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。5.1.2PID 參數(shù)整定PID 控制算法中 PID 參數(shù)的整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。該過程是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計

18、算整定。該方法需要依靠一定的數(shù)學模型，即通過一定的模型進行理論計算，最后確定控制器參數(shù)。但是，理論計算的方法所得到的數(shù)據(jù)常常是不能夠直接運用到實際中的，其必須通過實際工程進行驗證，并進行調(diào)整和進一步修改。二是工程經(jīng)驗整定。該方法主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。工程整定方法中的 PID 參數(shù)整定主要有臨界比例法、衰減法、反應曲線法。三種方法各有其特點，每一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。此外，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟一般如下：1、預

19、選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；2、僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；3、在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)；4、根據(jù)實際運行情況對計算出的 PID 控制器的參數(shù)進行調(diào)整。本系統(tǒng)的 PID 參數(shù)為通過上位機調(diào)試得來，具體調(diào)試方法為：先將 PID 參數(shù)設置為經(jīng)典參數(shù)，然后通過上位機觀察速度曲線，不斷改變 PID 參數(shù)，直至觀察速度曲線發(fā)現(xiàn)其加減速時間很短，超調(diào)量很少，則說明此時的 PID 參數(shù)已經(jīng)基本比較合適，這樣就確定出適合本系統(tǒng)的一組 PID 參數(shù)。5.2 車模速度控制車模的速度控制采用位置式 PID，期望

20、速度主要是由方向偏差通過模糊表計算得來的。5.3 車模方向控制方向的控制同樣采取位置式 PID，再加上一些限幅，通過計算得出最終的控制量。第六章 開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過程6.1 開發(fā)工具在智能車調(diào)試的過程中，為了方便軟件開發(fā)與調(diào)試，一個好的上位機是必要的。我們根據(jù)實際需求，采用了網(wǎng)上認可度較高的山外上位機。大體功能如下：上位機該上位機可以通過藍牙接收數(shù)據(jù)，來實時反應車子的動態(tài)，包括速度大小，目標速度與實際速度的偏差等。還能通過藍牙接收數(shù)況。 圖 15 上位機界面第七章 車模主要參數(shù)7.1 智能汽車外形參數(shù)經(jīng)過改裝后，智能汽車的外形參數(shù)為：車長：660mm；車寬：250mm；車高：230m

21、m；車重：1750g7.2 智能汽車技術參數(shù)智能汽車相關技術參數(shù)如表 1 所示：項目 參數(shù) 表 1 智能汽車技術參數(shù)結(jié)論這一年來的調(diào)車時光可以說已經(jīng)成為生命以來最深刻的記憶之一，相信對于每個真正認真調(diào)車而不是單純的想要拿獎的人來說，意義是巨大的。在這個過程中從一個新手一點點去汲取知識，去寫程序 Bug，再花時間去解決 Bug，無數(shù)次的循環(huán)。發(fā)現(xiàn)新問題再去想新的辦法去解決，無數(shù)次的嘗試，無數(shù)次的包宿。經(jīng)歷過興奮，也經(jīng)歷過絕望。不過進國賽的結(jié)果畢竟是好的，沒有白白去付出心血。通過比賽鍛煉了我的實踐能力，更鍛煉了我獨立去解決問題的能力， 也通過這個比賽一點點樹立起了自己的自信，在智能車群上也和他人互

22、相分享經(jīng)驗，結(jié)識了很多車友，很幸運參加智能車這場比賽。祝福每一個參加智能車并為其付出自己心血的人，愿我們都能前程似錦，也祝愿這個比賽可以越辦越好。 參考文獻1 童詩白，華成英模擬電子技術基礎M北京. 高等教育20003 閻石.數(shù)字電子技術基礎M.北京:高等教育,1998.4 雷霏霖,梁志毅.基于 CMOS 傳感器 OV7620 采集系統(tǒng)設計J.電子測量技術,2008,12(31):110-112.5 譚浩強.C 程序設計M.北京:清華大學,2005.6 郭芳,曹桂琴.數(shù)據(jù)結(jié)構基礎M.大連：大連理工大學，1994.7 邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法M.北京:清華大學,2004.8 胡壽松

23、.自動控制原理(第六版)M.科學,2014.20059 張文春汽車理論M北械工業(yè)10 YUAN Quan,ZHANG YunZhou,WU Hao,et al. Fuzzy Control Research In The Courses Of Smart CarC. Machine Vision and Human-Machine Interface (MVHI), Kaifeng,China, 2010: 764-767.11 侯虹.采用模糊 PID 控制律的舵機系統(tǒng)設計J.航空兵器，2006,2(1):7-9.車模軸距/輪距（毫米）200/140車模平均電流（勻速行駛）(毫安)300電路電

24、容總量（微法） 800傳感器種類及個數(shù) 超聲波2 編碼器2 MPU60501夏普紅外測距1 電感5線圈1新增加伺服電機個數(shù) 0賽道信息檢測空間精度（毫米） 10賽道信息檢測頻率（次/秒）200主要集成電路種類/數(shù)量2/312 孫浩,程磊,黃衛(wèi)華,等.基于 HCS12 的小車智能控制系統(tǒng)設計J.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2007,03(16):51-54.13 LU Zhenlin,LI Jingjiao,Zhang.Intelligent Control Research based on theSmart CarC. Advanced Computer Control (ICACC),Shen

25、yang,2010:292-297.附錄#include headfile.h uint8_t 斷時間uint8_t uint8_t ADC_Time=10; /ADC 采集判Direct_Time=20; Speed_Time=10; /方向環(huán)時間 /速度環(huán)時間 int main(void) get_clk();/上電后必須運行一次這個函數(shù)，獲取各個頻率信息，便于后面各個模塊的參數(shù)設置 /FLASH 初始化/ FLASH_Init(); /數(shù)據(jù)讀取/ Data_fetch(); /數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出（轉(zhuǎn)至結(jié)構體）/ Data_Conversion_out(); /集中初始化/ ALL_init(); /UI 顯示/ UI()