華中科技大學(xué)光電組技術(shù)報(bào)告

1、關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究使用的說明本人完全了解第五屆大學(xué)生“飛思”杯智能汽車競賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究的規(guī)定，即：參賽著作權(quán)歸參賽者本人，比賽和飛思半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的集中。、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在參賽隊(duì)員簽名： 帶隊(duì)教師簽名： 日期： 目錄第 1 章 引言11.1 概述11.2 全文安排2第 2 章 智能車總體設(shè)計(jì)32.1影響智能車設(shè)計(jì)的主要規(guī)則和限制32.2智能車性能指標(biāo)要求52.3智能車系統(tǒng)框架圖7第 3 章 電路設(shè)計(jì)93.1電路系統(tǒng)框圖93.2電源部分103.3電機(jī)驅(qū)動部分123.4激光傳感器133.5數(shù)字傳感器13第 4

2、 章 機(jī)械設(shè)計(jì)144.1車體結(jié)構(gòu)144.2前輪. 154.3車體重心174.4離地高度及底盤剛度調(diào)整184.5差速機(jī)構(gòu)的調(diào)整184.6舵機(jī)的固定184.7傳感器的固定194.8編碼器的固定19第 5 章 軟件設(shè)計(jì)205.1 程序整體框架20I5.2算法方案215.3上層策略235.4算法細(xì)節(jié)245.5巡線算法25第 6 章 調(diào)試平臺27第 7 章 全文總結(jié)287.1智能車主要技術(shù)參數(shù)287.2不足與改進(jìn)287.3致謝與總結(jié)29參考文獻(xiàn)30附錄 A源代碼31II第 1 章 引言第1章 引言教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，在已舉辦大學(xué)生數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等

3、4 大競賽的基礎(chǔ)上，委托教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦每年一度的大學(xué)生智能汽2005201 號文）1。車競賽（教為響應(yīng)教育部的號召，本校積極組隊(duì)參加第五屆“飛思智能汽車競賽。從 2010 年 1 月開始著手進(jìn)行準(zhǔn)備，歷時近”杯大學(xué)生，經(jīng)過設(shè)7計(jì)理念的不斷進(jìn)步，制作精度的不斷提高，經(jīng)歷 3 代智能車硬件平臺及相關(guān)算法的改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)出一套完整的智能車開發(fā)、調(diào)試平臺。作為光電組的華中科技大學(xué)二隊(duì)采用輕質(zhì)量機(jī)械設(shè)計(jì)、大前瞻傳感器和連續(xù)化算法處理的基本技術(shù)路線，在前瞻距離、噪聲抑制、驅(qū)動優(yōu)化、整車布局等方面加強(qiáng)研究創(chuàng)新， 在有限計(jì)算能力下獲得了較高的賽道信息分辨率和準(zhǔn)確率。使智能車能夠滿

4、足高速運(yùn)行下的動力性和穩(wěn)定性需求，獲得了良好的綜合性能和賽場表現(xiàn)。本文將對智能車的總體設(shè)計(jì)和各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)。1.1 概述1.1.1 電路設(shè)計(jì)采用激光傳感器對賽道進(jìn)行檢測，利用集成H 橋進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動。刪減電路冗余部分，以保證電路可靠性；適當(dāng)增加基本保護(hù)電路以提高電路的抗干擾能力和穩(wěn)定性。1.1.2 機(jī)械設(shè)計(jì)在保證激光傳感器前瞻的情況下，降低重心。同時從整體上降低重心并減輕重量。舵機(jī)傳動方式，以提高舵機(jī)的扭矩和響應(yīng)時間。1第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告1.1.3程序設(shè)計(jì)由于傳感器前瞻與往年相比提高了很多，在這個基礎(chǔ)上我們設(shè)計(jì)出了合理的舵機(jī)、電機(jī)算法，在滿足穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上提高速度。1.1.

5、4 調(diào)試平臺為了提高程序調(diào)試效率，采用無線調(diào)試模塊。利用Excel 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便于觀察和分析。1.2 全文安排本文在第一本文在第二本文在第三本文在第四本文在第五本文在第六本文在第七簡要智能車競賽的情況。智能車的總體設(shè)計(jì)。 詳細(xì)說明電路部分的設(shè)計(jì)。詳細(xì)說明機(jī)械部分的改裝。詳細(xì)說明軟件部分的實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)說明調(diào)試平臺部分的設(shè)計(jì)。做全文總結(jié)。由于作者水平有限，報(bào)告中的錯誤和不足之處，希望各位讀者指證，并提出建議和意見。批評和2第 2 章 智能車總體設(shè)計(jì)第2章 智能車總體設(shè)計(jì)2.1 影響智能車設(shè)計(jì)的主要規(guī)則和限制2.1.1 賽道方面1)智能車運(yùn)行的跑道是底面由白色寬不小于 50cm 的 KT 板，跑

6、道中心有由黑色即時貼做成的 2.5cm 寬引導(dǎo)線。跑道類型包括直道和彎道，彎道引導(dǎo)線的最小曲率半徑不小于 50cm2。賽道有一米長的出發(fā)區(qū)，計(jì)時起始點(diǎn)兩邊分別有一個長度 10 厘米黑色2)計(jì)時起始線，前端通過起始線作為比賽計(jì)時開始或者結(jié)束時刻。圖 2.1 賽道和發(fā)車區(qū)示意圖2.1.2 電路方面1) 必須采用飛思半導(dǎo)體公司的 8 位、16 位處理器(單核，9S12X 系列等雙核 MCU 不能使用)作為唯一的微器，推薦使用 9S12XS128，3第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告9S08AW60 微器。每臺模型車的電路板中只使用一種型號微器限制使用 1 片；不得器。8 位微器最多可以使用 2 片，1

7、6 位微同時使用 8 位和 16 位微器；2) 除上述規(guī)定的微器之外不得使用輔助處理器以及其它可編程器件。3) 伺服電機(jī)數(shù)量不超過 3 個；4) 傳感器數(shù)量不超過 16 個(紅外傳感器接受單元計(jì)為 1 個傳感器，發(fā)射單元不計(jì)算，CCD 傳感器記為 1 個傳感器)；5) 直流電源使用大賽指定的電池；6)使用 DC-DC 升壓電路直接為驅(qū)動電機(jī)以及舵機(jī)提供動力；7) 全部電容容量和不得超過 2000 微法；電容最高充電電壓不得超過 25 伏。2.1.3 機(jī)械方面1)2)3)4)車模改裝完畢后，不能超過：250mm 寬和 400mm 長；采用其它型號的驅(qū)動電機(jī)，改動驅(qū)動電機(jī)的傳動比；改動舵機(jī)，但可以

8、更改舵機(jī)輸出軸上連接件；改動驅(qū)動電機(jī)以及電池，車模前進(jìn)動力必須來源于車模本身直流電機(jī)及電池。2.1.4 程序方面1) 每輪比賽中，選手首先將自動啟動；放置在起跑區(qū)域內(nèi)賽道上，靜止兩秒2) 輛在賽道上跑一圈，以計(jì)時起始線為計(jì)時點(diǎn)，跑完一圈后需要自動在起始線之后三米的賽道內(nèi)，如果沒有停止在規(guī)定的范圍內(nèi)，比賽成績時間增加 1 秒；3) 在裁判員點(diǎn)名后，每隊(duì)指定一名隊(duì)員持60 秒的現(xiàn)場準(zhǔn)備時；進(jìn)入比賽場地。參賽選手有4)應(yīng)該在 30 秒之內(nèi)離開出發(fā)區(qū)，沿著賽道跑完一圈，由計(jì)時起始線兩邊傳感器進(jìn)行自動計(jì)時。4第 2 章 智能車總體設(shè)計(jì)2.2 智能車性能指標(biāo)要求使用的車體機(jī)械部分是114 模型車，車模整體

9、為270 mm×170 mm ×70 mm，加上電池和電機(jī)等必備部分車模重量最小值在750g左右。圖2.3 分別為使用車模正視、俯視、側(cè)視的實(shí)物圖：圖 2.2 智能車模正視圖根據(jù)車模和跑道情況，本文設(shè)計(jì)智能車均速為普通汽車的較高速度100km/h，加性能為 5s 內(nèi)能夠從 0到 100km/h 和從 100km/h到 0，由此可以推算出智能車的基本性能參數(shù)。智能車平均速度：Vh ´ 1 = 100 ´ 1V = 1.98(m / s)s3.6 n3.6 14注：式中 Vs -智能車模平均速度（： m/ s ）： km/ h ）Vh -普通汽車較均速度（5

10、第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告n -車?？s放比例智能車最小加（度：= Vs= 1.98 = 0.396(m / s 2 )amint5度（： m/ s 2 ）： s ）注：式中amin -智能車最小加（t -加（時間（由于做特殊的跑道需要很多場地，所以根據(jù)實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)讓智能車的運(yùn)行在 7m×10m 的場地內(nèi)，所以根據(jù)跑道長度極限計(jì)算：a ´ b7 ´10l= 70(m)max2 ´ 0.52Rmin注：式中 lmax -跑道最大長度（： m ）， a, b -場地長寬（： m ）Rmin -彎道引導(dǎo)線最小曲率半徑（： m ）所以在留有一定余量的情

11、況下，跑道長度不超過 70m。結(jié)合智能車速度的要求，限制智能車長寬為 400mm×250 mm。根據(jù)智能車的運(yùn)行路程、速度、能指標(biāo)要求，見表 2.1：度等計(jì)算可以推導(dǎo)出智能車的基本性表2.1智能車性能指標(biāo)要求6速度和運(yùn)行長度要求賽道長度<=70m目標(biāo)速度>=2.2m/s設(shè)計(jì)均速直線速度3.0m/s設(shè)計(jì)峰值過彎速度1.8-2.0m./s設(shè)計(jì)要求值平均速度2.0-2.2m/s最大度3.0m/s2最大度3.0m/s2說明參數(shù)可以在-10%-+10%之間浮動結(jié)構(gòu)要求和提供長<=400mm車長度為 270mm,應(yīng)該充分利用長度寬<=250mm高不限要求為低重心第 2 章

12、 智能車總體設(shè)計(jì)2.3 智能車系統(tǒng)框架圖智能車系統(tǒng)在大方向上主要分為四部分：電路部分、程序部分、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、輔助部分。智能車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖 2.6 所示：7重量0.9-1.2Kg務(wù)必把重量減到最小，極限不能超過 1.3Kg驅(qū)動方式單電機(jī)后輪驅(qū)動RS-380H 電機(jī)，自動差速器，比 9:38電源7.2V 鎳鎘電池2000mA·h第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告圖 2.3 智能車系統(tǒng)框圖8第 3 章 電路設(shè)計(jì)第3章 電路設(shè)計(jì)智能車的電路設(shè)計(jì)在整個智能車的設(shè)計(jì)過程中占有相當(dāng)重要的分量，穩(wěn)定合理的電路是智能車高速運(yùn)動的必要條件。本文智能車硬件的設(shè)計(jì)遵循電路簡單、功能強(qiáng)大、方便調(diào)試等原則，設(shè)

13、計(jì)了集成度很高的主感器以外的所有電路。電路板，整合了除傳3.1 電路系統(tǒng)框圖3.1.1 電源部分電源部分主要包括：電源開關(guān)保護(hù)指示、電源管理、主板和數(shù)字傳感器板電源、模擬傳感器板電源、舵機(jī)電源、電機(jī)驅(qū)動。電源部分功能結(jié)構(gòu)如下：過流保護(hù)圖 3.1 電源部分系統(tǒng)框圖9電機(jī)電機(jī)驅(qū)動（盡量接近電源電壓）舵機(jī)舵機(jī)電源6- 7V（可調(diào)）激光傳感器板模擬傳感器板電源1-5V（可調(diào)）數(shù)字傳感器板主控板電源5V主板電源開關(guān)指示保護(hù)電源欠壓電源管理第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告3.1.2 MCU 部分MCU 最小系統(tǒng)部分主要包括：MCU 復(fù)位、通訊、人機(jī)交互、與口，結(jié)構(gòu)框圖如下：器件接MCU最小系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動延時

14、保護(hù)與器件接口圖 3.2 MCU 部分系統(tǒng)框圖3.2 電源部分為了方便了解系統(tǒng)電源的工作情況，故需要加入電源監(jiān)視電路即時提醒注意電池電壓狀況。而且電源管理部分體積、功耗都不能太大，不能影響電路的正常工作。10編碼器電機(jī)系統(tǒng)資源擴(kuò)展電機(jī)驅(qū)動H橋舵機(jī)重要信號引出電機(jī)驅(qū)動能力增強(qiáng)激光傳感器板數(shù)字傳感器板蜂鳴器MCU復(fù)位通訊部分撥碼開關(guān)串口BDM調(diào)試人機(jī)交互部分LED顯示第 3 章 電路設(shè)計(jì)3.2.1 電源開關(guān)保護(hù)指示模塊由于智能車使用的直流電源，故一旦電池的正負(fù)極接反將造成很嚴(yán)重的后果，很有可能燒壞主板，故考慮在電源的最開始部分設(shè)計(jì)仿插反的結(jié)構(gòu)和插反后的保護(hù)電路。一般來說，二極管擁有良好的單向?qū)щ娦?/p>

15、，故可考慮用二極管作為反接保護(hù)器件。圖 3.3 電源開關(guān)指示保護(hù)電路原理圖3.2.2 主板和數(shù)字傳感器板電源模塊由于主板和數(shù)字傳感器板兩部分都需要 5V 直流穩(wěn)壓，為簡便故兩塊板子共用一個穩(wěn)壓。根據(jù)分析可得：U=+5.0V+5%（4.75V-5.25V）, I 600mA。故LM2940-5V 可以作為合適的穩(wěn)壓選擇。圖 3.4 LM2940-5V 電路原理圖311第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告3.2.3 舵機(jī)和模擬傳感器板電源模塊由于舵機(jī)和模擬傳感器需要的電源電壓都要求盡量能接近于電池所提供的電壓，但是電壓太高又會對電路穩(wěn)定性帶來一些影響，故需要選擇穩(wěn)壓值可調(diào)的穩(wěn)壓根據(jù)需求，結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)

16、驗(yàn)，本文認(rèn)為LM1117-ADJ 為比較合適的選型。圖 3.5 LM1117-ADJ 電路原理圖43.3 電機(jī)驅(qū)動部分根據(jù)在調(diào)車時獲得經(jīng)驗(yàn)，采用集成 H 橋力也可以得到保證。，能夠提高穩(wěn)定性，同時驅(qū)動能分離器件搭建的驅(qū)動橋受因數(shù)影響較大，元件過多，導(dǎo)致可靠性降低。不適合長時間使用，而且容易燒壞。集成H 橋驅(qū)動驅(qū)動能力因型號不同而有很大不同。在實(shí)際使用中集成 H的驅(qū)動能力是足夠的，而且效果不錯。同時信號也是 PWM 信號，便橋于程序處理。12第 3 章 電路設(shè)計(jì)3.4 激光傳感器光電組的小車需要有足夠的前瞻，才能夠?qū)惖肋M(jìn)行提前，從而便于加，提高速度。因此追求傳感器又遠(yuǎn)又穩(wěn)成為傳感器的最基本也是

17、最重要的目標(biāo)。參考往屆比賽經(jīng)驗(yàn)，今年使用激光傳感器以適應(yīng)大前瞻的趨勢。采用大功率發(fā)射管能將前瞻提高，同時在接收管前增加透鏡也能大大提高前瞻。最終能夠使前瞻達(dá)到 68cm。（所謂“前瞻”，是指前輪中心與探測位置的距離）。3.5 數(shù)字傳感器3.5.1 發(fā)射管發(fā)射強(qiáng)度調(diào)整部分由于每個發(fā)射管都有差異性，故為了達(dá)到每個傳感器接受處理后的信號基本一致需要對紅外發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且為了適應(yīng)不同的需求，也需要對紅外發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于數(shù)字傳感器板上面的紅外發(fā)射管是調(diào)制發(fā)射/接受，所以其能力特別強(qiáng)，而且是基本貼著地面，故其發(fā)射強(qiáng)度很小。為減小電路板體積，選擇串聯(lián)可調(diào)電阻的方式進(jìn)行發(fā)射管發(fā)射強(qiáng)

18、度調(diào)節(jié)。3.5.2 接收管部分接收管使用集成度高，能力強(qiáng)的 S7136 作為紅外接受管，其不僅有接受調(diào)制成紅外線的功能，還能內(nèi)部產(chǎn)生調(diào)制信號，而且還在內(nèi)部進(jìn)行濾波放大比較然后輸出數(shù)字信號。3.5.3 信號指示部分串入上拉電阻后，增加 S7136 輸出驅(qū)動能力，并且附加一指示二極管，這樣在硬件上面便可以對每個傳感器所在位置是黑色還是白色作出測試和調(diào)試。，可以方便13第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告圖 3.6 S7136 電路原理圖6第4章 機(jī)械設(shè)計(jì)4.1 車體結(jié)構(gòu)智能車競賽所使用的車模是一款帶有差速器的四輪驅(qū)動模型，它由大賽統(tǒng)一提供。表 4.1 智能車模主要參數(shù)14基本參數(shù)尺寸軸距173mm前輪

19、距154mm后輪距149mm車輪直徑65mm傳動比18/76第 4 章 機(jī)械設(shè)計(jì)主委會要求智能車最終不得大于 400mm*250mm。4.2 前輪1) 主銷后傾角主銷向后傾斜，主銷軸線與地面垂直線在銷后傾角。縱向平面內(nèi)的夾角稱為主圖4.1.1主銷后傾角示意圖圖4.2.2主銷后傾角主銷后傾角在車輪偏轉(zhuǎn)后形成一越大，車速愈高，車輪偏轉(zhuǎn)后自動力矩，阻礙車輪偏轉(zhuǎn)，主銷后傾角力越強(qiáng)，但力矩過大，將會引起15第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告前正過猛，前輪擺振，并使轉(zhuǎn)向沉重，通常后傾角為 13 度，但今年的車模的達(dá)到了 20 度，而且是固定的，我們覺得太大了，故把它改小了，大概為 10 度?？蓪τ诒灸Ｐ蛙?，

20、若欲使之轉(zhuǎn)向靈活，主銷后傾角可設(shè)定為 0 度，欲增大力矩，后傾角可設(shè)定為 10 度，當(dāng)然也可以將其設(shè)為負(fù)值，這將減小力矩的作用，使轉(zhuǎn)向更為靈活，但也會使方法還需要實(shí)車測試。2) 主銷內(nèi)傾角比原來稍慢，具體的選定主銷在橫向平面內(nèi)傾斜，主銷軸線與地面垂直線在的夾角稱為主銷內(nèi)傾角。橫向斷面內(nèi)圖 4.3 主銷內(nèi)傾角示意圖主銷內(nèi)傾角也有使輪胎自動的作用，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向輪在外力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，由于主銷內(nèi)傾，則車輪連同整個汽車的前部將被抬起一定高度，在外力消失后，車輪就會在重力作用下力圖恢復(fù)到原來的中間位置。但主銷內(nèi)傾角不宜過大，否則在轉(zhuǎn)彎時輪胎將與賽道間產(chǎn)生較大的滑動，從而會增加輪胎與路面間的摩擦阻力，使轉(zhuǎn)

21、向變得沉重，同時會3) 前輪外傾角輪胎的磨損。通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角，稱為前輪外傾角。前輪外傾角是前輪的上端向外傾斜的角度，如果前面兩個呈現(xiàn)“V”字形則稱正傾角，呈現(xiàn)“八”字則稱負(fù)傾角。由于前輪外傾可以抵消由于車的重力使車輪傾斜的趨勢，減少機(jī)件的磨損與負(fù)重，所以安裝了配備的配件。16第 4 章 機(jī)械設(shè)計(jì)4) 前輪前束前輪前前輪前端傾斜的程度，當(dāng)兩輪的前端距離小后端距離大時為內(nèi)八字，前端距離大后端距離小為外八字。由于前輪外傾使?jié)L動時類似與圓錐滾動，從而導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開。但由于拉桿的作用使車輪不可能向外滾開，車輪會出現(xiàn)變劃的現(xiàn)象，從而增加了輪胎的磨損。前

22、輪外八字與前輪外傾搭配，一方面可以抵消前輪外傾的負(fù)作用，另一方面由于前進(jìn)時車輪由于慣性自然的傾斜，外八字可以抵消其傾斜的趨勢。外八字還可以使轉(zhuǎn)向時靠近彎道內(nèi)側(cè)的輪胎比靠近彎道外側(cè)的輪胎的轉(zhuǎn)向程度更大，則使內(nèi)輪胎比外輪胎的轉(zhuǎn)彎半徑小，有利與轉(zhuǎn)向。4.3 車體重心1) 車體重心的測定確定車體以使用實(shí)驗(yàn)和軟件兩種方法，實(shí)驗(yàn)法就是用吊線來確定重心，軟件法即用三維軟件將車體完整的表示出來，通過給各個零件輸入其密度等信息，由軟件自動計(jì)算出車體的重心。2) 車體重心位置調(diào)整車體重心的位置對加性能、轉(zhuǎn)向性能和穩(wěn)定性都有較大的影響。重心調(diào)整主要包括重心高度和前后位置的調(diào)整。理論上，車體重心越低穩(wěn)定性越好，重心低

23、有利于在高速轉(zhuǎn)彎的貼地性，可以有效防止發(fā)生側(cè)翻，因此在車體底盤高度、舵機(jī)安裝、電路板的安裝等上盡量使重心放低。車體重心前后方向的調(diào)整對的行駛性能也有很大的影響。本為后輪驅(qū)動，驅(qū)動力的大小直接跟輪胎與地面的附著力有關(guān)，而附著力與路面附著系數(shù)和驅(qū)動軸的軸荷有關(guān)，驅(qū)動軸的軸荷又取決于重心的水平位置，如果僅從這方面考慮，重心應(yīng)靠近后軸。根據(jù)車輛運(yùn)動學(xué)理論，車身重心前移，大部分重量壓在前輪，轉(zhuǎn)向負(fù)荷增大，會增加轉(zhuǎn)向，對模型車的制動性能和穩(wěn)定性有益，但降低轉(zhuǎn)向的靈敏度，同時降低后輪的抓地力；重心后移，會減少轉(zhuǎn)向，但增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會增加。但綜合起來看，重心應(yīng)靠近后軸一點(diǎn)。17第五屆大學(xué)生智能汽

24、車競賽技術(shù)報(bào)告4.4 離地高度及底盤剛度調(diào)整1) 底盤高度的調(diào)整車模底盤的高度主要由賽道中的坡決定，在順利過坡的前提下底盤越低越好。2) 前后懸掛縱向減震剛度適當(dāng)增大底盤的剛度有利于車體走直線的穩(wěn)定性，可通過增加墊片來增大彈簧的預(yù)緊力，另外還可以通過調(diào)整彈簧的另一個支點(diǎn)的位置來改變預(yù)緊力，從而提高底盤的剛度。今年，我們發(fā)現(xiàn)底盤具有一些軟性，所以我們直接把彈簧去掉了，然后用碳板將懸架固定住。4.5 差速機(jī)構(gòu)的調(diào)整差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下?lián)p害到電機(jī)。當(dāng)車輛在正常的過彎行進(jìn)中(假設(shè)：無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度)，此時4 個的轉(zhuǎn)速(輪速)

25、皆不相同。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越高。以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。今年的差速機(jī)構(gòu)是固定的，即由前后和中間箱決定。好的差速機(jī)構(gòu)，在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小，有遲滯或者過轉(zhuǎn)動情況發(fā)生。4.6 舵機(jī)的固定舵機(jī)有豎直和水平放置兩種方案，豎直放置可以適當(dāng)?shù)慕档椭匦?，但安裝較為麻煩，水平放置固定方式簡單，但重心升高，故先采用豎直放置方式。18第 4 章機(jī)械設(shè)計(jì)圖 4.6 舵機(jī)固定4.7 傳感器的固定傳感器應(yīng)盡

26、量伸出車體以獲得足夠的前瞻量。4.8 編碼器的固定光電編碼器的安裝精度較高，要求編碼器軸與后軸同軸，通過齒輪與賽車差速器相聯(lián)。本文用提供的電機(jī)上自帶的齒輪進(jìn)行改裝，因?yàn)樵擙X輪19第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告不僅模數(shù)與差速器齒輪相同，而且反饋回來的是電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。編碼器直接固定于尾部。第5章 軟件設(shè)計(jì)5.1 程序整體框架整個系統(tǒng)由飛思S12 系列 16 位單片機(jī)為主控 MCU，對激光傳感器和數(shù)字傳感器機(jī)和電機(jī)的信號進(jìn)行和處理，并對輸出的三路 PWM 分別，進(jìn)行舵轉(zhuǎn)向舵機(jī)，一路 PWM擺頭舵機(jī)跟隨黑線，一路 PWM來決定小車的前輪轉(zhuǎn)角，另一路 PWM 通過硬件電路驅(qū)動來電機(jī)，決定小車的速度。

27、另外使用編碼器速度值，用閉環(huán)穩(wěn)定小車速度。激光傳感器信號速度信息采集電機(jī)輸出MCU 信號處理輸出 PWM電機(jī)驅(qū)動數(shù)字傳感器信號MCU 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向舵機(jī)搖頭舵機(jī)圖 5.1 程序整體框架圖20第 5 章 軟件設(shè)計(jì)5.2算法方案本文軟件部分在方案上主要是狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)方案，策略使用有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)思想。各個模式對應(yīng)小車和賽道的不同狀況設(shè)定并做出相應(yīng)略也在比賽中取得很好的效果。這種方案的主要優(yōu)勢是方便查錯，易于修改，可讀性好。，這種策21第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告5.2.1主函數(shù)流程圖 5.2 主程序流程圖5.2.2流程說明1) 首先要對系統(tǒng)各個模塊功能的初始化，然后選擇是測試模式，參數(shù)調(diào)整模式和正式比賽

28、模式。22第 5 章 軟件設(shè)計(jì)2) 測試模式：即電路板焊接好了以后通過這個模塊測試電路板性能，電路連接狀態(tài)等，測試結(jié)束進(jìn)入發(fā)車模式。3) 參數(shù)調(diào)整模式：即在要對策略中各數(shù)據(jù)如角度，速度等參數(shù)的調(diào)整，以及舵機(jī)中心值的調(diào)整，調(diào)整結(jié)束進(jìn)入發(fā)車模式。4) 正式比賽模式就是比賽才使用的，直接進(jìn)入發(fā)車狀態(tài)。5) 發(fā)車狀態(tài)就是等待發(fā)車信號，比賽是半自動發(fā)車，發(fā)車后才能進(jìn)入系統(tǒng)方案。6)方案使用有限狀態(tài)機(jī)識別模式，在各種不同的賽道，如：S 彎，窄道區(qū)以及不同的狀態(tài)如進(jìn)S 彎，出 S 彎等分配不同的模式。在各個模式中實(shí)現(xiàn)各自相應(yīng)的策略。7) 檢測保護(hù)模式，包括調(diào)試中的防撞車，距離時需讓車及時的停車。，在遇到這些

29、情況8) 中斷部分目前使用的是輸出比較中斷，一定時間定時產(chǎn)生一個中斷，通過設(shè)置初值，把中斷時間設(shè)定在 1ms。在中斷中進(jìn)行舵機(jī)電機(jī) PWM 的輸出，編碼器速度采樣以及串口數(shù)據(jù)的。5.3 上層策略上層的部分主要為有限狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換，再加上舵機(jī)和電機(jī)的算法。23第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告圖 5.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程圖5.4算法細(xì)節(jié)主要考慮的是兩點(diǎn)：狀態(tài)的識別和激光傳感器值的處理。24第 5 章 軟件設(shè)計(jì)5.4.1 狀態(tài)識別由于十字線，起跑線都有各自不同的標(biāo)志指示，所以首先要正確識別這些標(biāo)志。首先在普通彎道和直道上出現(xiàn) 3 個或 3 個以上的數(shù)字傳感器檢測到黑線，因而即一旦出現(xiàn) 3 個或 3 個以上

30、的黑色信號，則是進(jìn)入了特殊標(biāo)志路段。要區(qū)別起跑線和十字線，十字線是整塊的 1 排黑線，起跑線是斷續(xù)的黑線，但是小車進(jìn)入這個區(qū)域時，不一定是剛好垂直通過這一排標(biāo)志。從理論上分析知道，數(shù)字傳感器板通過標(biāo)志時，通過十字線，中心以外的數(shù)字傳感器值都會改變兩次，即黑白。而起跑線不同，中間有兩個位的傳感器值會一直不變，這樣就可以從算法上直接識別，而不用到現(xiàn)場再通過撥碼來選擇總共過了幾根十字線來是十字線還是起跑線。5.5 巡線算法5.5.1 傳感器方案傳感器使用上排 16 個激光發(fā)射管和 4 個接收管，下排 8 個數(shù)字傳感器。5.5.2 黑線偏差計(jì)算由于今年的規(guī)則為，比賽地板顏色不作要求，因此賽道外的信息的

31、，因此首先要做濾波處理。即要確定黑線的有效位置，比如黑線一直在中間，突然出現(xiàn)最外邊的一個傳感器接收到黑，這時應(yīng)該不做處理。得到了有效值后進(jìn)行計(jì)算即可得到黑線與傳感器中心的偏差距離。假設(shè) 16 個發(fā)射管正對的距離為-75，-65，-55，-45，-35，-25，-15，-5，5，15，25，35，45，55，65，75(mm)。假設(shè)有效中間 2 個，并且值分別為-15，-5，偏差距離為：-15+（-5）/2 即黑線中心在傳感器中心左 10 毫米。5.5.3 舵機(jī)舵機(jī)即根據(jù)當(dāng)前的黑線偏差和前一次的黑線偏差做PD 運(yùn)算得到應(yīng)該給的角度。智能車主要特色如下：1) 分段參數(shù)P25第五屆大學(xué)生智能汽車競賽

32、技術(shù)報(bào)告由于激光傳感器得到的賽道信息不是一個點(diǎn)而是多個點(diǎn)，在彎道黑線會更密集，這樣彎道參數(shù)會改變。2)全微分對于光電組很容易出現(xiàn)進(jìn)彎和出彎晃動的問題，這樣在時間上的損失是很大的，為了解決這個問題，本文在舵機(jī)的普通位置式 PD 中加入了有效的解決了這個問題。全微分項(xiàng)，5.5.4 電機(jī)電機(jī)本文使用了三套方案，現(xiàn)分別進(jìn)行說明。1) 閉環(huán) PIDPID是目前使用最廣泛的的策略，PID 的優(yōu)勢在于對賽道摩擦力的適應(yīng)性，賽道摩擦力即使改變很大，通常只要調(diào)整 P 參數(shù)就能取得很好的效果。PID 主要分為位置式 PID 和增量式 PID，對于快速行駛的小車，要求速度很快提升的情況下，使用增量式 PID 能取得

33、更好的效果，通過調(diào)試平臺， 得到了兩種方案的波形圖，圖形見下一章。另外速度的給定根據(jù)當(dāng)前的角度給出。2) 模糊光電組目前比較熱門的案模糊由于能根據(jù)賽道曲率和曲率變化情況給出合理的速度，因而在彎道上能有較快的速度。模糊也有兩種情況，第一種是通過傳感器得到的偏差進(jìn)行模糊運(yùn)算后得到一個速度，然后通過速度環(huán)去穩(wěn)定這個速度。第二種是通過模糊運(yùn)算得到電機(jī)電壓，即PWM 百分比，直接電機(jī)，然后用編碼器進(jìn)行速度限制，例如直道上，速度小于 3 米/秒時，用PWM，大于 3 米/秒時直接對電機(jī)給 0 電壓。很明顯，第二種策略對賽道摩擦力要求很高，但是速度能達(dá)到最快。3) Bang_Bang本文另外嘗試使用了Ban

34、g_Bang，例如在直道上，速度小于 4，PWM 為 100%，速度大于 4PWM 給 0。角度絕對值小于 10，用滿 PWM；10 到 20 時，用 80%PWM；由于使用狀態(tài)機(jī)方案，分為直道模式和彎道模式兩種，直道一個限速，彎道另一個限速即可。入彎時則要另外給速度，即當(dāng)角度變化大于一定值時 PWM 給 0。26第 6 章 調(diào)試平臺第6章 調(diào)試平臺基于的小車調(diào)試平臺：S12 單片機(jī)在運(yùn)行的過程中通過 SCI數(shù)據(jù)，上位機(jī)使用串口控件接收數(shù)據(jù)，即可對小車實(shí)時。無線模塊使用無線ZigBee，波特率可調(diào)至 57600，傳輸速率上完全達(dá)到要求。另外強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以輕松進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，整理，

35、并且能將接收的數(shù)據(jù)連成曲線，極大的方便了小車的調(diào)試。例如增量式 PID 和位置式 PID位置式 PID 速度曲線：性能比較（空載）圖6.1 位置式 PID 速度曲線增量式 PID 速度曲線：圖6.2 增量式 PID 速度曲線27第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告第7章 全文總結(jié)7.1智能車主要技術(shù)參數(shù)表 7.1智能車主要技術(shù)參數(shù)7.2不足與改進(jìn)1) 機(jī)械改裝和支架設(shè)計(jì)中，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性需要更加注意，以免造成支架容易撞斷和運(yùn)行不穩(wěn)定的情況；2) 硬件設(shè)計(jì)的兼容性和易擴(kuò)展性考慮，在電路設(shè)計(jì)的過程中，端口分配是一個很重要的步驟，設(shè)計(jì)時需要預(yù)留一些可能用到的方便擴(kuò)展；，以備后面增加是3) 在程序設(shè)計(jì)和調(diào)

36、試的過程中，不能太模糊化，需要進(jìn)行實(shí)際的建模和；對智能車的運(yùn)行一定要進(jìn)行定量的分析和計(jì)算，對智能車運(yùn)行中出現(xiàn)的各種情況都能做到理解解決，站在理論支持的角度進(jìn)行分析和調(diào)試。4) 在備賽過程中，對于學(xué)校內(nèi)部應(yīng)加強(qiáng)不同組別和不同傳感器方案隊(duì)間的交流，同時應(yīng)加強(qiáng)與其他兄弟院校的交流，使智能車往更好的方向上發(fā)展。28項(xiàng)目參數(shù)路徑檢測方法（賽題組）激光傳感器車模幾何（長、寬、高）（毫米）*車模軸距/輪距（毫米）/前輪距 /后輪距車模平均電流（勻速行駛）(毫安)3500電路電容總量（微法）1250傳感器種類及個數(shù)13新增加伺服電機(jī)個數(shù)1賽道信息檢測空間精度（毫米）15賽道信息檢測頻率（次/秒）100主要集成

37、電路種類/數(shù)量電機(jī)驅(qū)動/2，發(fā)射管驅(qū)動/1車模重量（帶有電池）（千克）1.15第 7 章 全文總結(jié)7.3 致謝與總結(jié)經(jīng)過半年多的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試，在隊(duì)員們的分工和配合下，最終順利完成了智能車電路、機(jī)械、程序等方面的工作。在這個過程中，大家學(xué)到了很多， 積累了很多，能夠一步一步走下來，靠的是整個團(tuán)隊(duì)的協(xié)作和團(tuán)結(jié)?？傮w而言，大家學(xué)到了很多，提高了很多，這將對以后的學(xué)習(xí)和工作都會起到很多有意義的作用。作為一個融合多學(xué)科交叉的的復(fù)雜系統(tǒng)，完成整智能車的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試是一個非常龐大的工程，僅靠幾名隊(duì)員是很難完成的，它需要一個高效、規(guī)范管理的團(tuán)隊(duì)的緊密合作才能完成。本文所論述的內(nèi)容不僅僅是作者個人工作的

38、結(jié)晶，同時也蘊(yùn)含了他人的勞動、汗水和智慧。在本文即將結(jié)束之際，特向整個智能車團(tuán)隊(duì)的成員以及其他提供過幫助、建議和意見的人們表示衷心的感謝。感謝指導(dǎo)的指導(dǎo)、支持和幫助。沒有他的指導(dǎo)和幫助，整個智能車隊(duì)就很難高效穩(wěn)定運(yùn)行下去，設(shè)計(jì)的方向也很難把握得這么準(zhǔn)確。感謝華技大學(xué)啟明學(xué)院和科學(xué)與工程系在調(diào)試場地，物資上的支持和幫助，正是有了學(xué)校的大力支持，才使我們能專心做事，仔細(xì)研究。還要感謝教育部，自動化分教指委給大家提供的這個鍛煉團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新能力的競賽平臺，以及和本屆競賽中給大家提供賽場的湖南大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)科技大學(xué)以及其他賽區(qū)承辦學(xué)校，感謝各個院校為大家提供優(yōu)良的競賽環(huán)境，使大家能夠在競賽中發(fā)

39、揮出高水平。29第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告參考文獻(xiàn)1等.學(xué)做智能車. 北京：北京航空航天，2007年 3 月第 1 版2第五屆大學(xué)生“飛思”杯智能汽車競賽處，競速比賽規(guī)則與賽場紀(jì)律，2009/123National Semiconductor，LM2940 Datasheet，1999/064National Semiconductor，LM1117 Datasheet，2004/065.粗糙表面可見光散射特性的實(shí)驗(yàn)研究. 中國測試，2009，02期6HAMAMATSU，Light modulation photo IC S7136，2007/077.單片機(jī)2004 年 10 月第 1

40、版.應(yīng)用的開發(fā)方法. 北京：，8.UCOS-II年 10 月第 1 版實(shí)時操作系統(tǒng). 北京：，20029MC9S12XS128 Device User Guide ,Version 1.2, Motorola,2007300參考文獻(xiàn)附錄 A源代碼因篇幅限制，只附上舵機(jī)和電機(jī)部分源代碼int GetSteeringAngle(int offset)int temp = 0;int i = 0;int count = 0;int sensor = 0x00;int angle = 0;staticint anglePre = 0;int offsetErrForPDArithmetic = 0;/

41、用作pd 算法的偏差變量int offsetADMulit = 0;if(offset = RIGTH_DISTANCE) /偏差右邊最大,給右邊最大角度return STEERING_RIGTH;else if(offset = LEFT_DISTANCE)/偏差左邊最大,給左邊最大角度return STEERING_LEFT;else if(offset = -300)31第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告sensor = gl_sensor;for(i = 0;i < ADSENSOR_NUM;i+)可以保證有大的跳動/對有效傳感器進(jìn)行,基本if(sensor & 0x01)

42、offsetADMulit += dirADSensorDistancei; /累加幾個檢測到黑線的管子的偏差用于做平均count+;sensor >>= 1;offsetErrForPDArithmetic =offsetADMulit / count;else/在正常的引導(dǎo)線上時的偏差offsetErrForPDArithmetic = offset + OFFSET_ADD;加了一個機(jī)械上的補(bǔ)償/這里的偏差angle = AnglePD(offsetErrForPDArithmetic);/根據(jù)偏差采用pd 算法求角度320參考文獻(xiàn)if(angle - anglePre) &

43、gt; 50) | (angle - anglePre) < -50)angle = anglePre;if(angle >=0)gl_sensorPre = 0x00f;elsegl_sensorPre = 0x1e0;anglePre = angle;return angle;/返回計(jì)算得出的角度int BinaryFilter(int sensor)int nowReturn = 0;/本次的返回值變量static int lastReturn = 0;/上一次的返回值static int sensorPre = 0x038;int mask = 0; /the filter

44、 to remove the disturb sensor中間變量33第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告int sensorMask = 0x000;/the sensor state after filtersensorPre = gl_sensorPre;if(gl_blackCount = 0)gl_narrowMode = 0;if(sensorPre & 0x003) != 0) && (sensorPre & 0x180) = 0)sensorPre = 0x001;nowReturn = -100;else if(sensorPre & 0x

45、003) = 0)&&(sensorPre&0x180)!=0)sensorPre = 0x100;nowReturn = -200;elseif(gl_mustBeNarrow%2) = 1)if(gl_angle >0)nowReturn = -100;340參考文獻(xiàn)else if(gl_angle < 0)nowReturn = -200;elsenowReturn = lastReturn;elsenowReturn = lastReturn;else if(gl_blackCount > 0) && (gl_blackCoun

46、t <= 3)if(gl_blackCount = 3) && (gl_narrowMode>2)gl_narrowMode = 0;sensorPre = gl_sensorResource;nowReturn = sensorPre;35第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告elsegl_narrowMode = 0;mask = (sensorPre << 1) | sensorPre | (sensorPre >> 1);sensorMask =sensor & mask;if(sensorMask != 0)sensorPre =

47、 sensorMask;nowReturn = sensorPre;/*yi xia gang jia*/if(lastReturn = -200)&&(sensor&0x00f)!=0)sensorPre = 0x180;nowReturn = -200;else if(lastReturn = -100)&&(sensor&0x1e0)!=0)sensorPre = 0x003;nowReturn = -100;/*/360 參考文獻(xiàn)elseif(lastReturn = -100) | (lastReturn = -200)gl_outNa

48、rrow = 0;nowReturn = lastReturn;else if(sensorPre & 0x183) = 0) && (sensor & 0x183) != 0)gl_outNarrow = 1;sensorPre = sensor;nowReturn = sensor;/*yi xia gang jia*/else if(lastReturn&0x1e0)!=0)&&(lastReturn&0x00f)=0)&&(sensor&0x1e0)=0)&&(sensor&

49、0x00f)!=0)sensorPre = 0x100;nowReturn = -200;elseif(lastReturn&0x1e0)=0)&&(lastReturn&0x00f)!=0)&&(sensor&0x1e0)!=0)&&37第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告(sensor&0x00f)=0)sensorPre = 0x001;nowReturn = -100;/*/elsegl_outNarrow = 0;nowReturn = lastReturn;else/gl_blackCount > 3

50、if(lastReturn = -100) | (lastReturn = -200)nowReturn = lastReturn;elseif(lastReturn = 256) | (lastReturn = 1)380參考文獻(xiàn)nowReturn = lastReturn;elsegl_narrowMode+;mask = (sensorPre << 1) | sensorPre | (sensorPre >> 1);sensorMask =sensor & mask;if(sensorMask != 0)sensorPre = sensorMask;nowReturn = sensorPre;elsesensorPre = (sensorPre << 1) | sensorPre | (sensorPre >> 1);nowReturn = lastReturn;39第五屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告gl_sensorPre= sensorPre;lastReturn = nowReturn;retur