飞思卡尔智能车竞赛策略和比赛方案综述
一、 起源：
“飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。因而该竞赛是涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的比赛。
该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，自2006年首届举办以来，成功举办了五届，得到了教育部吴启迪副部长、张尧学司长及理工处领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区200余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年第三届被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中9个科技人文竞赛之一（教高函[2007]30号文，附件2），2009年第四届被邀申请列入国家教学质量与教学改革工程资助项目。
分赛区、决赛区比赛规则
在分赛区、决赛区进行现场比赛规则相同，都分为初赛与决赛两个阶段。 在计算比赛成绩时，分赛区只是通过比赛单圈最短时间进行评比。决赛区比赛时，还需结合技术报告分数综合评定。
1．初赛与决赛规则 1）初赛规则
比赛场中有两个相同的赛道。
参赛队通过抽签平均分为两组，并以抽签形式决定组内比赛次序。 比赛分为两轮，两组同时在两个赛道上进行比赛，一轮比赛完毕后，两组交换场地，再进行第二轮比赛。 在每轮比赛中，每辆赛车在赛道上连续跑两圈，以计时起始线为计时点，以用时短的一圈计单轮成绩；每辆赛车以在两个单轮成绩中的较好成绩为赛车成绩；计时由电子计时器完成并实时在屏幕显示。
从两组比赛队中，选取成绩最好的25支队晋级决赛。 技术评判组将对全部晋级的赛车进行现场技术检查，如有违反器材限制规定的（指本规则之第一条）当时取消决赛资格，由后备首名晋级代替； 由裁判组申报组委会执委会批准公布决赛名单。
初赛结束后，车模放置在规定区域，由组委会暂时保管。
竞赛简介
2）决赛规则
参加决赛队伍按照预赛成绩进行排序，比赛顺序从第25名开始至第1名结束。 比赛场地使用一个赛道，决赛赛道与预赛赛道形状不同，占地面积会增大。 每支决赛队伍只有一次比赛机会，在跑道上跑两圈，以计时起始线为计时点，以最快单圈时间计算最终成绩；计时由电子计时器完成并实时在屏幕显示。
预赛成绩不记入决赛成绩，只决定决赛比赛顺序。 比赛过程规则
按照比赛顺序，裁判员指挥参赛队伍顺序进入场地比赛。同一时刻，一个场地上只有一支队伍进行比赛。
在裁判员点名后，每队指定一名队员持赛车进入比赛场地，将赛车放置在赛道出发区。裁判员宣布比赛开始后，赛车应在30秒之内离开出发区，沿着环形赛道黑色引导线连续跑两圈，由计时起始线两边传感器进行自动计时。跑完后，选手拿起赛车离开场地。
如果比赛完成，由计算机评分系统自动给出单圈最好成绩。
二、
智能车软硬件设计要求
1. 须采用统一指定的车模。。
2. 须采用限定的飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为唯一控制处理器 如果损毁了车模中禁止改动的部件，需要使用相同型号的部件替换。 车模改装完毕后，尺寸不能超过250mm 宽和400mm长，高度无限制。
附件一：智能竞赛车模的规定
禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎； 禁止改动驱动电机的型号及传动比； 禁止改造滚珠轴承；
禁止改动舵机，但可以更改舵机输出轴上连接件； 禁止改动驱动电机以及电池，车模主要前进动力来源于车模本身直流电机及电池；
为了车模的行驶可以安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。 附件二：电路器件及控制驱动电路限制
核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以采用MC9SDG128自制控制电路板,除了DG128MCU之外不得使用辅助处理器以及其它可编程器件；
伺服电机数量不超过 3个；
传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元计为1个传感器，CCD传感器记为1个传感器）； 直流电源使用大赛提供的电池； 禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力； 全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。 可以选择参数；
开发软件可以选择CodeWarrior 3.1，也可以另行选择；开发调试硬件可以选择秘书处统一提供的 BDM工具，也可以另行选择； 电路所使用元器件（传感器、各种信号调理芯片、接口芯片、功率器件等）种类与数量都可以自行设计选择。
附件三：赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局） 赛道路面用专用白色基板制作，在分赛区以及决赛区进行初赛阶段时，跑道所占面积不大于5000mm* 7000mm，跑道宽度不小于600mm；决赛阶段时跑道面积可以增大。赛道路面制作材料型号会在网站给出。
跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm； 跑道最小曲率半径不小于500mm； 跑道可以交叉，交叉角为90°；
赛道直线部分可以有坡度在15度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。 赛道有一个长为1000mm的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与结束时刻。
三、CCD、电磁组比赛方案综述 1、CCD
1 .1 数据采集算法
检测路径参数可以使用多种传感器件,如光电管阵列、CCD 图像传感器、激光扫描器等。各种检测方法都有相应优缺点,其中最常使用的方法为光电管阵列和CCD图像传感器。如何有效利用单片机内部资源进行路径参数检测,是确定检测方案的关键。[1]CCD 传感器是一种新型光电转换器件,它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便可在CCD 内作定向传输而实现自扫描。CCD 有面阵和线阵之分,面阵是把CCD 像素排成1 个平面的器件;而线阵是把CCD 像素排成1 直线的器件。本设计中使用线性CCD 作为图像传感元件。在本设计中选用TSL1401CL 线性CCD,TSL1401CL线性传感器阵列由一个128×1 的光电二极管阵列、相关的电荷放大器电路和一个内部的像素数据保持器构成。该阵列由128 个像素组成,其中每一个像素的光敏面积为3 524.3 μm2 ,像素之间的间隔是8 μm。该芯片操作简单,只需要一个串行输入信号和一个时钟信号即可进行数据的读取。在 该曝光时间自适应策略就是一个典型的闭环控制,控制对象是线性CCD 模块的曝光时间,反馈是线性CCD 感应到的曝光量。调节的目标是设定曝光量。控制器的工作原理是将设定的曝光量减去实际曝光量,差值即为曝光量的偏差e,曝光量调节器用Kp 乘以e 再加上上次的曝光时间作为新的曝光时间进行曝光,曝光时间调整后直接影响实际反馈的曝光量,如此反复进行调节就能达到适应环境光的目的。我们的做法是取一次采集到的128 个像素电压的平均值作为曝光量当量,设定的曝光量也就是设定的128 像素点平均电压。
1 .2 数据处理算法
在图像处理中,采用边缘检测法检测赛道。因为赛道采回图像电压值不同,白色赛道与黑色赛道边缘的交界处会出现图像的凹槽,也就是图像数值的下降沿。将CCD的128 个图像点进行坐标标注,由0~127,就可以确定出两边黑线的左右值。得到左右坐标,根据公式“中线=(左坐标+右坐标)/2”,就提取到了中线。当然还要考虑边线丢失的情况,我们采取补线的策略,如果这一时刻坐标丢失就采用上一时刻未丢失的坐标代替,这样无论在十字弯、直道、弯道还是虚线,都可以实现很好的识别与控制,适应各种不同的赛道要求。对电机的控制上,采用传统的PID 控制算法。PID 控制是最早发展起来的控制策略之一。PID 控制器综合了关于系统过去(I)、现在(P)和未来(D)三方面的信息,控制效果令人满意。工业控制95%以上都采用了PID 结构,具有简单、鲁棒性好和可靠性高的优点。其中,所采用的数字PID 算法公式如下:u(k)= Kpe(k)+ K1 Σkj=0 e(j)+KD [ e(k)-e(k-1)] 综上所述,在小车控制系统的闭
环部分均采用了传统数字PID 算法或改进型智能PID 算法。2 双速度控制算法方案设计
2.1 传统速度控制算法
由于车模的整个行驶过程是时刻变化的,在赛道构成复杂且车模运行速度很高的情况下,对于系统的响应要求很快。因此速度控制必须具有迅速、准确、响应快的特点。由PID 原理知:I(积分项)的迟滞效果会让控制系统响应变慢,因此为适应直立车模高速运行下的各种不同类型赛道,放弃官方设计方案中所推荐的PI 控制,而采用反应更迅速、调节速度更快的PD 控制。直立车模是双电机分别控制左右轮,并且通过左右轮的差速进行转弯。在直立车的电机控制中,PWM 波的输出是由直立控制量、速度控制量与转向控制量共同组成的,即:电机输出量=直立控制量+速度控制量+转向控制量(1)传统速度控制算法中控制公式为:速度控制量=速度设定值-速度测量值=速度设定值-(左轮速度+右轮速度)/2 (2)由上式可知,实际值为左右轮速度的平均值。得到速度控制量同时加给左右电机,即左右电机速度控制量始终相同,由此可知左右电机速度控制量始终相同。在传统速度控制算法下,转向控制量相对于速度控制量来说相当于是一种扰动量。
2.2 双速度控制算法
我们所设计双速度控制的思想如下:左电机输出量= 直立控制量+ 左轮速度控制量+ 转向控制量(3)右电机输出量= 直立控制量+ 右轮速度控制量- 转向控制量(4) 因为在小车行驶过程中,小车保持直立,因此在小车直立行驶状态下,直立值为固定值,所以:左速度控制量= 设定值- 左轮速度测量值(5)右速度控制量= 设定值- 右轮速度测量值(6) 左、右轮速度值均由该轮速度控制量与转向控制量同时给定。由此可知:左轮速度控制量= 设定值-(速度控制量测量值+ 转向控制量测量值)右轮速度控制量= 设定值-(速度控制量测量值+ 转向控制量测量值) 则实际上,转向控制量为速度控制闭环中一部分,在C 语言实现时,将两控制量由同一控制算法计算。最终输出量为:电机输出量= 直立控制量+ 速度与转向控制量 由原理可知,在直道上行驶时,因为转向控制量接近于零,所以传统速度控制与我们所使用双速度控制下的速度输出量相同。转向时,由于图像采集后的PID 控制产生转弯控制量,形成左右轮差速,实现车模转弯。传统速度控制模式下转弯控制量并不受速度控制调整,转弯量相对速度控制参数来说是一种扰动量,在双速度控制算法下,转弯量因对当前轮胎转速造成影响,故受到该轮速度控制调节。双速度控制下,当车模运行转弯时,双速度控 敬请登录网站在线投稿 20 1 4 年第4 期 75制实际上会减缓车模入弯控制速度,加快车模出弯控制速度。实验效果上,因双速度控制减缓车模入弯控制量,则在很大程度上减小了车模因快速入弯而造成的侧滑以及侧翻,而对于出弯的快速调整,使车模可以在出弯后更快地调整车模位置,便于处理连续弯道及出弯后的障碍、虚线、起跑线等特殊赛道情况。因此,双速度控制下,转弯时速度控制量不为零,相当于系统转弯时始终有速度闭环存在,轮子的左右差速由速度闭环控制。在弯道越多时,双速度控制所带来的速度提升越明显,而在连续小S 弯道时所带来的提升不大。在本届智能车竞赛中,对光电平衡车来说,对于速度
提升最大的考验是本届智能车首次加入的障碍部分。障碍部分最大的难点在于,车模直立状态经过障碍时,不可预测是车模的左轮还是右轮先经过障碍。在车模高速行驶经过障碍时,会出现车模腾空、车模电机失速的现象。当电机失速时,车模落地时左右轮哪一个先落地同样不可控,由此车模回归地面速度不可控,造成车模倒地或侧翻。双速度控制在很大程度上可以减小车模在过障碍时的失速。当车模经过障碍时,无论是左轮还是右轮先经过障碍,车轮失速、双速度控制下,双电机的速度控制是独立的,又由于对电机的控制采用调节速度很快的PD 控制,可以控制电机在失速回归地面后迅速调整车身姿态,在车身重心较低情况下,高速通过单个障碍。经反复试验,PD控制下的双速度控制可以很好地克服车模过障碍时对车模产
生的影响,效果很好。
2、电磁组 一、硬件设计 1．电磁传感器
对于电磁组来说．传感器的选择是尤为重要的．最原始的办法用线圈产生磁场的办法去切割跑到上的磁场来检测道路信息．开始因为线圈的缠绕是有要求的．电感的大小也是有要求的．漆泡线的粗细也是有要求的．基于上面的问题，我们实验没有成功。后来。围绕传感器做了很多的实验。做了两个传感器：一个是用三极管傲放大的．另一个是用运放傲放大的．但结果用运放成本高．运放要双电源而且一般的放大器频带窄满足不了要求．所以选择用三极管傲放大。在距离导线50ram的上方放置垂直于导线的IOmH电感．为了能够更加准确测量感应电容式的电压．还需要将上述感应电压进一步放大．一般情况下将电压峰峰值放大到lV一5V左右。就可以进行幅度检测。所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益140db)。最简单的设计。可以只是用一阶共射三极管放大电路就可以满足要求。
2．速度传感器
车模的驱动力来源于一个直流电动机．为了能很好地控制车模的速度。我们引入了闭环控制系统．这就需要车体能实时地或者尽可能快地了解到速度变化。从而对驱动的电压电流进行调整。尽可能快地达到设定速度并且稳定在设定速度上。从往届的参赛队伍经验得知．使用一个增量编码器能很好地解决以上问题．终选择了欧姆龙的180线增量型光电编码器。这款编码器为2相输出。在实际的测试中．让单片机每lOres返回一次传感器的值。当车模在l影秒左右速度时能返回60一70多个脉冲．当大于2．5米能返回170多个脉冲．反复测试反馈准确．稳定。
3．直流电机驱动
电动机产生驱动力。而电机驱动则是产生相应的激励电压和电流．电机驱动是典型的功率驱动部件．为了降低导通内阻。提高带负载能力。采用多个33886并联的方案．由于芯片一致性问题，总是导致一个过热另一个凉．故放弃。33886内部也是采用的。H桥。结构．不如直接制作一个大功率的桥来驱动电动机．这里采用开关电源常用的MOS管组成驱动桥。桥的上臂是P沟道的MOS管而桥的下臂是N沟道的MOS管MOS管的栅极往往需要很高电压才能完全开启．将单片机输出的1’几电平直接通过一个CMOS反向器进行电压放大。让它能足以推动这些MOS管。
二、软件设计
处理器初始化如下模块：锁相环模块、基本输入输出模块、串行通信模块I SCI和SP!)、Ecr中断捕获、PWM模块、R，兀实时时钟模块、脉冲计数器、模数转换器、中断优先级管理模块和定时器部分。锁相环设置。采用的是Mcgsl2XSl28核心。这个核心的标准总线工作频率是40Mhffi．但是在测试发现这个芯片能比较安全超频工作在88Mhffi的频率上。考虑到所有的处理基本都是采用软件实现。处理器同一时间要完威采集、处理、控制三个任务．并且这三个任务使用中断并行工作．故将芯片的总线频率设定在了“MlIz。基本输入输出模块．串行通信模块，ECT中断捕获初的设置．使用PA、PH两个接口作为了策略设置接口．设置包括速度设定。传感器测试。阀值设定以及一些赛场控制策略。PB接口用于状态指示灯。串行通信模块．使用SCI和SP!两个接口．SCI通信主要用于连接Zigbee通信模块用于计算
飞思卡尔智能车竞赛策略和比赛方案综述
