科大中冶1 - 图文

第四届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技 术 报 告 学 校：北京科技大学 队伍名称：科大中冶队 参赛队员： 严林 甘男 练丁榑 带队教师： 张文明 I 引言 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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： II 引言 这份技术报告中，我们通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法，而对单片机具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳动。这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。 在准备比赛的过程中，我们的队员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用，在此要感谢清华大学，感谢他们将这项很有意义的科技竞赛引入中国；也感谢北京科技大学相关单位对此次比赛的关注，我们的成果离不开学校的大力支持及指导老师悉心的教导；还要感谢的是和我们一起协作的队员们，协助，互促，共勉使我们能够走到今天。 - 1 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 目录 引言 .............................................................................................................. - 1 - 目录 .............................................................................................................. - 2 - 第一章、方案设计 ........................................................................................ - 1 - 1.1系统总体方案的选定 ................................................................................. - 1 - 1.2系统总体方案的设计 ................................................................................. - 1 - 第二章、智能车机械结构调整与优化 ............................................................ - 3 - 2.1智能车车体机械建模 ................................................................................. - 3 - 2.2智能车前轮定位的调整 ............................................................................. - 4 - 2.2.1主销后倾角 ...................................................................................... - 4 - 2.2.2主销内倾角 ...................................................................................... - 4 - 2.2.3车轮外倾角 ...................................................................................... - 4 - 2.2.4 前轮前束 ......................................................................................... - 4 - 2.3智能车转向机构调整优化 ......................................................................... - 5 - 2.4智能车后轮减速齿轮机构调整 ................................................................. - 7 - 2.5轮胎的选用 ................................................................................................. - 8 - 2.6其它机械结构的调整 ................................................................................. - 9 - 第三章、电路设计说明 ................................................................................. - 11 - 3.1 主控板的设计 .......................................................................................... - 11 - 3.1.1 电源管理模块 ............................................................................... - 11 - 3.1.2 电机驱动模块 ............................................................................... - 11 - 3.1.3 主控板设计 ................................................................................... - 14 - 3.1.4 传感器接口模块 ........................................................................... - 15 - - 2 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 3.2 智能车传感器模块设计 .......................................................................... - 15 - 3.2.1光电传感器的原理 ........................................................................ - 15 - 3.2.2 激光传感器的设计 ....................................................................... - 15 - 第四章、智能车控制软件设计说明 ............................................................. - 17 - 4.1光感器的路径精确识别技术 ................................................................... - 17 - 4.1.1 光电传感器路径识别状态分析 ................................................... - 17 - 4.1.2 光电传感器路径识别算法 ........................................................... - 19 - 4.2弯道策略分析 ........................................................................................... - 20 - 4.3弯道策略制定 ........................................................................................... - 21 - 第五章、开发工具、制作、安装、调试过程说明 ........................................ - 23 - 5.1 开发工具 .................................................................................................. - 23 - 5.2 调试过程 .................................................................................................. - 23 - 5.3 上位机监控 .............................................................................................. - 24 - 第六章、模型车的主要技术参数说明 .......................................................... - 26 - 6.1 智能车外形参数 ...................................................................................... - 26 - 6.2 电路部分参数 .......................................................................................... - 26 - 6.3 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量 .......................... - 26 - 结论 ............................................................................................................ - 27 - 参考文献 .................................................................................................... - 28 - - 3 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 第一章、方案设计 本章主要简要地介绍智能车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章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车控制系统进行深入的介绍分析。 1.1系统总体方案的选定 通过学习竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到，路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。而目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传感器和CCD/CMOS传感器。光电传感器寻迹方案的优点是传感器信号处理速度快，能够有更多的总线资源进行复杂算法的运行，但是突破前瞻的束缚是决定速度的关键所在；CCD摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理却比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行处理和识别，加快处理速度及对赛道反光问题的处理是摄像头方案的难点。在比较了两种传感器优劣之后，考虑到北科大前三届强大的技术积累，决定选用应用光电传感器，相信通过选用成熟的大前瞻光电传感器，加之先进的程序控制算法和较快的信息处理速度，光电传感器还是可以达到极好的控制效果的。 1.2系统总体方案的设计 竞赛规则规定，智能车系统采用飞思卡尔的16位微控制器MC9S12XS128单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。在选定智能车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方的光电传感器采集，经XS12 MCU的I/O口处理后，用于赛车的运动控制决策，同时内部Pulse-Width 模块发出PWM波，驱动直流电机对智能车进行加速和减速控制，以及多个伺服电机对赛车各个部位的转向进行控制，使赛车在赛道上能够自主行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能车后轴上安装光电编码器，采集车轮转速的脉冲信号，经MCU捕获后进行模糊PID自动控制，完成智能车速度的闭环控制。此外，还增加了键盘作为输入输出设备，用于智能车的角度和方位控制。系统总体方框图如图1.2。 图1.2系统总体方框图 - 1 - 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 根据以上系统方案设计，赛车共包括七大模块：MC9S12XS128主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、辅助调试模块。各模块的作用如下： MC9S12XS128主控模块，作为整个智能车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能车的控制。 传感器模块，是智能车的“眼睛”，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“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。 电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。 电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。 速度检测模块，检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。 辅助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。 本章重点分析了智能车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计，以及简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统机械结构、控制模块和控制算法等三个方面的实现进行详细介绍。 - 2 - 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 第二章、智能车机械结构调整与优化 智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，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和提高。本章将主要介绍智能车车模的机械结构和调整方案。 2.1智能车车体机械建模 此次竞赛选用的智能车竞赛专用车模(G768仿真车模)。智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。智能车的外形大致如下： 图2.2 智能车外形图 其基本的尺寸参数如表2.1： 表2.1 模型车基本尺寸参数 基本尺寸 轴距 前轮距 后轮距 车轮直径 主减传动比 尺寸 198mm 137mm 138mm/146mm 52mm 18/76 - 3 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 2.2智能车前轮定位的调整 2.2.1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之间的夹角[2]。它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。所以，主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在1°到3°。 模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于竞赛所用的转向舵机力矩不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为0°，以便增加其转向的灵活性。 2.2.2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，它的作用也是使前轮自动回正[2]。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于8°，主销内倾的调整应该保持在一个合适的范围，“一般来说0~8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0°~3°左右，不宜太大。 主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，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车轮外倾角 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[2]，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[1]。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，导致车轮联接件损坏。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，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。 模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0°即可，并且要与前轮前束匹配。 2.2.4 前轮前束 所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心- 4 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 线的夹角[2]。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”。在实际的汽车中，一般前束为0~12mm 。 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螺丝钉，固定件又为塑料，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0~2mm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。 智能车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、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于车模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智能车转向机构调整优化 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。 图2.3 智能车转向示意图 如图2.3，假设智能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条直线必然交于一点。 - 5 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 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。 图2.4.1 智能车转向示意图（r50cm） 图2.4.2 智能车转向梯形示意图（r50cm） 图2.4 为智能车在转向半径为50cm的转向前轮及其转向梯形的理论变化情况。可见在转向过程中，中间连杆的长度是变化的（由121.05mm减小到120.11mm），三杆转向机构无法达到这种变化，因此，我们采用五杆转向机构。中间连杆为舵机连片（转向拉杆）。 在模型车制做过程中，赛车的转向是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。转向舵机的转动速度和功率是一定，要想加快转向机构响应的速度，唯一的办法就是优化舵机的安装- 6 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 位置和其力矩延长杆的长度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。经过最后的实际的参数设计计算，最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。 如图3.3，我们最终设计的这套舵机连片（转向拉杆），我们综合考虑了速度与扭矩间的关系，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标。 图3.3 舵机连片（转向拉杆）图 舵机的安装方式目前我们实验室较为主流的是直立式安装和倒置式安装。都采用图3.3的舵机连片。然而舵机与连片的啮合是类似齿轮的啮合，由于连片的长度的以及齿宽的影响，很难调节到合适的舵机机械中值。为了弥补这种连片的缺陷，我采用了可调中值的舵机连片。 图3.4 舵机连片（中值可调）图 2.4智能车后轮减速齿轮机构调整 模型车后轮采用RS-380SH 电机驱动，电机轴与后轮轴之间的传动比为 18：76（电机轴齿轮齿数为18，后轴传动齿数为76）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最终成绩。调整的原则是：两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，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，- 7 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 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，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。 2.5轮胎的选用 模型车在高速的条件下（2.3m/s~3.5m/s），由于快速变化的加减速过程，使得模型车的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力。在实验中调试表明，赛车在高速下每跑完一圈，轮胎与轮辋之间通常会产生几个厘米的相对位移，严重影响了赛车的加速过程。为了解决这个问题，我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。 轮胎的参数如下： 滚动阻力系数：车速达到某一临界速度，滚动阻力迅速增大，轮胎发生驻波现象。气压降低时f值迅速增加。 附着系数：主要决定于道路的材料，路面的状况和轮胎的结构、胎面花纹、材料以及汽车运动的速度等因素。良好、平整的沥青路面上，有胎面花纹的轮胎，其附着性能比无胎面花纹的轮胎光整的轮胎要好，车速也有影响。有的路面差别小。胎面花纹深度减小，附着系数显著下降。增大轮胎与地面的接触面会提高附着能力。 侧偏刚度：高宽比小的轮胎可以提高侧偏刚度。气压增大，侧偏刚度增加，气压过高，刚度不再变化。 因此，在选用轮胎时，可以根据简单的测试（轮胎测试实验），选择性能较好的轮胎使用。 附：轮胎测试实验原理和相关数据； 原理：用滑动摩擦系数近似于附着系数，用滚动摩擦系数近似于滚动阻尼系数，推算出车的加速性能和附着能力。 实验条件： 试验车模重心分布参数（mm） b L a（a=L-b） 97.304 200 102.7 轮胎状态（单位：N） 后轮压力 前轮压力 载荷G 地面对前轮法向反作用力Fzf 地面对后轮法向反作用力Fzr 5.4 5.32 7.6342 3.714 3.91 - 8 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 实验数据： 轮胎测试工况及数据（单位：N） 四轮均未抱死 0.45，0.40，0.25，推：0.20，0.22， 四轮均抱死 前轮抱死 后轮不抱死 后轮抱死 前轮不抱死 14.40，13.60，13.20，13.00 第一次擦轮：6.45,6.35,6.48,6.30,5.89,5.64,5.60,5.47,5.40 第二次擦轮：6.40，8.10（几分钟后），8.10，7.60，7.15，7.10，6.40，6.90，6.95，6.80 13.5，12.30，12.51，12.30，10.72，11.42，11.23，11.33，12.00，12.50，11.60，12.90 2.6其它机械结构的调整 另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说底盘、车身高度、悬架等。 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，降低地盘时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。但由于新赛道中加入了窄道，从宽道到窄道的连接处，有一5mm厚的凸起部分，为了能够安全的通过，并不使地盘受到不必要的磨损和震荡，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增加前轮的垫片和换用后轮高位安装卡片来实现。本次比赛组委会提供的智能车模型中，将四轮悬挂机构简化为一根连接车体前部与后部的悬架弹簧。在实际运用中可以通过增加垫片的办法将底盘刚度调整的更紧，从而使得智能车前后连接更加稳定，提高传动效率。 此外，我们还对模型车的前后悬架弹簧的预紧力进行调节，选用不同弹性系数的弹簧等方法进行了改进。前轮悬架弹簧选用弹性系数低的弹簧，减震效果越好，但对转向的影响越大，转向会变得不灵敏，而且弹簧容易失效。而选用弹性系数高的弹簧会造成减震效果太弱，车身处于不稳定状态，产生激振，对传感器的接受造成影响。因此，弹簧的选用需慎重。我们采用模型原装弹簧，效果良好。 在车的调试过程中，由于电源等原因，车的实际速度与程序所给的值往往有区别，于是，我们采用了光电编码器。光电编码器的安装如图。通过光电编码器，程序可以调整电机的PWM波来控制车速。 在试验中由于五轮的安装占据了上面光电编码安装方式的空间，故采用了两面同时固定的光电编码器安装方式，其加工图如下： - 9 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 电机安装：电机安装可以采用电机下降的安装方式，能有效降低重心。示意图如下： - 10 - 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 第三章、电路设计说明 3.1 主控板的设计 3.1.1 电源管理模块 图3.1 电源管理模块原理图 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。 竞赛规则规定，比赛使用智能车竞赛统一配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd供电，而单片机系统、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要5V电源，为提高伺服电机响应速度，采用7.2V 供电，直流电机可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池直接供电。 +5V_D电源模块用于为数字系统即：单片机系统、磁藕隔离芯片、键盘、无线模块儿等供电。常用的电源有串联型线性稳压电源和开关型稳压电源两大类。前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却比较复杂，电路的纹波大。对于单片机，需要提供稳定的5V电源，由于TPS7350的稳压的线性度非常好，所以选用TPS7350单独对其进行供电；而其它模块则需要通过较大的电流，而LM2940-5，转换效率高，带载能力大，对其它模块供电还是能保证充足的电源。利用TPS7350和LM2940-5对控制系统和执行部分开供电，可以有效地防止各器件之间发生干扰，以及电流不足的问题，使得系统能够稳定地工作 3.1.2 电机驱动模块 常用的电机驱动有两种方式：一、采用集成电机驱动芯片。二、采用N沟道MOSFET和专用栅极驱动芯片设计。市面上常见的集成H桥式电机驱动芯片中，飞思卡尔公司的- 11 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 33886型芯片性能较为出色，该芯片具有完善的过流、欠压、过温保护等功能，内部MOSFET导通电阻为120毫欧，具有最大5A的连续工作电流。使用集成芯片的电路设计简单，可靠性高，但是性能受限。由于比赛电机内阻仅为430毫欧，而集成芯片内部的每个MOSFET导通电阻在120毫欧以上，大大增加了电枢回路总电阻，此时直流电动机转速降落较大，驱动电路效率较低，电机性能不能充分发挥。 由于分立的N沟道MOSFET具有极低的导通电阻，大大减小了电枢回路总电阻。另外，专门设计的栅极驱动电路可以提高MOSFET的开关速度，使PWM控制方式的调制频率可以得到提高，从而减少电枢电流脉动。并且专用栅极驱动芯片通常具有防同臂导通、硬件死区、欠电压保护等功能，可以提高电路工作的可靠性。 一 专用栅极驱动芯片的选择：专用栅极驱动芯片的选择： IR公司号称功率半导体领袖，所以我们主要在IR公司的产品中进行选择。其中IR2104型半桥驱动芯片可以驱动高端和低端两个N沟道MOSFET，能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功能。使用两片IR2104型半桥驱动芯片可以组成完整的直流电机H桥式驱动电路。由于其功能完善，价格低廉容易采购，所以我们选择它进行设计，如图4所示： 图4 IR2104应用图 二 MOSFET的选择：的选择： 选择MOSFET时主要考虑的因素有：耐压、导通内阻和封装。智能车电源是额定电压为7.2V的电池组，由于电机工作时可能处于再生发电状态，所以驱动部分的元件耐压值最好取两倍电源电压值以上，即耐压在16V以上。而导通内阻则越小越好。封装越大功率越大，即同样导通电阻下通过电流更大，但封装越大栅极电荷越大，会影响导通速度。常用的MOSFET封装有TO-220、TO-252、- 12 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 SO-8等，TO-252封装功率较大、而栅极电荷较小。于是我们最终选择了IR公司TO-252封装的IRF3205型N沟道MOSFET，VDSS = 55伏、RDS(on) = 8.0毫欧、ID = 110安。 三 控制逻辑电路设计：控制逻辑电路设计： IR2104的控制信号有两个管脚：IN和SD。其真值表如表1所示： 表1 IR2104输入输出信号真值表 输入 IN H L L H SD H H L L HO H L L L 输出 LO L H L L 而当两片IR2104驱动如图5所示可逆桥式电路时，其真值表为表2： 图5 可逆桥式电路应用图 - 13 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 表2 可逆桥式电路中IR2104输入输出信号真值表 状态 IN1 正转 反转 上桥臂制动 下桥臂制动 关闭 X L L H H L H 输入 SD1 H H H IN2 L H H SD2 H H H HO1 H L H 输出 LO1 L H L HO2 L H H LO2 H L L L H L H L H X L L L L L 3.1.3 主控板设计 智能车控制系统主控电路图3.3： 图3.3主控板电路图 - 14 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 3.1.4 传感器接口模块 从简洁的设计角度，我们直接从微控制器的电源线上串联上限流电阻，再和光电传感串联使用。限流电阻既在光电传感器检测时起到了上拉电阻的作用。和微控制器共地，简化了电路结构。 3.2 智能车传感器模块设计 在确定智能车总体方案时，我们选择光电传感器的方案。为了获得更大前瞻距离，为控制系统后续处理赢得更多的时间，在从众多光电传感器中选择了大前瞻的激光传感器，前瞻距离可以达到普通光电传感器的数倍甚至十几倍，完全满足竞赛的要求。 3.2.1光电传感器的原理 光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管[13]。由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来。 图3.6 光电传感器原理 3.2.2 激光传感器的设计 激光传感器与普通的光电传感器原理都是一样，但是其前瞻能力远大于普通的光电传感器，可以达到40-50厘米，对于智能车来说已经足够。 在竞赛中，规则规定传感器最多不能超过16个，我选用了1５个激光传感器，所有的传感器呈“一”字排布。激光传感器由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部份。发射部份由一个振荡管发出180KHz频率的振荡波后，经三极管放大，激光管发光；接收部份由一个相匹配180KHz的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入S12单片机的PA与PＭ口，检测返回电压的高低。由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。 - 15 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图3.7 激光传感器发射与接收电路 为了简化15路激光传感器的控制，减少激光传感器相互之间的干扰，传感器的控制采用了分时发光的策略，使用74LS154作为分时控制器，由S12的3个IO口来控制7组传感器的开断，同一时间控制每组相隔最远的两路传感器发光，这样接收管就接收不到相邻传感器发射的激光了，因而达到了防止相互传感器之间干扰的目的。 - 16 - 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 第四章、智能车控制软件设计说明 4.1光感器的路径精确识别技术 在智能车系统中，光电（激光）传感器就是整个系统的“眼睛”，其对于路径的识别在控制系统中尤为重要。 4.1.1 光电传感器路径识别状态分析 由于往届竞赛对光电传感器排布方式研究已经比较深入，传统的“一”字型排布方式在众多排布方式中效果显著，是最常用的一种排布方式。模型车也充分利用了往年的成熟的传感器技术。 图4.1 模型车激光传感器一字排布图 对于我们模型车，传感器在赛道上可能的状态有：在普通的赛道处、在起点处、在十字交叉线处，分别如下图（并未列出所有的状态图），下面将分别进行分析。 图4.2激光传感器在普通赛道上 - 17 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图4.3 激光传器在起点处 图4.4 激光传感器在十字交叉线处 为了识别赛车是处于什么样状态下，用于进行赛道记忆和速度控制，对于我们的数字型激光传感器，每个传感器只有0与1 两种状态，我们分别把1５路传感器标记为1到14号传感器，每个传感器又可以对应一个是否在黑线上的标志位，分别为Sen_Flag[0]到Sen_Flag[13]，相应在黑线上为1，不在黑线上为0，从而通过对任一时刻传感器标志位的读取就可以知道此时模型车的状态。 为了精确地识别起跑线和十字交叉线，在程序设计时还定义了一个名为Sen_ChangeCount的变量，表示传感器状态变化（由1变为0和由0变为1）的次数。 从上面的传感器状态图中可以轻松看出，在普通赛道上出除了赛车移出赛道之外传感器变化次数都为2次，而在起跑线处模型车的传感器状态变化次数为4次，在十字交叉线时传感器状态变化次数为0次。 为了进一步把各种状态分开，在程序中还定义了变量Sen_FlagCount，用于统计所有传感器状态标志位之和，即在黑线上的传感器的数目。结合以上几个变量，就可以准确地分清各个传感器状态了。各个传感器状态如下表： - 18 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 表4.1 传感器状态判定表 模型车状态 起跑线处 十字交叉线处 在普通赛道上 未移出黑线 在普通赛道上 移出黑线 通过上表，就可以轻松地把模型车任一时刻的传感器状态识别出来，也为赛道记忆识别起点等提供的必要的保障。 0 0 Sen_ChangeCount 4 0 2 Sen_FlagCount >=8且<=11 =14 >=1且<=3 4.1.2 光电传感器路径识别算法 路径识别算法是我们使用的是模糊算法，这种算法的优点是能够根据传感器返回的状态值，得到车的重心偏离黑线的程度，还可以通过一定的算法，计算出舵机的转向角度，并且在一定程度上具有抗拒微小干扰的能力。具体算法介绍如下： 图4.5 传感器重心取值分配图 （1）、将每个传感器进行加权处理，给相应各个传感器的权重值。 （2）、当传感器检测到黑线时相应的传感器返回所在的权重值，并计算所有传感器的平均加权值，即偏离程度。计算公式为: Sen_Jiaquan= ∑Sen_QuanZhong[i]×Sen_Flag[i]∑Sen_Flag[i] 式(4 .1) 式中，Sen_Flag[i]为对应传感器的状态值，Sen_QuanZhong[i]为对应传感器的权重值，Sen_Jiaquan为传感器的加权平均值。 for(i=0;i<14;i++) { Sen_Jiaquan+=(Sen_Flag[i]*Sen_QuanZhong[i]); Sen_FlagCount+=Sen_Flag[i]; } Sen_Jiaquan= Sen_Jiaquan /Sen_FlagCount; 由上程序段即可以计算出此时模型车传感器的加权平均值，由此可以得到模型车的状- 19 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 态，为下一步控制决策提供必要的信息。 （3）、建立偏离程度和舵机转动角度所对应的PWM脉宽关系的模型，拟合二者的函数关系曲线。 在这里我们认为舵机转动的角度是和PWM脉宽成线性的正比关系，因此以一次函数来唯一确定PWM脉宽与舵机转动角度之间的关系。 建立的一次函数方程为： TurnAngle=PWMMiddle+Sen_Jiaquan×PWMHalfFactor 式4 .2) 式中，TurnAngle为舵机应转的角度，PWMMiddle为车轮摆正是舵机PWM脉宽应赋的PWMDTYx的值，Sen_Jiaquan为由传感器状态求得的偏离程度，PWMHalf为舵机由中心摆到车轮允许的最大值PWMDTYx的变化值，Factor 为影响比例因数。由此，我们求出了在不同的传感器状态下舵机应转的角度。 4.2弯道策略分析 在车辆进弯时，需要对三个参数进行设定：切弯路径、转向角度、入弯速度。 其中，切弯路径主要决定了车辆是选择内道过弯还是外道过弯。切内道，路经最短，但是如果地面附着系数过小会导致车辆出现侧滑的不稳定行驶状态，原因是切内道时，曲率半径过小，同时速度又很快，所以模型车需要的向心力会很大，而赛道本身是平面结构，向心力将全部由来自地面的摩擦力提供，因此赛道表面的附着系数将对赛车的运行状态有很大影响。切外道，路径会略长，但是有更多的调整机会，同时曲率半径的增加会使得模型车可以拥有更高的过弯速度。 转向角度决定了车辆过弯的稳定性。合适的转向角度会减少车辆在转弯时的调整，不仅路径可以保证最优，运动状态的稳定也会带来效率的提高，减少时间。在考虑转向角度设置时需要注意以下几个问题：对于检测赛道偏移量的传感器而言，在增量较小时的转向灵敏度；检测到较大弯道时的转向灵敏度；对于类似S弯的变向连续弯道的处理。 对于入弯速度的分析，应该综合考虑路径和转向角度的影响。简单而言，我们会采取入弯减速，出弯加速的方案，这样理论上可以减少过弯时耗费的时间。然而，在过去几届比赛中，通过观察各参赛车对弯道的处理后，我们发现并不是所有人都选择了相同的方案。正如前面说到的那样，不联系路径和转向角度，只是单纯地分析过弯速度，会造成思路的局限甚至错误。例如，在不能及时判断入弯和出弯的标志点就采取“入弯减速、出弯加速”的方案，会出现弯道内行驶状态不稳定、路径差，同时出弯加速时机过晚，一样会浪费时间。所以现在本系统参考实际驾驶时的一些经验，对过弯速度的处理方式确定为：入弯时急减速，以得到足够的调整时间，获得正确的转向角度；在弯道内适当提速，并保持角度不变，为出弯时的加速节约时间；出弯时，先准确判断标志，然后加速，虽然会耗费一些时间，但是面对连续变向弯道可以减少判断出错的概率，保证行驶状态的稳定性，而且弯道内的有限加速对后面的提速也有很大的帮助。综合考虑用可以接收的额外时间换回行驶稳定性还是值得的。 下面以常见的几种弯道转角处理方式解释各方案的优缺点，其中，横坐标表示由传感器采集回来的赛道中心线相对赛车中心线的偏移量，纵坐标表示转角大小。 - 20 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 偏移量ab偏移量c偏移量偏移量de偏移量 图4.6弯道转角处理方式 a图表示偏移量与转向角度呈线性关系，在计算及程序编写上都比较简单，也可以实现控制赛车行驶的目标，但是由于规则制定比较简单，对赛车实际行驶状态的分析不够全面，所以在实际应用时不能简单套用。 b图表示的是在赛车略微偏离赛道中心时，不要对行驶方向作太大调整，而是在当偏离度大到预定值时急速调整转角以保证过弯的及时，同时在以判断出是急弯后，也不要进行大的变动，因为此时转角的值已经很大，仅需对舵机进行微调就可以保证方向的正确性。这种方案的优点是综合考虑了赛车对个弯道的适应程度，同时保证了在直线行驶时的稳定性，和抗干扰性，但是对急弯的响应可能不够及时，这是该方案的主要缺点。 c图表示的对弯道的处理方案与B图恰好相反，它提高了相应灵敏度，降低了抗干扰性，对于多弯道，且弯道曲率半径较小的赛道有比较好的适应性。 d、e图是两种比较特殊的处理方案，它们不能用于赛车的全程控制，只是考虑到赛车的实际运行特点对某部分的偏移量有特别要求是使用。对于传统四轮车辆，转向时前轮有比较严格的角度关系，而它们的得到是由转向系统决定的。这样两套系统都对某个值做出了限制，必然会有矛盾，在车由0度转到最大转角时，并不是每时每刻都能同时满足两种条件的限制，那么为了赛车行驶的稳定性，我们可能会在小范围内对转角波动，以得到附近最合适的转角值，减小矛盾。 4.3弯道策略制定 在智能车比赛中，我们使用的是通用二输入一输出系统，其中两个输入量是中心线偏移量，和相邻两次检测的偏移量差值；输出量可以分别选用舵机转角值和速度输出值做两套系统。 中心线偏移量的隶属度函数表为9级： - 21 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 表4.2中心线偏移量的隶属度函数表 Lable 下底小值 下底大值 左腰斜率 右腰斜率 1 0 9 255 28 2 7 17 51 51 3 16 28 42 42 4 24 40 32 32 5 37 49 42 42 6 46 58 42 42 7 55 71 32 32 8 68 82 36 36 9 80 65535 25 255 偏移量差值的隶属度函数表为3级（计算时需要先做加100运算）： 表4.3偏移量差值的隶属度函数表 Lable 下底小值 下底大值 左腰斜率 右腰斜率 速度规则表为： 表4.4速度规则表 big 偏移量差值 big big midbig midbig mid mid lowmid low low 速度精确值为： 表4.5速度精确值 Low 26 转角规则表为： lowmid 32 mid 32 midbig 28 big 37 big midbig 中心线偏移量 midbig mid mid lowmid low low 1 0 90 255 12 2 89 111 23 23 3 110 255 12 255 - 22 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 表4.6转角规则表 tintiny y 偏移tintinysmal量 y 差值 tintiny y 转角精确值为： 表4.7转角精确值 tiny 2 tinysmall 25 small smallmiddle middle middlelarge large 80 135 170 240 320 largehuge 410 huge 510 l tinysmalsmall e smallmiddlmiddle e middlelarglarge huge l small e smallmiddlmiddle e middlelarglarge e largehughuge l tinysmalsmall e 中心线偏移量 smallmiddlmiddle e middlelarglarge e largehug第五章、开发工具、制作、安装、调试过程说明 5.1 开发工具 程序的开发是在组委会提供的CodeWarrior IDE下进行的，包括源程序的编写、编译和链接，并最终生成可执行文件。 CodeWarrior for S12 是面向以HC1和S12为CPU的单片机嵌入式应用开发软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。 5.2 调试过程 在调试过程中，我们开发了用于智能车监测智能车实时状态的智能车实时监测系统。能够方便的监测智能车在运动过程中转角，传感器状态，速度等信息，很大的方便了智能车的调试。 界面如图所示： - 23 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图5.1 赛道模拟结果 真实赛道如图： 图5.2 真实赛道 5.3 上位机监控 - 24 - 第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 此版上位机软件是用C++开发的，在开发过程中参考已有版本“北京科技大学智能车监控系统”进行了界面的改进，代码优化，通信协议优化，形成了现在新的版本——“Monitor and Control”用来进行与赛车的实时通信。 在赛车跑动的过程中实时的观看传感器状态，以及其它的各个性能参数，最后再将其保存。等到需要分析问题，解决一些细节问题时，便可以将已保存的路径信息、传感器信息、速度信息、PID信息、转角信息、一一的对应，以达到分析问题、细节的目的。 如此以来就可以各种信息综合，以分析、总结出最优的控制参数，及帮助找出最好的控制策略，例如黑三角的检测和桥的检测。 程序方框图如下： - 25 - 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 第六章、模型车的主要技术参数说明 6.1 智能车外形参数 车长：３０cm 车宽：17cm 车高：１０cm 车重：约1.０５kg 6.2 电路部分参数 我们小组所改造的智能车采用一块比赛标准7.2V电池供电，电路中共有 ２６个电容，容量总计142.099μF。当模型车全功率开动时，功耗约为50W 。 6.3 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量 除了车模原有的驱动电机、舵机之外使用了２个伺服电机。 - 26 - 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 结论 自三月初报名参加“飞思卡尔”杯智能车邀请赛以来，我们小组成员查找资料，设计机构，组装车模，编写程序，分析问题，最后终于完成了最初目标，定下了现在这个方案。 在此份技术报告中，我们主要介绍了准备比赛时的基本思路，包括机械，电路，以及最重要的控制算法的创新思想。 在机械方面，我们分析了W型，A型，V型等排布方法，考虑到程序的稳定性、简便性，我们最后敲定了一字形排布，并通过反复实践决定了传感器的数量和位置。 在电路方面，我们以模块形式分类，在电源管理，电机驱动，接口，控制，信号采集，传感器这六个模块分别设计，在查找资料的基础上各准备了几套方案；然后我们分别实验，最后以报告中所提到的形式决定了我们最终的电路图。 在算法方面，我们使用C语言编程，利用比赛推荐的开发工具调试程序，经过小组成员不断讨论、改进，终于设计出一套比较通用的，稳定的程序。在这套算法中，我们结合路况调整车速，做到直线加速，弯道减速，保证在最短时间跑完全程。 现在，面对即将到来的大赛，在历时近五个月的充分准备之后，我们有信心在比赛中取得优异成绩。也许我们的知识还不够丰富，考虑问题也不够全面，但是这份技术报告作为我们五个月辛勤汗水来的结晶，凝聚着我们小组每个人的心血和智慧，随着它的诞生，这份经验将永伴我们一生，成为我们最珍贵的回忆。- 27 - 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 参考文献 [1] 邵贝贝. 嵌入式实时操作系统[LC／OS-Ⅱ(第2版)[M]. 北京．清华大学出版社．2004 [2] 邵贝贝. 单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]．北京．清华大学出版社．2004 [3] 王晓明. 电动机的单片机控制[M]．北京. 北京航空航天大学出版社．2002 [4] 臧杰，阎岩. 汽车构造[M]. 北京. 机械工业出版社．2005 [5] 安鹏，马伟．S12单片机模块应用及程序调试[J]. 电子产品世界. 2006．第211期． 162-163 [6] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．北京. 高等教育出版社．2000 [9] 沈长生．常用电子元器件使用一读通[M]．北京. 人民邮电出版社．2004 [10] 宗光华．机器人的创意设计与实践[M]．北京. 北京航空航天大学出版社．2004 [11] 张伟等．Protel DXP高级应用[M]．北京. 人民邮电出版社．2002 [12] 张文春. 汽车理论[M]．北京．机械工业出版社．2005 - 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