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第十一届“恩智浦”杯全国大学生智 能 汽 车 竞 赛技 术 报 告学学校：校：淮南师范学院队伍名称：队伍名称：魅影参赛队员：参赛队员：陶明文陈文韩潘长青带队教师：带队教师：苗磊刘团结IVV目录目录第一章第一章 引言引言-11.1 国内竞赛背景-21.2 国外情况简述-31.3 技术报告内容-3第第二二章章 系统整体结构设计系统整体结构设计-42.1 系统概述-42.2 硬件系统-42.2.1 硬件电路-42.2.2 机械结构调整-52.2.3 车模整体布局-52.3 软件系统-62.3.1 软件系统概述-62.3.2 控制流程图-7第第三三章章 硬件系统整体设计硬件系统整体设计-83.1 硬件电路设计-83.1.1 硬件电路总述-83.1.2 K60 单片机与最小系统-93.1.3 电机驱动模块-103.1.3.1 MOSFET 器件的选择-103.1.3.2 驱动电路的原理与电路设计-103.1.4 速度检测模块-113.1.5 电源管理模块-133.1.6 图像采集模块-143.1.7 辅助调试模块-163.1.7.1 液晶按键模块-163.1.7.2 状态显示灯模块-173.1.7.3 其他模块-173.2 车模整体机械结构-1813.2.1 机械结构调整-183.2.2 车模前轮调整-183.2.2.1 主销外倾角-183.2.2.2 主销内倾角-193.2.2.3 车轮外倾角-203.2.2.4 前轮前束-213.2.3 舵机及支架安装-223.2.4 摄像头及支撑杆安装-233.2.5 编码器安装-233.2.6 主控板及驱动板的安装-243.3 车模防护及保养-26第四章第四章 软件系统整体设计软件系统整体设计-294.1 软件设计方案-294.2 模块初始化-304.3 图像采集及边线提取-314.4 赛道特殊元素识别-314.4.1 十字道-314.4.2 坡道-324.4.3 小 S 弯，大 S 弯-324.4.4 障碍-334.5 控制策略-334.5.1 控制算法概述-334.5.1.1 PID 算法概述-334.5.1.2 Bang-Bang 控制算法-364.5.2 舵机控制策略-364.5.2.1 偏差的计算-364.5.2.2 舵机位置式 PD 控制-364.5.3 驱动电机控制策略-374.5.3.1 开环控制-3714.5.3.2 电机速度增量式 PI+Bang-Bang 闭环控制-374.5.3.3 刹车功能实现-38第五章第五章 开发与调试方法开发与调试方法-395.1 IAR 在线调试工具与 J-Link 使用-395.2 Flash 使用及人机交互面-40第六章第六章 总结与致谢总结与致谢-426.1 车模主要技术参数-426.2 存在问题及解决方案-436.3 心得体会与致谢-43参考文献参考文献-II附录：源程序附录：源程序-III2第一章第一章引言引言1.11.1 国内竞赛背景国内竞赛背景受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导分委员负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。该项赛事从 2006 年开始，在清华大学，东北大学等学校成功举办过九届。全国大学生智能汽车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。本竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。第十一届比赛的题目在沿用原来根据车模识别赛道传感器种类进行划分的基础类组别之上，同时增加了以竞赛内容进行划分的提高类组别，并按照“分赛区普及，全国总决赛提高”的方式，将其中一个类别拓展出创意类组别。第十一届比赛的题目各组别分别如下：基础类包括 B1 光电组、B2 摄像头组、B3 电磁直立组、B4 电轨组；提高类包括 A1 双车追逐组、A2 信标越野组；创意类包括 I1 电轨节能组。参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的 8 位、16 位、32 位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分（省）赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国总决赛区的场地比赛。参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间来决定，参加全国总决赛的队伍同时必须提交车模技术报告。本技术报告主要包括智能车机械结构、智能车硬件系统、智能车软件系统等，详尽地阐述了我们的设计方案与制作过程，智能车的制作过程包含着我们的辛勤努力的过程，这份报告凝聚了我们智慧，是我们团队共同努力的成果。3在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，几个月来的经历，培养了我们机械加工，电路设计与调试、软件编程与算法调试等方面的能力，锻炼了我们知识融合、实践动手的能力，对今后的学习工作都有重要意义。1.21.2 国外情况简述国外情况简述智能车竞赛最早始于韩国，2000 年韩国汉阳大学承办了第一届智能车竞赛，并由飞思卡尔（Freescale）公司赞助，每年有很多支大学生队伍参加比赛。智能车的设计制作，其专业知识设计自动控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机和机械等多个学科，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，以及高等学校控制和汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的产期推动作用。1.1.3 3 技术报告内容技术报告内容此技术文档的正文部分主要包括四个部分：系统整体结构设计（第二章），硬件系统整体设计（第三章），软件系统整体设计（第四章）和开发与调试方法（第五章）。系统整体结构设计部分主要叙述软硬件的设计方案；硬件系统整体设计部分主要叙述各个电路模块的设计思路、电路原理及功能；智能车软件设计部分主要叙述在硬件系统设计的基础之上，智能车对路径信息的识别、速度控制、转向控制等功能的控制算法及程序实现。第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报4第二章第二章 系统整体结构设计系统整体结构设计2.12.1 系统概述系统概述摄像头智能车系统整体结构如下图 2.1 所示：CMOS 图像传感器拍摄赛道 图 像，输 出 PAL 制 式 信 号，奇 偶 场 信 号、行 同 步 信 号 输 入 到MK60DN512VLQ10 微控制器，进行进一步处理获得主要的赛道信息；通过mini 编码器来检测车速，并采用 MK60DN512VLQ10 的 DMA 采集功能进行脉冲计算获得速度；转向舵机采用 PD 控制；驱动电机采用 PID 控制，通过 PWM 控制驱动电路调整电机的功率；而车速的目标值由默认值、运行安全方案和基于图像处理的优化策略进行综合控制。编码器测速模块MK60微控芯片OV775 摄像头模块舵机控制模块驱动电机模块B 车模车身图 2.1 系统框图2.22.2 硬件系统硬件系统2.2.12.2.1 硬件电路硬件电路摄像头组硬件电路主要有：电源给及模块，由三个 3.3V 与一个 5V 稳压芯片电路组成，分别；（1）MK60 最小系统，将芯片的各个端口引出方便接线使用，根据赛道信息进行处理继而控制舵机与电机的驱动；（2）摄像头模块，采用高速 AD 芯片 TLC5510 及广角摄像头组成，在拓展板上带有硬件二值化和信号分离电路；OLED 按键模块5（3）舵机模块，控制舵机的转向打角；（4）驱动电机模块，使用 HIP4082 与 MOS 管搭建的 H 桥全桥电路可以实现电机的正反转；（5）速度检测模块，mini 编码器与芯片的 DMA 的采集功能集合使用测出车模瞬时速度。2.2.22.2.2 机械结构调整机械结构调整由于本次比赛摄像头组采用的是 B 车模，在准备期间我们发现该车模的一些机械结构上的不足，从而进行了一些调整，具体如下：（1）重心，虽然 B 车模对于重心的依赖性不是很大，但是我们依然在电池、主板等安装上尽量降低了重心以提高车模的过弯性能；（2）车模前倾角，B 车模性能的发挥在前轮倾角、前轮松紧度上还是有一定依赖性的，我们经过多次实验最终选定了一个较为合适的经验值；（3）差速，B 车模所采用的差速结构是根据经典的锥形齿轮差速器所改进的，我们通过查阅资料得出该车模差速结构装配的注意事项，从而得到了较好的差速效果；各模块安装，包括：摄像头模块安装，舵机安装，编码器安装等。2.2.32.2.3 车模整体布局车模整体布局好的车模控制基于良好的机械结构，所以一个良好的机械结构对车模行驶状态起到了至关重要的作用，车模的稳定性，适应性，加速性能等不仅与控制算法有关还与良好的机械结构有着密不可分的关系。因此在设计整个软件结构和控制策略之前一定到对车模的机械结构有一个宏观的，清晰的认识，在保证车身尽可能轻的同时要兼顾车身重心，一个好的车身结构可以保证车模在行驶过程中尤其在越坡时机械振动很小，尽可能在形式过程中不发出任何机械振动声音，确保车模的硬件稳定性。整体布局图如下所示：第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报6图 2.2 整体布局图2.32.3 软件系统软件系统2.3.12.3.1 软件系统概述软件系统概述根据摄像头电气特性，即每个 20ms 进行一次中断，每隔 64us 进行一次中断，车模的控制周期定位 20ms,所有的控制算法都是在终端中完成的，在20ms 的前一部分时间里采集数据，后一部分时间处理数据，判断赛道类型，决定控制策略并输出到舵机控制转向与电机控制速度。为了对速度更精准7的控制，还设置了 5ms 的定时中断，即每隔 5ms 读取编码器一次，读出当前速度，根据速度控制策略给出一个速度控制。2.3.22.3.2 控制流程图控制流程图系统控制流程如下图所示：图 2.3 控制流程图场中断行中断定时中断控制电机控制舵机获得赛道信息，处理图像，判断赛道类型，决定控制策略8第三章第三章 硬件系统整体设计硬件系统整体设计3.13.1 硬件电路设计硬件电路设计3.1.13.1.1 硬件电路总述硬件电路总述我们硬件设计的原则：可靠、高效、简洁，选用性能优秀而且性价比好的芯片，设计稳定可靠兼容性好的电路板。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，使本系统工作的可靠性达到了设计要求。高效是指本系统的性能要足够强劲，使用了由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，该驱动器的额定工作电流可以轻易达到几十安培以上，保证了电动机的工作转矩和转速。简洁是指在满足了可靠、高效的要求后，为了尽量减轻整车重量，降低模型车的重心位置，应使电路设计尽量简洁，尽量减少元器件使用数量，缩小电路板面积，使电路部分重量轻，易于安装。下图为硬件主要包含的模块。图 3.1 硬件整体设计第三章 硬件电路设计93.1.23.1.2K60单片机与最小系统单片机与最小系统智能汽车竞赛由美国飞思卡尔半导体公司（前摩托罗拉半导体部）赞助，根据竞赛规则：“必须采用飞思卡尔半导体公司的 8 位、16 位、32 位处理器(单核)作为唯一的微控制器”，所以我们组决定采用飞思卡尔的一款 32 位单片机 K60。MK60DN512 是 Kinetis 系列单片机中的一款增强型 32 位单片机，片内资源丰富，接口模块包括 SPI、SCI、IIC、A/D、FTM 等，在汽车电子应用领域具有广泛的用途。该微控制器系列具有以下性能：IEEE 1588 以太网，全速和高速 USB 2.0 On-The-Go 带设备充电探测，硬件加密和防窜改探测能力。丰富的模拟、通信、定时和控制外设从 100 LQFP 封装 256 KB闪存开始可扩展到 256 MAPBGA1MB 闪存。大闪存的 K60 系列器件还可提供可选的单精度浮点单元、NAND 闪存控制器和 DRAM 控制器。Kinetis 系列微控制器是飞思卡尔公司于 2010 年下半年推出的，是业内首款基于 ARM Cortex-M4 内核的微控制器。MCU 最小系统部分主要包括：MCU 复位、通讯、人机交互、与外围器 件接口。贴片封装及电路设计如图 3.2 所示：图 3.2 最小系统及贴片封装第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报10下表为智能车系统中需要单片机提供的模块：表 3.1 模块及引脚分配：模块名称分配引脚摄像头模块PTB07,PTA2529舵机模块PTD7驱动电机模块PTA10,PTA11编码器PTA12,PTA13液晶案件模块PTC013,PTD1014状态灯PTE253.1.33.1.3 电机驱动模块电机驱动模块优秀的电机驱动设计一般需要满足两个条件，1）给电机提供尽量大的驱动电压，最好能接近电源电压。2）驱动的能量损耗尽可能小。因此器件的选择，电路的设计是关键。3.1.3.13.1.3.1MOSFET器件的选择器件的选择选择 MOSFET 器件时主要考虑的因素有：耐压、导通内阻和封装。智能汽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 2-2.5 倍电源电压值以上，即耐压在 16V-20V 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。3.1.3.23.1.3.2 驱动电路的原理与电路设计驱动电路的原理与电路设计电机驱动我们使用 MOS 管搭成的 H 桥驱动，它的优点是效率高、反应速度快、电流大并且成本较低。在先后尝试了 BTS7970、MC33886 等集成的驱动芯片以及 MOS 管等方案后，并且考虑到 B 车电机在堵转时的电流非常大，我们最终选择 MOS 管 H 桥方案。第三章 车模整体机械结构11基于 H 桥的电机驱动板为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，额定工作电流可以轻易达到百安级，而且内阻很小，大大提高了电动机的工作转矩和转速。由于电机在急减速或 急加速的时候都会将电源的电压拉低，因此需要在电源两端接大电容滤波。该驱动电路，可以让电机处于多种模式下工作。驱动原理图如下：图 3.3MOS电机驱动原理图3.1.43.1.4 速度检测模块速度检测模块测速检测方法可以有多种，现在最常用的采用编码器测速。关于编码器的选取，我们组进行了仔细的讨论，并查阅资料，试验多种方案，最后决定采用光电编码器，光电编码器的原理及分类如下：光电编码器:光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物的转角或直线位移量。它可以继续分类为以下几种：（1）增量式旋转编码器：增量式旋转编码器的定义：用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相联），通过检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度。增量式旋转编码器的特点:编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的；第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报12由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定；由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位。优点:分辨能力强，测量范围大，适应大多数情况；缺点:断电后丢失位置信号，技术专有，兼容性较差；（2）绝对式旋转编码器：绝对式旋转编码器定义:用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量绝对式旋转编码器的特点:在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的；因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据；检测到的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差；优点:结构简单，角行程编码(通过旋转轴获得)，线性编码(激光远距离测量)，掉电不影响编码数据的获得，最大 24 位编码。缺点:价格比较贵。图 3.4 绝对式旋转mini编码器外观智能车提速依靠精确的速度控制，在硬件上，我们采用了 mini 编码器模块。通过编码器实现速度的反馈，通过反馈量能更加准确的实现速度的控制和优化，此类编码器重量轻，能耗低，电路与接线简单，有诸多优势。编码器外围原理图如下：第三章 车模整体机械结构13图 3.5 编码器外围原理图3.1.53.1.5 电源管理模块电源管理模块电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件，电源管理对于依赖电池电源的智能小车是至关重要的。好的电源管理不仅能延长电池的使用寿命，更重要的是保证系统中各模块供电的稳定性，关系到整个系统能否正常工作。电源调节器件通常使用最多的是线性稳压器件如 78xx 系列三端稳压器件。虽然这种线性稳压器具有输出电压恒定或可调、稳压精度高的优点。但是由于其线性调整工作方式在工作中会造成较大的“热损失”其值为 V压降I 负荷，因此一般会导致其电源利用率不高、工作效率低下，不易达到便携式设备对低功耗的要求。与线性稳压器件相比，开关电源调节器以完全导通或关断的方式工作开关电源设计中，通过控制开关管的导通与截止时间，有效的减少工作中的“热损失”，这样保证了较高的电源利用率。开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。同时由于其低功耗特点在进行电路板设计时，可以减少散热片的体积和PCB 板的面积，有时甚至不需要加装散热片，方便了电路设计与使用。但是由于该类型开关电源工作压降要求在 1V 以上的特性，限制了该类型开关电源在某些便携式移动设备上的使用。针对线性稳压电源与开关电源存在较高工作压降的问题使得这两类电源调节器件不易广泛应用于便携式移动设备中。K60 单片机是采用 3.3V 供电的，针对 3.3V 供电的模块，我们选取了TPS7333Q 系列稳压器。它具有输入电压范围大，过热、过流及电压反接保第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报14护，输出电流为 150mA 时压差小于 0.1V 等特点特别是当其输出电流为100mA 时压差仅仅为 0.035V。TPS7333Q 可保证电池电压在 8-5V 范围内变化时可以输出稳定的 3.3V 电压。这样显著提高了电源效率。同时针对编码器模块，液晶按键模块，摄像头模块，我们都采取了单独供电，以确保各模块电源的绝对稳定，舵机采用了 LM1085IS 可调稳压芯片。电源管理模块实物图及原理图块如下所示：图 3.6 电源管理模块实物图及原理图第三章 车模整体机械结构153.1.63.1.6 图像采集模块图像采集模块关于图像采集模块，我们组经过多次讨论，最终选则在网上购买成品模块。我们选择的是山外鹰眼摄像头，实物图及接口原理图如下：图 3.7 摄像头模块实物图及接口原理图第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报163.1.73.1.7 辅助调试模块辅助调试模块3.1.7.13.1.7.1 液晶按键模块液晶按键模块液晶模块能够实时显示各个参数及采集到的赛道图像，通过按键还可以修改各种参数，所以在调试小车的时候使用液晶模块是十分方便有效的。图 3.8 液晶按键模块实物图及接口原理图第三章 车模整体机械结构173.1.7.23.1.7.2 状态显示灯模块状态显示灯模块通过在主板上制作 4 个彩色 LED，可以判断程序运行状态，可以确保程序运行异常原因是异常中断还是进入了断言。对于调试代码有很大的帮助。另外，为了能够实时观察赛车在跑道上的状态，我们队另外设计了 4个彩色 LED 灯模块，安放在小车摄像头支架背面，方便观察车模运行时，软件上设计的一些条件是否满足。图 3.9LED灯模块3.1.7.33.1.7.3 其他模块其他模块我们在前期 PCB 板设计时候还预留了许多其他模块的接口，例如：串口，拨码开关，A/D 模块。有些在后期调试中用到了，而用些则没有用到，在这里分别做一说明。表 3.2 其他模块：模块名称分配引脚串口模块PTC14,PTC15A/D 模块ADC0-DM3,ADC0-DP3拨码开关PTE2427图 3.10 其他模块第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报183.23.2 车模整体机械结构车模整体机械结构3.2.13.2.1 机械结构调整机械结构调整为了让小车跑得更快，跟稳定，我们对车模的重心，差速，连接以及前轮角度等主要影响车模形式状态的方面做了调整。（1）重心，由于安装了一些另外的器件，车模的重心发生了改变，变得有些前重后轻，这样在转弯的过程中容易出现打滑现象导致转弯半径过大而冲出跑道，为了让车模行驶更加稳定，我们调整了电池的安放位置，尽量均匀了中心，在不影响加速性能的前提下保证了前轮的较大摩擦力。最后我们还是拆除了车模上的一些不必要零配件以减轻重量，安装的许多部件大多都是采用轻质材料制成的，以最大程度提高车模的加速性能。（2）零件，车模上本身自带的许多零件，如固定前后部分的连接件，固定舵机的装置，安装电池的底座，这些零件都会增加车模的复杂性，也不利于电路连线，因此我们尽可能的去掉自带的零件，将电池紧贴车模底座，使重心更低，行驶起来更稳，将舵机摇杆增长，力矩增长，增加角度控制灵敏度。（3）连接，后轮与车模底盘的连接原来是采用软连接，活动范围比较大，减震效果比较好，但是会使得安装在地盘上的摄像头晃动比较大，而且会在过弯是损失较多的速度。所以对后轮与底盘的连接进行了加固，加固之后后轮的活动余地比较小，有一定的减震效果。又能保证摄像头的稳定。3.2.23.2.2 车模前轮调整车模前轮调整现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，转向轮定位参数有：主销后倾、主销内倾、前轮外倾、前轮前束 4 个参数。智能车竞赛模型车的四项参数都可以调整，但是由于模型车加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着一偶然性。3.2.2.13.2.2.1 主销外倾角主销外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。主销后倾角的存在使车轮转向轴线与赛道的交点在轮胎接地点的前方，可利第三章 车模整体机械结构19用赛道对轮胎的阻力产生绕主销轴线的回正力矩，该力矩的方向正好与车轮偏转方向相反，使模型车保持直线行驶。后倾角越大，模型车的直线行驶性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但过大的回正力矩也会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在 1到 3。图 3.11 主销后倾示例3.2.2.23.2.2.2 主销内倾角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。主销内倾角的作用，是使车轮在受外力偏离直线行驶时，前轮会在重力作用下自动回正。另外，主销内倾角还可减少前轮传至转向机构上的冲击，并使转向轻便；但内倾角越大，前轮自动回正的作用就越强，转向时越费力，轮胎磨损也更大增大。主销内倾的调整应该保持在一个合适的范围，“一般来说 08 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第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报203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。3.2.2.33.2.2.3 车轮外倾角车轮外倾角车轮面与地面不垂直。从车头望向车轮,车轮与铅垂线的夹角称为外倾角。若轮胎上端向外倾斜即左右轮呈/形,称为正外倾角,向内倾斜为负外倾角。基本上，正外顷角的设定有较佳的灵活度，而负外顷角具较稳定的直进性。其 角度的不同能改变轮胎与地面的接触点及施力点，直接影响轮胎的抓地力及磨 耗状况。并改变了车重在车轴上的受力分布，避免轴承产生异常磨损。此外，外倾角的存在可用来抵消车身荷重后，悬吊系统机件变形及活动面间隙所产生 的角度变化。外倾角的存在也会影响车子的行进方向，这正如摩托车可利用倾 斜车身来转弯，因此左右轮的外倾角必须相等，在力的平衡下不致影响车子的 直进性，再与束角(Toe)配合，提高直进稳定性及避免轮胎耗不均。增加负的外 倾角需配合增加 Toe-out；增加正的外倾角则需配合增加 Toe-in。图 3.12 主销内倾与车轮外倾示例第三章 车模整体机械结构213.2.2.43.2.2.4 前轮前束前轮前束前轮前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，前轮中心线与纵向中心线的夹角为前束角。前轮前束的作用是保证模型车的行驶性能，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。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 02mm 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。智能汽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。图 3.13 前束第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报223.2.33.2.3 舵机及支架安装舵机及支架安装根据杠杆原理，如果在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输出臂，将转向传动杆连接在输出臂末端。就可以在舵机输出较小的转角下，取得较大的前轮转角，从而提高了整个车模转向控制的速度。利用舵机的输出转距余量，将角度进行放大，加快了舵机响应速度。基于以上理论，我们设计了一套舵机连片(转向拉杆)，综合考虑了速度与力矩的关系，并根据模型车底盘的具体结构，其安装方式，如图 3.14所示，舵机摆盘详细参数如图 3.15 所示。图 3.14 安装方式图 3.15 舵机摆盘详细参数第三章 车模整体机械结构233.2.43.2.4 摄像头及支撑杆安装摄像头及支撑杆安装由于智能车在调试过程中需要对各种硬件参数进行调整，其中就包括摄像头的安装高度，摄像头与铅垂线的夹角。因此摄像头的安装方式既要保证安装牢靠，也应使安装位置可调，同时应该减轻重量，使重心降低，依据以上原则，分别设计了摄像头底座（固定于车模底盘），摄像头支杆，摄像头固定座（安放摄像头），详情如下示图：图 3.16 摄像头底座图 3.17 摄像头固定座第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报243.2.53.2.5 编码器安装编码器安装为了达到更加精确的速度控制，我们在汽车模型上附加了编码器模块。编码器非常可靠精确，并且能输出两相进行双向控速。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。但 B 车模齿轮很难调整，只能根据实际情况调整编码器位置。测速使用了 mini 编码器。为了能够精确检测小车速度，编码器的齿轮必须与小车传动齿轮良好咬合，太松容易丢齿并损坏齿轮，太紧则会增加电机负载。传动齿轮与电机和测速编码器的安装如图 3.18 所示。图 3.18 编码器安装效果图3.2.63.2.6 主控板及驱动板的安装主控板及驱动板的安装在主板设计的时候，我们组进行了两套设计方案：（1）主板在摄像头支撑杆前方；（2）主板在摄像头支撑杆后方。经过几次实验发现如果将主板置于后方，电池包就会放置在车模的前方这就导致在车模速度较快的情况下（2.5m/s）舵机打角缓慢的现象十分严重，在综合对比下，我们采取了方案（1）。主板的安装如图 3.19 所示，驱动板安装如图 3.20 所示。第三章 车模整体机械结构25图 3.19 主板安装效果图图 3.20 驱动板安装效果图第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报263.33.3 车模防护及保养车模防护及保养（1）防撞智能汽车在调试的过程中车模难免会失去控制向周围墙壁或者其他坚硬物体撞去，当前轮突然受到外力撞击的时，舵机拉杆会将撞击力传到舵机，造成舵机齿轮的损坏或是内部线路，元器件的损坏，这种损坏对于智能车来说都是致命的。因此在程序上编写停车程序是十分必要的，同时也应该在智能车车头安装防护装置，该装置应该具有一定的硬度与弹性，最后在跑道的四周应当多放置一些软质材料（例如泡沫板）作为防护栏使用也可以起到对车模的保护作用。图 3.21 车头防撞装置（2）防滑智能车在调试的过程中，当智能车的速度较快的时候，若车轮的摩擦力不够时会造成小车转向不灵敏，动力轮拐弯时出现甩尾现象，也将限制智能小车无法继续提速，因此时常使用防静电的抹布擦拭赛道和车轮是非常必要的。长时间的调车和擦拭将可以获得较大摩擦力，可以大幅度提速，为取得好成绩打下坚实的基础。第三章 车模的防护与保养27图 3.22 后轮，前轮与赛道（长期擦拭后）（3）防静电在电子领域，静电吸附灰尘，降低元件的绝缘电阻，缩短智能车的寿命，因此智能汽车的电路、芯片、驱动电机、舵机、传感器都需要防止静电危害，尤其电路和芯片，轻则导致芯片复位，电路不能正常工作，重则导致电路短路，芯片烧毁。静电无法消除，但是可以通过其他措施手段努力减少静电对智能车的影响：（1）从源头上减少静电的产生，使用产生静电较少的材料；（2）泻放或中和静电电荷。但是考虑到智能车采用统一的车模与材料，大多数元器件不允许更换，因而第二种方法才是实际可行的第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报28方案。具体做法是：在车体底部粘贴一层铝箔纸，确保不予其他金属相连，因一根导线接到电路板地线引脚上，把电荷转移到地面。图 3.23 车底铝箔纸效果图29第四章第四章 软件系统整体设计软件系统整体设计4.14.1 软件设计方案软件设计方案智能车能够高速平稳运行取决于优秀精良的程序，良好的底层配置和优秀科学的算法使车子更快更稳定。我们 OV7725 摄像头进行赛道识别，图像采集及校正处理是整个软件的核心内容。在舵机控制方面，我们采用 PD控制算法精确控制方向，在速度控制方面，我们使用了经典 PID 控制算法，理论计算配合实际参数精调的办法，使智能车能够稳定快速运行。图 4.1 系统软件流程图第四章 模块初始化304.24.2 模块初始化模块初始化（1）LED 初始化led_init(LED_MAX);（2）GPIO,做输入用gpio_init(PTE0,GPI,0);port_init_NoALT(PTE0,PULLUP);（3）flash 初始化flash_init();（4）FTM1正交解码初始化ftm_quad_init(FTM1);（5）初始化 PIT0，中断时长为：5mspit_init_ms(PIT0,5);set_vector_handler(PIT0_VECTORn,PIT0_IRQHandler);enable_irq(PIT0_IRQn);（6）液晶初始化LCD_init();（7）串口初始化uart_init(UART4,9600);（8）初始化键盘key_init(KEY_MAX);（9）初始化摄像头camera_init(imgbuff);（10）配置中断服务函数set_vector_handler(PORTA_VECTORn,PORTA_IRQHandler);set_vector_handler(DMA0_VECTORn,DMA0_IRQHandler);（11）初始化舵机ftm_pwm_init(S3010_FTM,S3010_CH,S3010_HZ,0);ftm_pwm_duty(S3010_FTM,S3010_CH,middle);（12）初始化电机ftm_pwm_init(MOTOR_FTM,MOTOR0_PWM,MOTOR_HZ,0);ftm_pwm_init(MOTOR_FTM,MOTOR1_PWM,MOTOR_HZ,0);314.34.3 图像采集及边线提取图像采集及边线提取在采集图像信号后，由于十字、障碍、黑带等元素的存在，以及光线、杂点、赛道远处图像不清楚的干扰，图像效果会大打折扣。因此，在软件上必须排除干扰因素，对赛道进行有效识别，并提供尽可能多的赛道信息供决策使用。在图像信号处理中我们提取的赛道信息主要包括：赛道两侧边沿点位置、通过校正计算的赛道边线与中心位置，赛道类型判别，赛道变化幅度。摄像头的前瞻对赛道的采集十分关键，我们采用等距离采样选择图像采集行，图像的最底一行对应最近处 5cm，最顶一行对应远处 105cm,图像共采集 50 行，对应前瞻总长为 10cm。由于摄像头自身的特性，图像会产生梯形式变形，这使得摄像头看到的信息不真实。在对赛道进行信息处理时要注意这一点。单片机通过比较器电路将每一行的黑白跳变点（跳变点按从中间到两边的顺序）记录下来，保存到两个二维数组里（分别表示左边沿、右边沿）。通过寻线向左跳变和向右跳变可以完成赛道边沿的提取。4.44.4 赛道特殊元素识别赛道特殊元素识别4.4.14.4.1 十字道十字道由于十字道元素特征比较明显，所以我们队根据左右丢线先判断出车模即将进入十字道，再从近端开始扫到远端，计算出白点数最多的那一列，以那一列作为中线，通过计算出偏差控制舵机打角。图 4.2 十字道实物图与处理后的图像第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报324.4.24.4.2 坡道坡道通过实时采集到的图像进行处理，若图像的前端附近几行为全黑则表明车模正在上坡，此时车模的前瞻将变换为近端前瞻，用近段前瞻进行控制舵机打角与电机的加减速。图 4.3 坡道实物图与处理后的图像4.4.34.4.3 小小S弯，大弯，大S弯弯通过实时采集的图像进行处理，若中间（第 39 列）附近几列的图像为全白则表示前方为 S 道，此时我们将 S 道处理成直道，那么车模在经过 S道时第四章 赛道特殊元素识别33图 4.4 S 道实物图与处理后的图像4.4.44.4.4 障碍障碍通过扫描赛道宽度，如果赛道宽度突然变窄则说明赛道前方出现障碍，计算出剩余赛道的中线，顺利通过。图 4.5 障碍实物图与处理后的图像4.54.5 控制策略控制策略4.5.14.5.1 控制算法概述控制算法概述4.5.1.14.5.1.1 PID 算法概述算法概述PID 控制，又称 PID 调节，为比例、积分、微分控制，是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。PID 控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏第十一届全国大学生智能汽车竞赛技术报34差。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器，原理框图如下图所示：图 4.6PID控制器在计算机控制系统中，使用的是数字 PID 控制器，控制规律为：)()()(kckrke(公式4.1)1()(0)()()(kekekjTTjeTTkeKkuDIP(公式4.2)式中k采样序号，k=0，1