【正文】 第十一屆“恩智浦杯”全國大學(xué)生智能汽車競賽技 術(shù) 報 告學(xué) 校：遼寧工程技術(shù)大學(xué) 隊伍名稱：挑戰(zhàn)者參賽隊員：徐卿 李川 帶隊教師：李斌摘 要本文介紹了遼寧工程技術(shù)大學(xué)挑戰(zhàn)者隊制作的第十一屆“恩智浦杯”全國大學(xué)生智能汽車競賽的智能車系統(tǒng)。文中介紹了該系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)及其開發(fā)流程。本文設(shè)計的智能車系統(tǒng)以K60微控制器為核心控制單元，通過TSL1401線性CCD檢測賽道信息，使用模擬比較器對圖像進行硬件二值化，提取黑色引導(dǎo)線，用于賽道識別；通過光電編碼器檢測模型車的實時速度，使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機的角度，實現(xiàn)了對模型車運動速度和運動方向的閉環(huán)控制，并進行了大量硬件與軟件測試。測試結(jié)果表明，該智能車能夠很好地跟隨黑色引導(dǎo)線，可以實現(xiàn)對應(yīng)于不同形狀的道路予以相對應(yīng)的控制策略，可快速穩(wěn)定的實現(xiàn)整個賽道的行程。關(guān)鍵字：飛思卡爾智能車 K60 線性CCD PID控制算法目 錄第一章引 言 5 5 5………………………………………………………………………………..6第二章 智能車機械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化………………………………………………………. 6 7 7…………………………………………………………………………..8………………………………………………………………………………..9……………………………………………………………..10……………………………………………………………………………11……………………………………………………………13…………………………………………………………………………………….16第三章硬件系統(tǒng)電路設(shè)計與實現(xiàn) 17 18　ccd供電電路設(shè)計 19 20 20 20 22 22 23 23第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 23 24 25 26 28 28第五章 開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過程 29 29 29第六章 車模主要技術(shù)參數(shù) 31第七章 結(jié)論 32參考文獻 33第一章 引言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，智能控制的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域。智能車技術(shù)依托于智能控制，前景廣闊且發(fā)展迅速。有研究認(rèn)為智能汽車作為一種全新的汽車概念和汽車產(chǎn)品，在不久的將來會成為汽車生產(chǎn)和汽車市場的主流產(chǎn)品。全國大學(xué)生智能汽車競賽是以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實踐活動，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競賽之一。面向大學(xué)生的智能汽車競賽最早始于韓國，在國內(nèi)，全國大學(xué)生“恩智浦杯”智能汽車競賽已經(jīng)舉辦了十一屆，得到了各級領(lǐng)導(dǎo)及各高校師生的高度評價。該競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能,倡導(dǎo)理論聯(lián)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。大賽為智能車領(lǐng)域培養(yǎng)了大量后備人才，為大學(xué)生提供了一個充分展示想象力和創(chuàng)造力的舞臺，吸引著越來越多來自不同專業(yè)的大學(xué)生參與其中。在本次比賽中，本組使用大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模，采用飛思卡爾16 位微控制器K60作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計，包括傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機驅(qū)動、舵機控制等，最終實現(xiàn)一套能夠自主識別路線，并且可以實時輸出車體狀態(tài)的智能車控制硬件系統(tǒng)。在制作小車的過程中，我們對小車的整體構(gòu)架進行了深入的研究，分別在機械機構(gòu)、硬件和軟件上都進行過更進，硬件上主要是考慮并實踐各種傳感器的布局，改進驅(qū)動電路，軟件上先后進行了幾次大改，最終研究出一套實際可行的辦法。本文先從總體上介紹了智能車的設(shè)計思想和方案選擇，然后分別從機械、硬件、軟件等方面的設(shè)計進行論述，重點介紹了硬件電路的設(shè)計和路徑識別的算法，接著描述了智能車的制作及調(diào)試過程，其中包含我們在制作和調(diào)試過程中遇到的問題及其解決方法，并列出了模型車的主要技術(shù)參數(shù)。圖11系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第二章 智能車機械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化在小車的調(diào)試初期，由于速度較低，機械結(jié)構(gòu)對小車的影響不是很明顯，但當(dāng)小車速度有了較大提高之后，機械性能對小車的影響越來越大，所以我們又重新調(diào)整了機械機構(gòu)。根據(jù)本屆賽道的特點，我們采用了低重心緊湊型的設(shè)計方案，并架高舵機以提高響應(yīng)速度；各系統(tǒng)模塊設(shè)計成面積較小方形電路板。同時固定線性CCD傳感器的材料我們采用了質(zhì)量較小，強度較大的碳纖維管。其整車布局如圖21所示。圖21 車模整體結(jié)構(gòu)對于車模的機械調(diào)整，我們的入手方面為：(1) 整車重量：由于大賽使用統(tǒng)一的電池和電動機及傳動齒輪，并不允許使用升壓電路對電機進行升壓，故車模的輸出功率是一定的，這也意味著更輕的車模質(zhì)量將使車模擁有更為優(yōu)良的加減速性能，不僅如此，車模的轉(zhuǎn)向靈活性也會有較大的提高，所以，我們采用了碳素桿作為攝像頭支架，并拆除了車體上一些不必要的部件以減少車體重量。 (2) 重心位置：由于小車是以較高速度運行的，在過彎時，必然會有較大的離心力，而重心過高將會引起小車的側(cè)翻。并且重心不在車體的幾何中心會造成車體在較高速度下行進的不穩(wěn)定，所以，在設(shè)計板子時盡量使板體左右重量對稱。 (3) 傳動裝置：由于C車模使用的是電子差速，差速效果由后輪兩個電機的出力決定，差速效果最終由算法決定。 (4) 車體響應(yīng)速度：由于舵機輸出的力矩是一定的，故力臂越長轉(zhuǎn)向線速度越快，但輸出力會大大減少，所以增長力臂的時候會在一定程度上增加轉(zhuǎn)角速度，但可能會因摩擦力太大而打不動角。并且，我們在測試中發(fā)現(xiàn)，過長的舵機臂會限制導(dǎo)向輪的打角幅度，進而可能導(dǎo)致一些彎道無法轉(zhuǎn)過，故舵機桿我們選取了一個恰當(dāng)?shù)闹怠?1) 主銷內(nèi)傾：主銷內(nèi)傾的調(diào)整應(yīng)該保持在一個合適的范圍，“一般來說0~8度范圍內(nèi)皆可”。在實際的調(diào)整中，只要將角度調(diào)整為5度左右就會對于過彎性能有明顯的改善。如果賽道比較滑，可以將這個角度再調(diào)節(jié)的大一些。在實際制作中，這個角度調(diào)節(jié)為8度左右。主銷內(nèi)傾角調(diào)節(jié)示意圖如圖22所示：圖22 主銷內(nèi)傾角調(diào)節(jié)示意圖(2) 后輪前束：由于本屆比賽B車模倒向運行，導(dǎo)向輪位于車體后方，故機械特性有所變化，但總體上仍然符合該原理。調(diào)節(jié)合適的前輪前束在轉(zhuǎn)向時有利過彎，還能提高減速性。將前輪前束調(diào)節(jié)成明顯的內(nèi)八字，運動阻力加大，提高減速性能。由于阻力比不調(diào)節(jié)前束時增大，所以直線加速會變慢。智能車采用穩(wěn)定速度策略或者采用在直道高速彎道慢速的策略時，應(yīng)該調(diào)節(jié)不同的前束。后一種策略可以適當(dāng)加大前束。根據(jù)我們小車的實際情況，我們選擇了較小的前束。前輪角調(diào)節(jié)示意圖如圖23所示：圖23前輪角調(diào)節(jié)示意圖 (3) 主銷前傾：由于車模倒向運行，動力前置，轉(zhuǎn)向特性與以往相反，采用主銷前傾可以增加汽車直線行駛時的穩(wěn)定性和在轉(zhuǎn)向后使導(dǎo)向輪自動回正。由于主銷后傾，主銷（即轉(zhuǎn)向軸線）與地面的交點位于車輪接地點的前面。這時，車輪因受到地面的阻力，總是被主銷拖著前進。這樣，就能保持行駛方向的穩(wěn)定。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時，由于離心力的作用，地面對車輪的側(cè)向反力作用在主銷的后面，使車輪有自動回正的趨勢。 主銷后傾角越大，方向穩(wěn)定性越好，自動回正作用也越強，但轉(zhuǎn)向越沉重。實際汽車主銷后傾角一般不超過30，由前懸架在車架上的安裝位置來保證。本車模的實際主銷后傾角大概在1520度左右。由于智能車行駛的速度較低，可以適當(dāng)減小主銷后傾角。下方與車體連接孔的高度調(diào)節(jié)可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整主銷后傾角。主銷前傾角調(diào)節(jié)示意圖如圖24所示：經(jīng)調(diào)整后的導(dǎo)向輪效果如圖25所示。 圖24 主銷前傾角調(diào)節(jié)示意圖 圖25 車模導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)效果我們將系統(tǒng)做成一個手焊板上，劃分為功率驅(qū)動電路區(qū)域，數(shù)字電路區(qū)域和模擬穩(wěn)壓部分。之前我們將電路板安裝在電池的上方，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在小車在以較高速度過急彎的時候非常容易側(cè)翻，屬于較高的車模重心。后來在設(shè)計PCB的時候確定了狹長的PCB形狀，在不改變攝像頭位置的情況下將主電路板填充于電池與線性CCD架之間，這種做法大大降低了小車的重心，在經(jīng)三線法測量后小車重心降低了將近2cm，并在后來的測試中顯示了更好的過彎性能，在各種道型上都較以前的穩(wěn)定性有所提高。電路板安裝如圖26。圖26 主電路板的安裝舵機以前安裝位置位于車體的中心，如圖28所示，這種安裝方式會大大減少小車本來就狹小的車體空間并且其安裝高度太低，在這種長度的力臂下舵機輸出的力將遠遠大于小車轉(zhuǎn)向時所需要的力從而造成了舵機力量輸出的浪費。而我們知道，力矩等于力乘以力臂長度，即：M=LF其中M為力矩，L為力臂長度，F(xiàn)為力。由此可知，當(dāng)力矩一定時，力臂越短，輸出力越小，相反的，力臂越長，輸出力越大，而舵機恰好是一個恒力矩輸出的裝置。由于舵機輸出角速度恒定不變，故力臂越長的話其臂端的線速度就越大，則車模的轉(zhuǎn)向速度就越大，但同時也會帶來一個問題，就是轉(zhuǎn)向力量變小，甚至可能導(dǎo)致小車在轉(zhuǎn)向時不能提供足夠的力進行轉(zhuǎn)向。所以反應(yīng)速度與輸出力之間是一個二次函數(shù)關(guān)系，該二次函數(shù)開口向下，存在著一個極值點，該點兩坐標(biāo)即為力與速度相平衡的最大值。在對舵機力臂進行適當(dāng)加長時舵機臂的活動范圍將會由于車模機械特性上的限制而減小，這就導(dǎo)致了舵機控制上的不連續(xù)，進而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向時不平滑。不但如此，當(dāng)舵機臂加長時，由于臂端運行軌跡為圓弧，在水平方向上分解時越遠離中心線的部分需要更大的打角才能產(chǎn)生相同的水平位移，故會造成舵機打角與轉(zhuǎn)角間的非線性，增加系統(tǒng)的控制難度。所以在經(jīng)過一系列的計算與權(quán)衡之后。舵機安裝如圖27。圖27 舵機的安裝圖28 車模原有舵機安裝方式在確定了舵機的安裝方式和擺臂的長度后，我們發(fā)現(xiàn)，本來想要刻意設(shè)計成的阿克曼轉(zhuǎn)角由這種方式巧妙地達成了。為了確保使得車子在行駛過程中轉(zhuǎn)彎的時候不發(fā)生側(cè)滑，在近代造車工藝中才產(chǎn)生了阿克曼角，阿克曼角如圖28示。圖29 阿克曼轉(zhuǎn)角為了保持車體尋跡具有較好的前瞻性，并且固定方法簡單、輕巧并具有一定的剛度，我們最終選擇了直徑1cm碳纖維管，把線性CCD放在了車體較前的位置，撐出高度340mm，兼顧了線性CCD的高度要求與整車的重心高度要求，圖210和圖211為CCD傳感器支架的安裝實物圖。圖210 ＣＣＤ桿與底座的連接圖211 線性ＣＣＤ的連接速度傳感器一般可以選擇對射式光柵或光電編碼器。對射式光柵的重量相對較輕，阻力也相當(dāng)?shù)男。捎谡麄€裝置暴露在外界空氣中，容易受到外界光線或粉塵的影響；并且一般外置式的光電碼盤分割條數(shù)有限，返回線數(shù)較少，可能會造成計速不準(zhǔn)確，而編碼器就不存在此類問題。編碼器的安裝方式如圖212所示：圖212 編碼器的安裝方式所以測速模塊我們采用的是歐姆龍單相500線增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，通過編碼器對電機轉(zhuǎn)速的測定我們可以知道車模在某個時刻的速度，從而通過軟件調(diào)整差值，使車模的速度達到我們想要的效果，讓車模電機運轉(zhuǎn)處于我們所要求的理想狀態(tài)，從而形成一個速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，我們使用了測速編碼器去測量脈沖數(shù)，就可以得到當(dāng)前電機的轉(zhuǎn)速。規(guī)則中不允許對輪胎進行任何改變輪胎性能的處理，因此在調(diào)試過程中，我們盡量選擇對稱、圓的輪胎，對不規(guī)則的輪胎進行適度的打磨；盡量減少調(diào)試時間和調(diào)試次數(shù)；在不調(diào)試的時間里盡量避免四輪與地面接觸，保證輪胎的形狀不發(fā)生改變。重心的高度是影響智能車穩(wěn)定性的因素之一。當(dāng)重心高度偏高時，智能車在轉(zhuǎn)彎過程中會發(fā)生后輪抬起，即‘抬腳’現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至翻車。本隊重心高度的調(diào)節(jié)主要從以下方面著手：一、車底盤高度調(diào)整：合理的底盤剛度和底盤高度調(diào)節(jié)會提高智能車的加速性能。智能車的重心應(yīng)該越低越好，降低地盤時實現(xiàn)重心下降的較為直接的方式。應(yīng)注意到底盤高度的調(diào)節(jié)是將智能車的其他性能提高以后間接的幫助加速性能提高。但是由于賽道中坡道的限制，底盤的高度在低于5mm時將會沖撞坡道，并不使地盤受到不必要的磨損和震蕩，劇烈的沖擊甚至?xí)矇霓D(zhuǎn)向機構(gòu)。因此地盤距離地面高度不能低于5mm。降低底盤的方式可以通過在前橋、后橋處增加墊片來實現(xiàn) 。二、車體構(gòu)件高度調(diào)整：在智能車改裝過程中，我們一直把重心作為考慮因素之一。使重量的分布盡量靠近底盤。此外更小體積的電路板可以恰好鑲嵌在底盤其他構(gòu)件的空隙之中。三、緊固螺絲：在智能車對于緊固程度要求不高的地方，如電路板固定螺絲，傳感器定位螺絲等，采用尼龍材質(zhì)的螺絲；在車底盤等高度較低的地方采用模型車原配螺絲；在安裝外設(shè)的時候，盡量采用規(guī)格合適的螺絲釘。這樣不僅可以降低整車重量，而且可以使重心高度盡量降低。小車的性能與機械結(jié)構(gòu)有著非常密切的聯(lián)系。良好的機械結(jié)構(gòu)是小車提高速度的關(guān)鍵。在同等的控制環(huán)境下，機械機構(gòu)的好壞對其速度的影響十分顯著。我們非常重視對小車機械結(jié)構(gòu)的改進，經(jīng)過大量的理論研究和實踐，我們將線性ＣＣＤ桿安裝在車模的前半部分，以達到合適的前瞻；為了較好的調(diào)節(jié)四輪質(zhì)量分布，在搭小車的過程中，我們盡量對稱安裝各部件，每一個環(huán)節(jié)都是建立在合理的四輪定位基礎(chǔ)之上；為了使