智能车软、硬件结构及其开发流程技术报告-辽宁工程技术大学.doc

1、1第十一届“恩智浦杯”全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校：辽宁工程技术大学 队伍名称：挑战者参赛队员：徐卿 李川带队教师：李斌23摘 要本文介绍了辽宁工程技术大学挑战者队制作的第十一届“恩智浦杯”全国大学生智能汽车竞赛的智能车系统。文中介绍了该系统的软、硬件结构及其开发流程。本文设计的智能车系统以 K60 微控制器为核心控制单元，通过TSL1401 线性 CCD 检测赛道信息，使用模拟比较器对图像进行硬件二值化，提取黑色引导线，用于赛道识别；通过光电编码器检测模型车的实时速度，使用PID 控制算法调节驱动电机的转速和转向舵机的角度，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制，并进行了大

2、量硬件与软件测试。测试结果表明，该智能车能够很好地跟随黑色引导线，可以实现对应于不同形状的道路予以相对应的控制策略，可快速稳定的实现整个赛道的行程。关键字：飞思卡尔智能车 K60 线性 CCD PID 控制算法4目 录第一章引 言 .51.1 智能车大赛背景及应用前景 .51.2 概述 .51.3 系统结构图.6第二章 智能车机械结构调整与优化. 62.1 总体思路 .72.2 智能车前轮定位的调整 .72.3 系统电路板安装.82.4 舵机的安装.92.5 线性 CCD 支架的设计安装.102.6 测速模块安装112.7 智能车部分结构安装及改造13.8 小结.16第三章硬件系统电路设计与实

3、现3.1 硬件设计方案 .173.2 电源电路设计模块 .183.3 ccd 供电电路设计 .193.4 线性 ccd 的选取和设计 .203.5 单片机供电电路设计 .203.6 电机驱动电路设计 .203.7 编码器供电电路 .223.8 舵机电源电路设计 .223.9 起跑线检测 .233.10 硬件电路部分小结 .23第四章 软件系统设计与实现 .234.1 赛道特征提取及优化处理 .244.2 弯道处理策略分析 .254.3 速度 PID 闭环控制 .264.4 路径控制策略 .284.5 小结 .28第五章 开发工具、制作、安装、调试过程 .295.1 开发工具 .295.2 调试

4、过程 .29第六章 车模主要技术参数 .31第七章 结论 .32参考文献 .335第一章 引言1.1 智能车大赛背景及应用前景随着科学技术的不断发展进步，智能控制的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。智能车技术依托于智能控制，前景广阔且发展迅速。有研究认为智能汽车作为一种全新的汽车概念和汽车产品，在不久的将来会成为汽车生产和汽车市场的主流产品。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。面向大学生的智能汽车竞赛最早始于韩国，在国内，全国大学生“恩智浦杯”智能汽车竞赛已经举办了十一届，得到了各级领导

5、及各高校师生的高度评价。该竞赛以“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。大赛为智能车领域培养了大量后备人才，为大学生提供了一个充分展示想象力和创造力的舞台，吸引着越来越多来自不同专业的大学生参与其中。1.2 概述在本次比赛中，本组使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16 位微控制器 K60 作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制

6、算法及执行、动力电机驱动、舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制硬件系统。在制作小车的过程中，我们对小车的整体构架进行了深入的研究，分别在机械机构、硬件和软件上都进行过更进，硬件上主要是考虑并实践各种传感器的布局，改进驱动电路，软件上先后进行了几次大改，最终研究出一套实际可行的办法。本文先从总体上介绍了智能车的设计思想和方案选择，然后分别从机械、硬件、软件等方面的设计进行论述，重点介绍了硬件电路的设计和路径识别的算法，接着描述了智能车的制作及调试过程，其中包含我们在制作和调试过程中遇到的问题及其解决方法，并列出了模型车的主要技术参数。61.3 系统结构图

7、线性 C C D图像处理K 6 0编码器 上位机电机驱动模块 舵机转向模块图 1-1 系统结构图7第二章 智能车机械结构调整与优化在小车的调试初期，由于速度较低，机械结构对小车的影响不是很明显，但当小车速度有了较大提高之后，机械性能对小车的影响越来越大，所以我们又重新调整了机械机构。根据本届赛道的特点，我们采用了低重心紧凑型的设计方案，并架高舵机以提高响应速度；各系统模块设计成面积较小方形电路板。同时固定线性 CCD 传感器的材料我们采用了质量较小，强度较大的碳纤维管。其整车布局如图 2-1 所示。图 2-1 车 模 整 体 结 构2.1 总体思路对于车模的机械调整，我们的入手方面为：(1)

8、整车重量：由于大赛使用统一的电池和电动机及传动齿轮，并不允许使用升压电路对电机进行升压，故车模的输出功率是一定的，这也意味着更轻的车模质量将使车模拥有更为优良的加减速性能，不仅如此，车模的转向灵活性也会有较大的提高，所以，我们采用了碳素杆作为摄像头支架，并拆除了车8体上一些不必要的部件以减少车体重量。(2) 重心位置：由于小车是以较高速度运行的，在过弯时，必然会有较大的离心力，而重心过高将会引起小车的侧翻。并且重心不在车体的几何中心会造成车体在较高速度下行进的不稳定，所以，在设计板子时尽量使板体左右重量对称。(3) 传动装置：由于 C 车模使用的是电子差速，差速效果由后轮两个电机的出力决定，差

9、速效果最终由算法决定。 (4) 车体响应速度：由于舵机输出的力矩是一定的，故力臂越长转向线速度越快，但输出力会大大减少，所以增长力臂的时候会在一定程度上增加转角速度，但可能会因摩擦力太大而打不动角。并且，我们在测试中发现，过长的舵机臂会限制导向轮的打角幅度，进而可能导致一些弯道无法转过，故舵机杆我们选取了一个恰当的值。2.2 智能车前轮定位的调整(1) 主销内倾：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

10、右。主销内倾角调节示意图如图 2-2 所示：图 2-2 主 销 内 倾 角 调 节 示 意 图9(2) 后轮前束：由于本届比赛 B 车模倒向运行，导向轮位于车体后方，故机械特性有所变化，但总体上仍然符合该原理。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。根据我们小车的实际情况，我们选择了较小的前束。前 轮 角调节示意图如图 2-3 所示：图 2-3 前 轮 角调节示意图(3)

11、主销前倾：由于车模倒向运行，动力前置，转向特性与以往相反，采用主销前倾可以增加汽车直线行驶时的稳定性和在转向后使导向轮自动回正。由于主销后倾，主销（即转向轴线）与地面的交点位于车轮接地点的前面。这时，车轮因受到地面的阻力，总是被主销拖着前进。这样，就能保持行驶方向的稳定。当汽车转弯时，由于离心力的作用，地面对车轮的侧向反力作用在主销的后面，使车轮有自动回正的趋势。 主销后倾角越大，方向稳定性越好，自动回正作用也越强，但转向越沉重。实际汽车主销后倾角一般不超过 30，由前悬架在车架上的安装位置来保证。本车模的实际主销后倾角大概在 15-20 度左右。由于智能车行驶的速度较低，可以适当减小主销后倾

12、角。下方与车体连接孔的高度调节可以在一定范围内调整主销后倾角。主销前倾角调节示意图如图2-4 所示：经调整后的导向轮效果如图 2-5 所示。10图 2-4 主 销 前 倾 角 调 节 示 意 图 图 2-5 车 模 导 向 轮 调 节 效 果2.3系统电路板安装我们将系统做成一个手焊板上，划分为功率驱动电路区域，数字电路区域和模拟稳压部分。之前我们将电路板安装在电池的上方，结果发现在小车在以较高速度过急弯的时候非常容易侧翻，在用三线法测量小车的重心的时候发现小车的重心位于车体底盘中心上方5.5cm处，属于较高的车模重心。后来在设计PCB的时候确定了狭长的PCB形状，在不改变摄像头位置的情况下将主电路板填充于电池与线性CCD架之间，这种做法大大降低了小车的重心，在经三线法测量后小车重心降低了将近2cm，并在后来的测试中显示了更好的过弯性能，在各种道型上都较以前的稳定性有所提高。电路板安装如图2-6。