全国大学生智能汽车竞赛技术报告南京组.docx

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全国大学生智能汽车竞赛技术报告南京组

第九届“清佑”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学校：

队伍名称：

参赛队员：

带队教师：

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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：

第一章引言

为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高等教育司委托，由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办全国大学生智能汽车竞赛。

该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。

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。

全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛由竞赛秘书处设计、规范标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。

该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。

该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，力求向健康、普及、持续的方向发展。

全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。

竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。

每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。

每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。

全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与”的16字方针，充分调动各方面参与的积极性。

第二章方案设计

赛车是以检测通以20KHz、100mA的导线的电磁场为基础，通过单片机处理采集到的磁感应电压信号，实现对赛车的转向控制，进而识别赛道达到路径寻迹的目的。

根据电磁寻迹的设计方案，赛车整体包括以下四大模块：

1.单片机控制模块2.电磁传感器模块3.电机驱动模块4.电源管理模块等，除此之外系统还有一些外部设备，例如编码器测速、舵机控制转向、直流电机驱动车体，霍尔元件检测起跑线等。

综上所述，本智能车系统包含了以下几个模块：

1.电源模块

2.单片机最小系统模块

3.传感器模块

4.电机模块

5.舵机模块

6.测速模块

7.起跑线检测模块

系统总体结构如图2.1所示。

图2.1系统结构图

第三章机械结构调整

3.1舵机的固定及安装

不难发现，舵机的摆臂越长，舵机的响应越好。

但是摆臂过长又会增加舵机的负载，导致转向困难。

经过商定，舵机固定我们采用的是舵机直立方式，舵机固定如图3.1所示。

图3.1舵机安装图

3.2四轮定位

要保持车辆直线行驶的稳定性，使小车直道稳定、弯道转向轻便，必须确定车轮定位参数，包括主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束。

阿克曼矩形转向梯形是我们调整前轮特性的主要参考，阿克曼原理的基本观点是汽车在直线行驶和转弯行驶过程中每个车轮的运动轨都必须完全符合它的自然运动轨迹，从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象。

阿克曼图形如图3.2所示。

图3.2阿克曼图形

主销后倾角：

主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩，阻碍车轮偏转。

主销后倾角越大，车速愈高，车轮偏转后自动回正力越强。

但回正力矩过大，会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并使转向沉重。

通常后倾角为1°～3°。

主销后倾如图3.3所示。

图3.3主销后倾

主销内倾角：

在小车前后方向上，主销向内倾斜一个角度，主销轴线与垂线间的夹角称为主销内倾角。

当汽车转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾，则车轮连同整个小车的前部将被抬起一定高度，在外力消失后，车轮就会在重力作用下力图恢复到原来的中间位置。

通常主销内倾角不大于8°。

主销内倾如图3.4所示。

图3.4主销内倾

前轮外倾角：

在汽车的横向平面内，前轮中心平面向外倾斜一个角度，称为前轮外倾角。

前轮外倾角一方面可以使车轮接近垂直路面滚动而滑动减小转向阻力，使小车转向轻便；另一方面减少了轴承及其锁紧螺母的载荷，增加了使用寿命，提高了安全性。

一般前轮外倾角为1°左右，但对于有高速、急转向要求的车辆，前轮外倾角可减小甚至为负值。

前轮外倾如图3.5所示。

图3.5前轮外倾

前轮前束：

俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是稍微带一些角度，这种现象称为前轮前束。

车轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不良后果，二者相互协调，保证前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。

前轮前束一般为0～12mm。

3.3整车重心调整

模型车的重心对车子的整体性能的影响集中表现为前轮对地摩擦力的影响和车体否能稳定行驶。

垂直高度上的重心影响车的稳定性，重心越低，稳定性越高，当然这要求保证车的底板不会出现触地的现象；水平方向上的重心位置极其重要，它将直接影响了前轮对地的摩擦力，也就是我们想要的前轮抓地能力的强度。

小车的机械结构同极限速度有很大的关系。

调整的原则是垂直重心尽量低，这样有助于车模过急弯时的稳定。

而水平重心靠前会加大前轮的负担，增加转向的难度，而靠后会使前轮转向振荡，水平重心的调整要尽量平衡这两方面。

电路以简洁为美，各个模块要分明，这样既可以减轻车模的重量，同时又美观。

要注意到电路板的安放对车模的重心也是有很大的影响。

3.4系统电路板的固定及安装

采用接插件与焊接结合的方式连接传感器、主控板、编码器、电机驱动电路、电机、赛道起始检测等单元，既考虑可靠性，又兼顾结构调整与安装的便利性。

具体安装结构如图3.6所示

图3.6主板安装示意图

3.5传感器的安装

采用5个电感线圈进行测量，三横两竖。

如图3.7所示。

图3.7传感器安装示意图

第四章传感器的布局与安装

4.1传感器的选择

由于赛道是通有20KHz交变电流的导线，因此需要通过检测导线周围所产生的电磁场确定道路与小车的相对位置。

磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应，如磁电效应（电磁感应，霍尔效应，磁致电阻效应），磁机械效应，核磁共振等。

现代检测磁场的传感器有很多，常见的有磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器，半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。

因为各种传感器测量磁场所依据的原理不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大，10-11～107G。

图4.1为各类磁场传感器的测量范围示意图。

图4.1各类磁场传感器的测量范围示意图

先估算赛道的磁场强度。

把赛道看作无限长直导线，载流为直流100mA，距离导线r=5cm时，由毕奥-萨伐尔定律知，磁场强度B如公式4-1所示

（公式4-1）

一般霍尔元件的检测范围在1mT以上，即10G以上，可以想象到需要贴着地面进行检测，而且精度大大受到限制。

磁阻传感器如Honeywell的高灵敏度磁阻HMC1001，分辨率可达27微高斯，还可以使用多轴的磁阻传感器检测不同方向的磁场。

普通的电感线圈测量范围广，理论上只要加上合适的谐振电容和放大电路，不但能够筛选出特定频段进行放大，而且有较强的抗干扰能力。

我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。

由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低，价格比较高。

因而我们选取最为传统的电磁感应线圈的，它具有原理简单、价格便宜、体积小、频率响应快、电路实现简单等特点。

感应线圈可以自行绕制，也可以采用市面上的工字电感。

4.2电磁线圈在磁场中的特性

法拉第电磁感应定律[11,12]，电感线圈的感应电动势与磁通量的变化率的相反数成正比，磁通量为线圈匝数、横截面积、真空磁导率、磁芯磁导率和磁感应强度的乘积。

如公式4-2所示：

（公式4-2）

式中：

——磁通量，单位为Wb；

——线圈匝数；

——线圈横截面积，单位为m2；

——磁芯磁导率；

——磁感应强度，单位为T。

由于电感线圈横截面积很小，电流频率较低，可以认为电感线圈范围内的磁场为均匀分布磁场，结合式4-1和式4-2，则对线圈感应电动势进行如下近似：

（公式4-3）

式中：

k——为与横截面积、真空磁导率、磁芯磁导率有关的常数。

又由于对同一条通电导线，各处电流的变化率是相等的，所以可令，得到式3-7的简化模型：

。

可知，电感线圈的感应电动势只与距离导线的距离有关，且与其成反比例关系。

同样，考虑线圈布置时的高度因素：

。

在x方向上的磁感应强度分量为：

4.3传感器的布局

由4.2所述的性质，我们可以知道，垂直线圈可以比较容易地得出小车与导线的相对位置，水平线圈可以预测前方弯道以及传感器摆放的一些要求。

根据这些性质，分检测导线位置和前瞻两部分论述传感器的布局方案。

以垂直线圈作为检测小车与导线的相对位置。

采用多个垂直线圈可以将电流、高度等变量归一化处理。

所以我们组采用以一个中间电感为主要电感，两侧的垂直、水平电感用来判断转向和道型，统一使用归一化进行处理。

第五章系统电路的设计说明

5.1控制器模块

单片机最小系统为本智能车系统的核心。

为了确保系统的稳定，我们购买了最小系统板。

具体的学习我们可以下载k60的中文资料Datasheet。

最小系统板如图。

单片机控制器是各功能模块的CPU，在满足智能车功能的前提下，我们本着最简单电路的原则，使用了单片机的若干端口。

单片机如下图5.1所示

图5.1最小系统板

5.2传感器设计

我们在传感器方案上延续了第一届大多数队伍的传感器方案——工字谐振电感。

我们熟知的磁传感器是霍尔，磁敏电阻，磁敏二极管，电感，电子罗盘的磁场传感器等。

霍尔检测频率一般不能到达20KHz（组委会特意选的频段）因此排除。

赛道产生的磁场小于地磁场，因此电子罗盘的磁场传感器也排除。

磁敏电阻和磁敏二极管产生信号太小不利于处理。

最终敲定工字电感作为传感器。

同时电感加上电容形成LC谐振电路。

根据经验，挑选电感的时候要选择磁芯磁导率大的，电感圈数比较多的，等效内阻小的。

综合考虑后选择10mH的工字电感。

根据并联谐振电路的频率，带入频率可以得到电容大小。

公式为f=1/2ߨ√LC。

其中L=10mH,得到C=6.33nF，实际选择6.8nF。

图5.2选频电路图

后来实验证明该传感器制作是合理的：

1）电感、电容的参数误差使得实际的谐振频率大概在20KHZ左右；

2）由于比赛时信号频率有一定误差，所以我们的传感器的随机误差能增强车子的稳定性能；

后来我们专门制作了传感器筛选支架。

将传感器依次固定于相同点，将长直信号导线铺设于水平可滑动的导轨下方正中央。

测试时用示波器观察各个传感器在导轨滑动过程中感应电压的幅值大小、左右对称性和谐振频率是否是在20KHZ左右等性能。

通过严格筛选，保证了传感器的一致性，为后来的信号采集奠定良好的匹配性、对称性基础。

5.3放大电路的设计说明

由于电感感应出来的感应电动势比较小而且是差分信号，所以需要放大电路进行调理。

我们的放大电路采用的是2274芯片。