光电组武汉大学有时想起队技术报告Word格式.docx
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通过比赛，促进了高等学校素质教育，培养了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，激发了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了条件。
竞赛要求在规定的汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动模块以及编写相应控制程序，制作完成一个能够自主识别道路的模型汽车。
智能汽车竞赛的赛道路面为宽度45cm的面板，两边有宽度为25mm的连续黑线，作为引导线，且赛道中有直道、弯道和坡道参三中路况。
赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛道。
本智能车系统是以飞思卡尔公司生产的16位微控制器MC9S12XS256作为核心控制单元，并包括激光传感器及摇头舵机对赛道信息采集与处理、转向舵机控制、光电编码器速度采集、电机转速控制等，最终实现一套能够自主寻迹的智能小车软硬件控制系统。
在方案设计的过程中，参阅了很多兄弟院校的往届大赛技术报告，如清华大学、北京科技大学、杭州科技大学等。
通过研究探索，最后采取的策略是激光传感器、摇头巡线控制加液晶屏键盘辅助调参。
这样不仅可以提高赛车的前瞻性，寻线的灵活性，而且使赛车的稳定性也有所提高。
本技术报告共七章，包括小车系统的总体设计、硬、软件系统组成各部分的分析、系统控制策略的阐述等。
其中，第一章为引言，主要介绍了智能汽车研究背景、智能车竞赛的现状与发展以及技术报告的整体框架安排；
第二章为智能车总体方案设计，主要包括小车系统模板设计的基本要求和框架结构；
第三章为智能车机械结构调整及优化，主要包括智能车各部分机械结构调整的概况；
第四章为智能车硬件系统的设计，详细地介绍了小车硬件系统的组成部分，包括：
激光传感器、转向舵机、摇头舵机、电机、测速编码器以及MC9S12XS256微控制器；
第五章为智能车软件控制策略介绍，包括起跑线、十字弯等道路识别以及赛道类型判断和舵机、电机控制算法；
第六章介绍了在智能车开发、制作、安装、调试工具；
第七章为智能车主要技术参数说明。
第二章智能车总体设计方案
2.1章节概述
本章主要介绍了本组光电车的总体设计方案和设计思路，在以后的章节里，将对整个系统从机械结构、硬件电路、控制算法三个方面进行更为细致的分析介绍。
2.2系统总体方案设计
本组光电车使用飞思卡尔MC9S12XS256作为核心控制单元，使用双排激光传感器，且双排激光传感器皆为寻双边黑线，大前瞻进行摇头巡线控制，小前瞻对车在上下坡的过程中进行控制，并且检测起跑线。
此外，使用了陀螺仪进行坡道检测，使用了光电编码器对小车速度进行检测。
并且增加了液晶屏和键盘以及拨码开关，以便更方便的查看小车数据，修改小车参数，以及修改整体策略。
根据采集到的黑线信息以及小车速度信息，对小车的转向以及速度进行控制，从而实现小车的循迹，整体结构框图如图2.1所示：
图2.1整体结构框图
智能车系统从硬件上来分为八大模块，分别为电源管理、激光传感器模块、转向舵机、摇头舵机、电机驱动、光电编码器及陀螺仪、液晶屏、单片机模块。
1）电源管理：
为系统其他各个模块提供所需要的规格的电源，以保证各模块的正常工作，是小车稳定运行的基础。
2）激光传感器：
是小车的眼睛，作为循迹传感器，采集黑线及路况信息，为小车前进指明方向，使其不出赛道，为小车提供路况信息，实现最佳控速策略。
3）摇头舵机：
即舵机在单片机给出的PWM波的控制下进行尽可能准确的跟线，以减小小车前瞻加大所带来的易丢线的不足。
4）转向舵机：
在单片机给出的PWM的控制下根据摇头舵机转向角度以及激光传感器的数据控制小车精确转向，使得小车不出赛道。
5）电机驱动：
在单片机给出的PWM的控制下，使得电机两端承受不同平均值的电压，使得电机转速得到控制。
6）光电编码器及陀螺仪：
光电编码器用以采集小车速度信息，为小车的速度控制提供反馈依据，实现车速闭环PID控制，使小车始终按照给定的速度行驶。
陀螺仪用来检测坡道，以实现在坡道上用使用不同的控制策略。
7）液晶屏：
用来查看小车数据以及修改参数改变控制策略。
8）单片机模块：
系统主控模块，作为整个智能车的“大脑”，将激光传感器、光电编码器等传感器采集回来的信息，根据预订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。
第三章机械结构调整与优化
小车的速度不仅跟小车的硬件电路，控制算法有关，小车机械性能的好坏也直接影响着小车的发挥，好的机械结构可以使得小车更加稳定，有着更大的潜能。
在相同电路和算法下，重心更低的车明显更加稳定也速度更快。
3.1车模的总体组装及中心的调整
3.1.1车模的总体组装
小车的设计为双排循迹，上排激光由摇头舵机控制用以跟线，下排激光用以在坡道上控制小车转向以及起跑线识别。
我们将上排激光以及摇头舵机放置在电池上面，将下排激光固定在转向舵机上，而将主板与驱动板放在电池与前轮之间的位置，由于位置有限，我们将主板形状做成了与所在空间能够很好契合又能充分利用空间的形状，而将驱动板固定在主板上方。
为了方便调试，我们的车加上了一块液晶屏和几个按键，放在小车后方，小车整体图片如图3.1所示：
图3.1小车整体图
3.1.2智能车重心的调整及车重的减轻
由于今年汽车模型使用的是A车模，我们是通过添加垫片来降低重心。
为了增加前瞻和摇头舵机转向幅度与灵活性，将摇头舵机采用竖立式的安装在车身前部，同时电池要相对靠后放置来保持车身稳定。
同时，为了降低摇头舵机的重心，我们使用分离式激光发射接收管，采用一接受多的形式进行采集，如图3.4所示。
为了进一步减轻重量，同时将激光管的驱动电路置于车身底部的总系统板上。
今年光电组使用的是B车模，我们通过翻转后轮的支撑轴承，降低了车的重心，将摇头舵机和上排激光板安装在电池上部，这样可以使得小车重心集中在车的中心部位，我们将主板放在电池与前轮之间的位置，驱动板放在主板上方并尽可能低。
为了减小车的重量，我们将车上所有无关紧要的东西全部去掉了。
3.2前轮定位的调整
为了小车转弯的可靠和稳定，我们将小车的前轮调成主销内倾，还有前束，至于具体多少角度，根据的是实际不断的调试。
3.2.1主销后倾角
B车的主销后倾角是车模一开始就给定了的，本来就是后倾不需要调节。
3.2.2主销内倾
主销内倾调整后缩短了主销轴线与地面交点到车轮着地点间的距离，这样就减小了使车轮偏转时所受到的摩擦反力矩，也就是转向更省力。
3.2.3前轮前束角
前轮前束角是指前轮中心线与小车纵向中心线的夹角。
它的作用是保证汽车行驶的性能，减少轮胎的磨损，前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，前束适当会抵消这种偏斜减少轮胎磨损，考虑到车轮与地面的摩擦力正比于扒地力，对小车加减速性能有重要影响我们调整了前束角，并在一定程度上减轻了车轮的磨损。
3.3差速机构的调整
差速的作用就是当小车转弯时可以允许左右两轮有着不一样的速度，这样可以防止小车轮胎打滑，向左转时，右轮速度大于左轮，向右转时相反，但是两轮的平均速度始终等于差速器齿轮的转速，这是由于差速器本身的结构所决定的，而光电编码器所测得的就是差速器齿轮的速度。
对于差速器松紧程度的调节要在实践中反复尝试，既不能太松，也不能太紧，要保证车在加减速的时候差速器不发生打滑现象，又要使得车在转弯时足够灵活。
第四章硬件电路设计
智能车是个输入输出的随动控制系统，主要组成部分包括：
电源管理模块、赛道检测模块（双排激光传感器）、坡道检测模块（陀螺仪）、速度检测模块（光电编码器）、舵机控制模块（摇头舵机与转向舵机）、电机驱动模块、最小系统模块。
4.1赛道检测模块
4.1.1光电传感器的选择
本组光电传感器使用激光传感器，激光传感器相对于红外光电传感器有着很多明显的优点，激光传感器前瞻较大，激光经过调制以后不会受外界光线的影响，接收回来的数据数字化；
激光传感器也有其缺点，那就是电路复杂，成本高，重量大；
综合考虑优缺点，还是决定选择激光传感器。
激光传感器所用激光管数量较多，重量加大，对车身的重心有很大影响，因此将激光板与摇头舵机放置在电池上方，用一块废旧电路板作为支撑。
4.1.2激光传感器的工作原理
图4.1所示，为激光发射管的工作原理图：
图4.1激光发射管工作原理
本组采用20mW激光管，使用74HC573作为驱动，将573两路并联给一个激光管供电，激光管采用调制管调制，调制管所接电阻为75欧，输出占空比为25%，频率为180kHz的方波，该方波经过非门74HC04反向后接到573的第一脚，573的第11脚则一直接高电平。
这样只要给573的输入脚高电平，输出脚便也是高电平，激光管就被点亮了，相反，若输入脚给低电平，则激光管灭。
整个过程中不能使得某些输入脚悬空，一定要给确切的高低电平，若悬空，则对应的输出脚是高电平还是低电平将不确定。
如图4.2所示，为激光接收管的工作原理图：
图4.2激光接受管工作原理图
经过调制管调制的激光如果照在白色的赛道上，漫反射回来经过透镜聚焦在接收管上，接收管输出信号将由低电平变为高电平，二极管也会熄灭。
如果激光照在黑色的边线上，则激光不会反射回来，接收管就会保持低电平，二极管就会一直亮着。
这样接收管就输出了数字信号0和1，将接收管的输出接到单片机的IO口，这样单片机就读出了赛到信息。
4.1.3双排激光传感器布局
第七届竞赛赛道改成了黑现在赛道两边的模式，因而激光布局也必须做出改变，本组采用寻双边的巡线方式，两边各有12个激光管检测黑线，激光点之间间隔19mm，这是为了尽可能增大检测范围。
每边使用4个激光接收管，激光管和接收管的分布都是均匀的，一个接收管对应接收三个激光管的数据。
单排激光管当上坡和下坡时激光会打飞以至于接收回来的数据出现混乱，车的控制也将出现混乱，而且只有单排激光，起跑线也不易识别，所以要使用双排激光，增加一个小前瞻。
在上边一排传感器上增加了摇头舵机，利用它来增加传感器对赛道信息获取的宽度，这样同时满足了对赛道信息精度及广度的双重要求，达到了良好的效果。
下面一排激光管用于起跑线和坡道控制，也是寻双边黑线布局，每边6个激光管和两个接收管，还是一对三的布局。
4.1.4激光传感器信号读取方式
激光接收管接收到反射光之后，以数字量的形式将反射光的强弱反映给单片机。
此时，单片机只需要使用普通的IO口读取接受管传回来的0、1信号即可知道当前激光管照射到黑色边线上，还是白色赛道上。
其中，需要注意的是激光管的点亮方式，每一个完整的点亮过程都分成六次点亮完，一次点亮四个，总耗时2ms
图4.3信号采集程序截选
如图4.5所示，信号采集程序截选，用MC9S12XS256的PORTA控制是否点亮某个激光管，用PAD口读取某个接收管的数据存入程序中的数组中。
4.2转向及摇头舵机模块
4.2.1转向舵机模块
转向舵机使用智能汽车大赛组委会统一提供的SD5，是一个数字伺服马达。
舵机在智能车控制系统中起着重要的作用，它决定了小车的行进方向。
图4.4SD5
4.2.2摇头舵机模块
摇头舵机用于上面一排激光管的摆动，以便于更好的识别赛道信息，而当智能车的速度达到一定值时，舵机的响应速度会对赛道信息的快速识别产生很大的影响，所以为了能达到很好的效果，经过对比高速数字舵机与模拟舵机的性能，最终选用了S3010作为摇头舵机。
如图4.7所示：
图4.5摇头舵机安装图
4.3速度检测模块
测速检测方法可以有多种，常用的是使用光电编码器检测差速器齿轮的转速，还有就是第五轮测速，但由于第五轮测速结构过于复杂，且不可靠，因而选用第一种方式。
测速原理：
光电编码器由光源（发光管））光栅码盘和光敏元件组成，而光栅码盘有固定盘和旋转盘。
旋转盘与被测电动机通过齿轮连接。
在光栅码盘的一侧放置光源，另一侧放置光敏元件，如图4.6示。
图4.6光电编码器结构及脉冲信号
当旋转盘的栅缝与固定盘的栅缝重叠时，光敏元件接收到光信号并导通，当两缝不重叠时，光敏原件接收不到光信号不导通，于是编码器就输出了脉冲。
由计数器记录脉冲个数可以测量电动机的旋转角度，若记录单位时间内的脉冲数，则可以测量电动机的转速。
光敏元件产生的是电脉冲，经整形后可直接输入计算机。
如图4.8光电编码器结构及脉冲信号。
编码器的输出信号直接接到单片机的PT7口进行计数，在一定的时间间隔内知道返回来的脉冲数就可以知道小车的速度了。
4.4电机控制模块
本系统采用脉宽调制（PWM）控制H桥电路实施对电流电动机的控制，由8个功率MOSFET组成，如图4.7所示：
图4.7直流电机驱动原理框图
系统采用InternationalReetifier公司生产的IRF3205型MOSFET功率管组成H桥路的4个臂。
IRF3205具有8m欧导通电阻、功耗小、耐压达55V、最大直流电流110A、满足EPS对系统MOSFET功率管低压（正常工作不超过15V）大电流（额定电流30A）的要求。
IR2104芯片是N沟道功率MOS管驱动器，适合于直流电机控制。
MOSFET驱动电路原理图如图4.8所示。
图4.8直流电机驱动原理图
电阻用于控制MOS门的升降时间，也有利于避免门电压的震荡，门电压的震荡通常与门电容处的连接线的平行电感所引起的。
电阻值通常为10-100欧，电容用于存储能量并对通过电桥的电压进行滤波。
4.5单片机模块
4.5.1MC9S12XS256
S12XS16位微控制器系列针对一系列成本敏感型汽车车身电子应用进行了优化。
S12X产品满足了用户对设计灵活性和平台兼容性的需求，并在一系列汽车电子平台上实现了可升级性、硬件和软件可重用性、以及兼容性。
4.5.2以S12为核心的单片机最小系统
单片机的最小系统及功能如下：
1）时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振；
2）BDM口让用户可以通过BDM调试工具向单片机下载和调试程序；
3）调试小灯及拨码开关和PORTK、PORTB口相连，供程序调试使用。
最小系统电路原理图，如图4.9所示
图4.9最小系统原理图
最小系统PCB电路板，如图4.10所示：
图4.10最小系统PCB电路板
4.6液晶显示及按键调参模块
为了方便了解程序的参数和激光数据以及参数适当调整，我们增加了液晶显示及按键调参模块。
合适的设计好其PCB板形状后，将其安置于电机上方，方便于按键调整。
其中液晶屏，使用的是Nokia5110LCD，为一款经典LCD，成本低廉，技术成熟，且足够满足我们的使用需求。
采用4个键进行设置，如图4.11所示：
图4.11液晶显示及按键
4.7电源管理模块
电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。
设计中除了需要考虑电
压范围和电流容量等基本参数之外，还要电源转换效率、降低噪声、防止干扰
和电路简单等方面进行优化。
全部硬件电路的电源由组委会统一提供的可充电蓄电池提供。
由于电路中
的不同电路模块所需要的工作电压和电流大小各不相同，因此电源模块应该包
含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压，如图4.12所
示，电源管理示意框图：
图4.12电源管理示意框图
4.7.15V电压供电模块
5V电压，主要为双排激光管、光电编码器、单片机以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小。
最小系统部分要求电流能达到500mA，故采用一片TPS7350供电，SD5正常工作电流达到了200mA，故采用一片TPS7350供电，激光传感器部分要求电流能达到1.5A故采用了两片LM2940并联供电，电路原理图如下图4.13：
图4.135V电压驱动原理图
4.7.27.2V电压供电模块
7.2V电压，这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮直流电机驱动模块和摇头舵机提供电源。
第五章控制软件设计
智能车比赛规则要求，小车够自主识别赛道俩边的黑线，并按照其引导的轨迹行走，在不冲出跑道的前提下尽可能的追求速度，并能够正确识别起跑线停车。
5.1软件整体设计
因此，设计智能车软件控制策略的基本原则是：
在保证智能车能够稳定运行的基础上，尽量做好智能车的路径优化和寻找尽可能大的稳定速度。
基于如上原则，智能车软件控制总体流程如图5.1：
图5.1软件控制总流程图
5.2PID控制介绍
PID控制算法是根据偏差的值，按照一定的函数关系进行计算，用所得的运算结果对系统进行控制。
PID控制有位置式控制和增量式控制，方程如下：
在本智能车控制算法中，我们用位置式PID控制小车的横向运动，增量式PID控制摇头舵机的跟踪黑线运动和速度跟随。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
例如：
采用临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。
„对于温度系统：
P（%）20~60，I（分）3~10，D（分）0.5~3；
„对于流量系统：
P（%）40~100，I（分）0.1~1；
„对于压力系统：
P（%）30~70，I（分）0.4~3。
5.3赛道信息处理
对于一辆智能小车，如果路径判断出错，小车就不能沿着既定的路线行驶，因此怎么识别路径是至关重要的一个环节，在这个环节中传感器是眼睛，识别算法是大脑，只要“看“得正确，处理正确，就能走在正确的轨迹上。
在智能车控制系统中，激光传感器（路径识别传感器）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。
5.3.1传感器偏差获取
我们的智能车系统采取双排激光的检测模式，前排的激光是在上坡，十字后排激光丢线的特殊情况下使用。
前排激光每边9个，其中每边6个打在白色赛道里面，后排激光每边12个，其中每边9个打在白色赛道里面。
检测到白线是输出1，黑线输出0。
检测方法采用每边从内向外扫描。
再根据激光间隔确定激光数据的误差。
5.3.2摇头舵机的随动控制
得到了激光的偏差后，我们使用增量PID来控制摇头舵机使之跟在黑线上。
由于3010本身是模拟舵机，自身在调节的时候会有抖动，这个抖动在激光传感器上由于距离很远，所以舵机很小的抖动会造成光斑的抖动，这很容易造成检测错误导致系统不稳定，因此这个PID参数整定时要尽量平滑，要平衡响应速度和抖动的影响。
在实际参数整定过程中，我们使用了分段PID，先用PI来使舵机跟上线再调整D的值来改进响应速度。
5.3.3赛道偏移量的获取
摇头舵机的主要作用是把车子和赛道中心的偏移误差从离散的量转为连续量，摇头舵机的反馈值和激光误差的值相结合便得到车子和赛道中心的偏移量。
偏移量由摇头舵机的反馈值的正弦加上激光误差的余弦值得到。
5.4转向舵机的控制
5.4.1弯道转角分析
P的选择对过弯的影响很大，如果P过大，响应可以加快，对小S可能不太适应，震荡太大，若P过小，小S可以直冲，但是对于急弯的响应不够及时，若加入D改善响应性能，由于各种S弯的曲率不同，小车的控制由于有滞后，所以很难用常数的PD来适应所有的弯道，因此在不同的地方需要使用不同的P来控制转角。
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。
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。
5.4.2参数的整定
对于P采用赛道偏移量的二次函数，设带到偏移量为e
P=a+b*2
在调试过程中对参数进行整定，首先确保偏差e最大时舵机能转到最大角度调整，然后调节常数项a与二次项的系数b,使车子在小S弯不震荡的情况下尽可能加大a和减小b,这样的参数就差不多整定好了。
然后可以在直到和大弧线上微调P，使小车在偏差小的地方也能快速调整回来。
对于D的整定，我们使用了不完全微分，因为小车的舵机控制是有时滞的，所以不完全微分能够有比较好的效果，防止震荡效果较为显著。
5.5速度控制
5.5.1速度决策
升级会员 