第八届飞思卡尔智能车竞赛同济大学电磁组技术报告.pdf

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I第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛电磁组技术报告学校：

同济大学队伍名称：

踏雪飞鸿参赛队员：

褚善博王香伟王森博带队教师：

朱劲2013年8月9日II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：

褚善博王香伟王森博带队教师签名：

朱劲日期：

2013年8月10日III摘要摘要本文介绍了第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛电磁组同济大学代表队的方案设计思路。

整个系统核心采用飞思卡尔32位微控制器MK60主控，运用电磁感应原理采集赛道信息引导小车前进。

机械系统设计包括前轮定位、重心调整等。

硬件系统设计包括电磁传感器，电机驱动电路，电源管理等模块的设计。

软件上以经典的PID算法为主，辅以小规模Bang-Bang算法来控制智能车的转向和速度。

为了方便调试，我们利用现有的开源软体自主设计了人机交互界面辅助调试。

在智能车系统设计开发过程中使用AltiumDesigner和CadenceOrcad设计制作pcb电路板，MDK-ARM作为软件开发平台，并利用蓝牙通信模块和串口模块辅助调试。

另外，小组搭建了自己的SVN服务器供代码共享和版本控制之用。

关键字：

智能车磁导航PID控制器模糊控制IV目录目录1绪论.11.1竞赛背景与竞赛简介.11.1.1智能车的发展前景.11.1.2国内外智能车辆发展状况.11.2智能车大赛简介.11.2.1赛事概况.11.2.2第八届比赛规则简介.22智能车系统设计总述.32.1机械系统概述.32.2硬件系统概述.32.3软件系统概述.43智能车机械系统设计.53.1智能车的整体结构.53.2前轮定位.53.2.1主销后倾.53.2.2主销内倾.63.2.3前轮外倾.63.2.4前轮前束.73.2.5前轮综合调整.73.3智能车后轮减速齿轮机构调整.83.4传感器的安装.84智能车硬件系统设计.94.1K60芯片介绍.94.2传感器板设计.104.2.1电磁传感器方案选择.104.2.2电源管理模块.114.2.3电机驱动模块.114.2.4角速度传感器模块.124.2.5编码器.134.2.6OLED按键输入模块.144.3电磁干扰防护.145智能车软件系统设计.155.1程序概述.155.2采集传感器信息及处理.155.3计算赛道信息.155.4转向控制策略.175.5速度控制策略.185.6辅助车模调试的程序设计.186总结.196.1各项参数统计.196.2存在问题以及改进方向.196.2.1存在的问题.19V6.2.2改进方向.197答谢.20参考文献.20附录.20源程序.20第一章11绪论1.1竞赛背景1.1.1智能车的发展前景随着经济发展，道路交通面临新的问题和新的挑战。

所以急需改变传统交通模式，解决当前面临的困境，正是在这样的背景下智能汽车迎来了大发展的时期，各国争相投入大量资金研究无人驾驶技术。

智能车的发展早期受限于技术手段，智能化较低，主要应用在自动化仓贮系统和柔性装配系统的物料运输，随着新型高精度，高可靠性的传感器不断涌现，现阶段智能车正在向适应城市道路，野外复杂地形等方向发展，在不久的将来即可真正替代人工驾驶。

1.1.2国内智能车辆发展状况1992年，国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。

由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾驶系统，被安装在一辆国产的中型面包车上，使该车既保持了原有的人工驾驶性能，又能够用计算机控制进行自动驾驶行车。

2000年6月，国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76km，创下国内最高纪录。

2003年7月，国防科技大学和中国一汽联合研发的红旗无人驾驶轿车高速公路试验成功，自主驾驶最高稳定时速130km，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。

THMRV（TsingHuaMobileRobotV）清华V型智能车是清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室在中国科学院院士张钹主持下研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能。

设计车速高速公路为80km/h，一般道路为20km/h。

目前已能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。

汽车的智能化可以减轻驾驶员的疲劳，适应复杂的天气条件，减少交通事故的发生。

1.2智能车大赛简介1.2.1赛事概况飞思卡尔是业界领先的半导体公司，主要研发领域面向汽车应用领域，产品质量优秀，其他公司在汽车应用方面很难与之抗衡。

飞思卡尔智能车竞赛已经经历了7届比赛，并将于今年的夏天举办第八届比赛。

该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。

竞赛主要分为竞速赛和创意赛两种。

在竞速赛中，规则规定了使用的车模、传感器类型、处理器类型和赛道尺寸等关键的因素，参赛选手可以在相同的条件下，自行设计硬件电路和软件算法，最终能以最快速度跑完全程。

竞速赛分为三个赛题组：

光电组、摄像头组、电磁组。

不同之处在三个组的循线传感器是不一样的。

电磁组的赛道中心铺有细导线，导线中通有频率和电流稳定的电信号，能利用电磁感应原理检测中心导线的位置。

电磁组和另两个赛题组相比，优势在于检测信号稳定，不会受到外界采光条件的变化而影响，也不会受到赛道外的背景色所干扰，所以比较少在比赛中途因找不到赛道中心而冲出赛道的情况，缺点在于电磁传感器一般由电感电容组成，如果需要增加赛车前瞻的话需要加固定支架把传感器伸到赛车前方，这样会增加车子转弯时的转动惯量，影响车子转弯的灵活性，曾有强队想出来车体主动悬挂的方式抵消转弯时的转动第八届飞思卡尔智能车竞赛2离心力，从而提升车子转弯速度，使得电磁车速度得到很大提升。

1.2.2第八届比赛规则简介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。

大赛根据道路检测方案不同分为电磁、光电平衡与摄像头三个赛题组。

使用四轮车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测的属于电磁组。

车模使用A型车模。

车模运行方向为：

转向轮在前，动力轮在后，如图1所示：

图1.1电四轮车模运行模式图1.2原装A型车模动力轮转向轮车模运行方向动力轮转向轮车模运行方向第二章32智能车系统设计总述智能车主要分为机械系统、硬件系统、和软件系统三个部分，三个部分中以机械系统、硬件系统为基础，软件系统为核心，所以在工作中也有所侧重。

三个系统也不是一成不变的，在不断的改进中逐渐找到更合理的解决办法以及相互之间的协调。

2.1机械系统概述机械系统作为智能车的基础影响着整个车的运行姿态和速度，轻巧的车身可以使车更加灵活容易操控，合理的重心位置可以让车运行更平稳，而前轮定位、舵机安装的方式和位置可以影响转向灵活度。

而为了配合传感器电路板的安装和固定，还需要对车体结构进行规划和调整。

图2.1车身结构图2.2硬件系统概述硬件系统作为小车的基础最重要的就是运行稳定，K60单片机满足了智能车竞赛中对运算速度的需求，传感器板的设计第一要注意模块间的分隔，避免相互干扰，第二个要注意的是排列尽可能紧密，减小电路板面积。

在设计电源管理模块，传感器检测处理模块，起点检测模块，电机驱动模块等的时候都积极思考，尽量做到减少干扰，安全可靠。

第八届飞思卡尔智能车竞赛4图2.2电磁小车硬件系统构成2.3软件系统概述软件系统作为智能车的核心是决定最后运行速度和平稳性的关键，主要工作是对传感器采集到的数据进行处理，选择合适的方法解算赛道信息，制定合理的转向控制策略使转向平滑快速，制定有效的速度控制策略使智能车平均速度提高。

同时还介绍了开发平台软件的使用。

图2.3程序流程图第三章53智能车机械系统设计3.1智能车的整体结构智能车的整体结构如图所示：

图3.1智能车整体结构为了排布pcb板，安装舵机和传感器固定杆，对智能车的机械结构做了一些调整包括减震弹簧的安装位置，车底盘的高度，电池位置等。

3.2前轮定位前轮定位（转向轮定位）指转向轮、转向节和前轴三者之间与车架必须保持一定的相对安装位置。

在规则中只禁止改动车底盘结构、轮距、轮径和轮胎。

前轮位置可以任意调整改变，而选择适当的参数可以使智能车转向轻便，减少机件磨损，加快智能车行驶速度。

一个存在的问题是前轮定位参数因车而异，同时不同速度，负载，重心条件下也应不同。

所以需要多次调试找到适当的参数。

前轮定位参数主要有主销后倾、主销内倾、前轮外倾、前轮前束。

3.2.1主销后倾主销装于前轴上端向后倾，力图使转完后的前轮自动回正，原理是地面侧向力形成的力矩的方向与车轮偏转方向相反，从而起到回正作用，一般在23图3.2主销后倾第八届飞思卡尔智能车竞赛6主销后倾可通过改变上横梁轴上的垫片来调整设置为0、23、46如图所示图3.3主销后倾角调整说明调整主销后倾可能出现的结果，如果过大会引起转向沉重，舵机偏软，所以不宜采用过大的主销后倾，以免丧失转向的灵活性。

3.2.2主销内倾主销安装到前轴上后，其上端略向内倾斜，称为主销内倾，使车轮转向后能自动回正，且转向操纵轻便。

内倾角在58之间。

图3.4主销内倾角作用示意图由于主销后倾较小，主销内倾与前轮外倾关系密切。

调试过程中，一般为了寻找合适的车轮外倾角而改变主销内倾角。

3.2.3前轮外倾车轮旋转平面上方略向外倾斜，称为车轮外倾。

车轮旋转平面与汽车纵向前垂面之间的夹角称为车轮外倾角。

作用是为了提高车轮行驶安全性和转向操纵有利，但是过大的外倾角将使轮胎横向偏磨增加，能耗增多，一般车轮外倾角为1。

第三章7图3.5前轮外倾示意图前轮外倾可使智能车车轮磨损均匀，有一定的回正力矩，适当的内倾对改善转向特性有明显效果3.2.4前轮前束车辆两个前轮的旋转平面不平行，前端略向内收（成内八字型），这种现象叫做前轮前束。

两轮前端距离为B，后短距离为A，其差值即为前束值。

作用是减少或消除汽车前进中因车轮外倾和纵向阻力致使车轮前端向外滚开所造成的滑移图3.6前轮前束（俯视图）前束可以减少对有外倾的轮胎磨损，对于车轮内倾的赛车要有相应的后束才能保证轮胎向前滚动而不会滑动，轮胎磨损均匀，前轮前束一般012mm。

对于车轮内倾的赛车，要有相应的后束才能保证轮胎向前滚动而不会滑动，轮胎磨损均匀。

3.2.5前轮综合调整如上所述，前轮调整虽然作用不大，但是依然直接关系到小车运行。

而涉及到的调