飞思卡尔智能车设计论文最终.docx

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飞思卡尔智能车设计论文最终

第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛

技术报告

学校：

东北电力大学

队伍名称：

电气之风队

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：

夏兴夫

参赛队员签名：

李佳滨

参赛队员签名：

朱圆月

带队教师签名：

李辉

带队教师签名：

日期：

2013.8.10

第一章引言

1.1背景

全国大学生智能汽车竞赛是教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养而设立的。

该竞赛与全国大学生数学建模、电子设计、程序设计ACM等大专业竞赛不同，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。

在本次比赛中，我组使用的是大赛组委会统一提供的竞赛A型车模，采用16位微控制器XS128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、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制、最小系统等，最终实现一套能够自主识别路线，稳定在赛道运行的智能车控制系统。

从准备第七届飞思卡尔智能车竞赛开始组队，历经半年努力，在上一届比赛经验的基础上我们对工字型电感及信号处理进行了大量的测试也尝试用各种性方案。

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，今年车模的结构不同于往年电磁车模，车胎摩擦力不够好，所以我们下了很大工夫来搞机械。

硬件上主要是考虑并实践各种传感器的布局及接收信号处理以尽可能的增大前瞻，改进驱动电路，软件上先后进行了几次大改，电感检测值给予位置加权，这样就能实现连续的控制。

1.2章节安排

在本文中，将详细介绍机械设计、硬件电路及软件设计的调试与实现过程。

其中机械设计包括各方面对重心、重量等影响，硬件电路则包括各个子模块的功能、设计与实现。

而算法部分则系统的讲述了车模信息的采集、路径处理算法、舵机和电机控制策略等。

其中：

第一章是讲述了智能车竞赛的背景和本文章节安排。

第二章从总体上讲述了车模的设计理念和软硬件设计的框架。

第三章从不同角度分析了各种因素对智能车重心，重量，车模转向等的影响，以及解决方法。

第四章是从各模块出发，详细讲述了硬件电路各部分功能，以及在设计过程中遇到的的问题，以及最终的方案选择。

第五章是系统的讲述了车模的软件算法设计，先总体分析流程，后从信息采集、舵机和电机等模块出发，讲述控制策略。

第六章是系统设计与开发过程中所用到的软硬件调试工具。

第七章是车模的主要技术参数。

第八章是本文的总结。

第二章：

模型车的主要设计思路及方案概要

模型车设计的总体思路上分为三部分进行，车体结构，硬件电路和软件算法。

软件算法上的设计即描绘驾驶员的操作驾驶水平，硬件电路和车体结构的设计统称车辆的性能，分别反映在控制的稳定性能和竞速性能。

2.1车体结构

虽然轮胎、驱动电机、舵机和电池等车模主要结构不能作改动，但是一些机械结构上的细节仍然会对小车性能产生影响。

所以，我们在机械细节上调整上作了研究，在车体调整上，我们将底盘调低，降低重心，来保证车在行驶过程中的稳定性，在硬件电路板的安装上同样本着压低智能车的重心为原则。

在电磁传感器的安装上，也是在检测距离尽量长和车体长度尽量短的两者之间权衡。

2.2硬件电路

本智能车的定位系统采用6个工字型10mH电感的路径信息采集，及4个干簧管组成起始线检测的方案。

还用了一个LM2941和两个2940分别为各模块供电，在后轮的差速器上还装入光电编码器，用于实时检测智能车的当前速度。

2.3软件算法

本队智能汽车竞赛的程序均用C语言编写。

软件策略就是以PID为基础控制算法，通过不断调整PID参数，是车模能很好地适应整个赛道。

我们采用的是直道速度不快而在弯道加速的方案，使用直道、入弯和出弯三个速度的方案；另外通过大量的实验得出几张表，再配合一些简单的运算，以及从速度传感器获知的当前信息对舵机和电机施以合适的控制。

2.4车模设计特色与创新

1、我们采用6个电磁传感器等距直线排列方式，车子底盘设计的尽可能低。

2、我们采用的算法是随线控制，并且舵机转向使用了参数设定较“狠”的PD算法。

3、光电编码器与差速器耦合是自动的，用弹簧弹性使编码器紧紧地贴在差速器上，以保证两者很柔和的连在一起，提高检测精度。

第三章：

车模的机械结构

图3.1车模的整体俯视图

本次比赛以竞速为唯一的评判准则，车模由“飞思卡尔杯”智能车竞赛组统一提供，车模轮胎，后轮驱动电机，前轮转向舵机，电池等在竞赛规则的限制下，无法做进一步的改动。

车模的整体机械结构对智能车性能的提高有很大的作用，虽然软件能弥补机械上的不足，但也只是部分的，所以我们严谨的对车模进行机械设计。

本章将从车体重心、轮胎更换、传感器支架、传感器排线、舵机安装、编码器安装、电路板安装、传动平衡、干簧管安装等八个方面来介绍我们车的机械设计。

3.1车模重心调节

重心是影响智能车稳定性及装箱性能的关键因素之一。

其调节的原则应是调节各模块的安装位置，本节将从重心高度、中心线调节和中心前后调节三个方面入手。

3.1.1重心高低调节

车模的的重心要尽量低，这样使车子在运行过程中才能更加稳定，不会出现所谓在转弯过程中靠内侧车轮离地的“抬脚”现象，避免车子侧翻，也能使车轮更好的抓地前行。

本队重心调节从以下两方面入手：

一、底盘高度调整：

合理的底盘高度会提高车模的加速性能，降低底盘使车体所有部件重心都下降方式较为直接，但由于车模在赛道上还会上下坡，所以重心调整的不能过于低，通过实验，我们采用现在的高度比较合理。

二、车体构件高度调整：

在硬件安装过程中我们尽量使硬件靠近车盘底侧，并且将电路板设计的很小，从而合理利用底板上的位置，来降低重心。

3.1.2重心中心线调节

重心中心线偏离程度主要影响左右转弯的对称性，车模本身的重心中心线比较合适，我们也将硬件电路各部分对称安装于中心线两侧。

3.1.3重心前后调节

经试验证明，重心过于靠前会对前轮造成过大的压力，导致转向不灵活和滞后性，重心过于靠后则会导致前轮压力过小，抓不住地，同样影响转弯性能，所以，我们尽量将重心调整到整个车的前后中心。

3.2轮胎更换

轮胎的着地力对于直道加速、直道进弯道时候的刹车和过弯道速度的提高非常重要。

着地力如果过小，车模直道加速时会打滑使直道速度加不上去，刹车时会产生侧滑，增加拐弯的不确定性也会影响过弯时间。

保持赛道的洁净和轮胎的潮湿会提供更大的着地力，另外，平时大量的调试赛车，对轮胎造成很大的磨损，定期还需要更换新的轮胎。

3.3支架安装

支架的制作既要保证工字型电感的前瞻性，又要兼顾检测的稳定性。

我们组做了两层的支架，考虑到只做一层的话，走坡道时会产生颠簸，影响探头的检测，两层支架即保证了检测的稳定，又使智能车整体结实坚固。

支架如下图：

图3.2电磁传感器支架

3.4舵机安装

车模采用了组委会指定的S-3010舵机，并对其进行稳压、加长力臂等手段，以保证车子在转向时足够灵活。

3.4.1排线选择

在主板与电磁传感器之间连线，我们采用质量轻、体积小的排线，从而保证舵机在摇头的过程中更加灵活，从整体上减少车重，并且使车模更加美观。

综合以上因素考虑，我们选择了经典的JTAG连接线。

其实物如下图：

图3.3排线

3.4.2转向舵机

转向舵机安装的好坏决定了车体在转弯时所能达到的极限速度，安装时主要考虑的因素有：

重心、最大转角、等效力臂长度、响应速度、极限拉力等因素。

目前主流的安装方式有以下两种：

靠前立式安装：

将转向舵机安装前轮差速器的上方。

经试验验证该方法限制了舵机力臂长度致使在转向过程中拉力过小,且车体重心靠前对舵机压力增大降低了转向性能，故不采用用这种方式。

靠后立式安装：

该方式使我们队目前采用的方式，其有以下优点：

一、靠后安装使车体重心靠中间，没有对前差速器造成压力，使重心总体平衡。

二、力臂长度较为灵活，在实验过程中我们不断增加力臂长度，在综合考虑舵机高度和力臂长度情况下选用了力臂长度为3cm，从而增加转向灵活

3.5电路板安装

在硬件电路板设计过程中，最初我们并没有考虑到电路板的大小所以初次安装时的车模重心比较高，但在第二次制版时，我们充分考虑了这些因素，将电路板设计的小巧，充分利用车模空隙，使重心降低了很多。

3.6编码器安装

图3.4编码器

编码器是速度控制的核心因素，其安装好坏将直接影响测速平滑性与速度控制精度。

影响测速精度主要由以下两方面因素：

一、编码器标称线数，使用中线数越多越好，但随着线数的增多，其体积也不断增加。

二、在空间约束条件下可以采用尽量小的齿轮作为编码器的输入齿轮。

三、为了保证编码器齿轮与输入齿轮的接触磨合，我们采用编码器用弹簧固定，使其在运动过程中也能与输入齿轮更好的耦合。

3.7干簧管的安装

干簧管安装在车体中部下方的起跑线检测板上，很好的检测了起始线信息。

图3.5干簧管安装位置图

第四章硬件电路设计

4.1总述

电路部分包括电磁传感器电路、电机驱动电路，MCU最小系统电路、电源供电电路、测速电路以及其他辅助电路。

本车通过对电磁传感器采集的路况信息和光电编码器测得的速度信息的分析，实现对车的闭环控制。

4.2电路系统框图

图4.1整车电路框图

4.3电源管理模块

图4.2电源分配框图

4.3.1电源合理利用

飞思卡尔智能车的电源为大赛组委会提供的7.2V镍--镉充电电池，该电池的记忆性较强，因此合理充放电是保护电池的必要措施。

合理使用电池包括以下措施：

第一，实时监测电池电压，避免放电过渡对电池造成损害，设置低压报警模块，但考虑到节约，避免电路复杂性我们并没有加上报警模块，而是采用人工实时监测。

第二，合理控制充电时间，直到充满电为止。

第三，利用电阻散热来将车模未用完的电放掉，保证电池合理利用，延长寿命。

4.3.2各模块电源分析

电磁传感器电路：

工字型电感和运放对电源模块要求不是太高，故用LM2940供电。

电机驱动电路：

虽然驱动电路在启动和制动过程中，功耗大很容易拉低，但LM2940输出稳定电压，故不受影响，其和最小系统一块供电。

最小系统及其他：

最小系统虽然功耗小，但其容易受其他模块干扰，最初我们采用其和舵机一块供电，但在使用过程中受到干扰，最小系统还烧毁两块，所以为避免干扰，不和舵机一块供电也用LM2940供电。

舵机模块：

舵机采用输出电压可调的LM2941模块为其供电，并且输出电压稳定，为避免其相反方向运动过程对电源影响，故对其单独供电。

4.3.3稳压芯片的选择

我们对于5V和6V压芯片做了多方案的尝试，最后还是选定了LM2940。

7805和7806的稳压芯片非常简便，但压差较大，当电池电压稍微低一点，78系列的输出电压就开始不稳定，而且根据数据手册所示，78系列的要求输入电压最低也要9V，所以难以符合我们的要求。

开关稳压电源效果很好，但输出纹波较大，会影响AD采样的精度，而且外围器件比较多，不符合我们对电路板面积的要求，所以也放弃。

经过测试，我们最后选定了LM2940为最小系统、电机驱动、运放电路、电磁传感器电路供电。

4.3.4稳压电路图

图4.3LM2940稳压电路

图4.4LM2941稳压电路

4.4驱动电路

4.4.1总述

电池系统和电机驱动系统决定了智能车在运行过程