长大一队智能汽车邀请赛技术报告.docx

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长大一队智能汽车邀请赛技术报告

摘要

智能汽车是未来汽车发展的趋势，它体现了自动控制、人工智能、传感技术、机械、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合。

本文是在长安大学参加第三届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛背景下创作的。

具体介绍了一种基于光电传感器的智能寻迹小车的设计和实现。

智能小车系统以Freescale16位单片机MC9S12DG128作为系统控制处理器，采用基于光电传感器的信号采样模块获取赛道黑线信息，通过PID控制策略和PWM控制技术对智能小车的转向和速度进行控制。

使小车能够自主识别黑色引导线并根据黑色引导线实现快速稳定的寻线行驶。

论文分析了智能小车系统的设计方案，详细介绍了小车控制系统的软硬件设计，包括传感器模块、驱动电机模块、转向舵机模块、测速模块等，并详细介绍了软件设计，最后，介绍了智能小车的整体调试、测试。

结果表明，智能小车系统工作稳定，能较好的满足控制要求。

关键词：

智能小车系统，MC9S12DG128，光电传感器，速度检测，

ABSTRACT

Intelligentvehiclerepresentsthedevelopmentdirectionofautomobiletechnology.Itembodiestheautomaticcontrol,artificialintelligence,sensortechnology,machinery,computersandmanyotherareasoftheintersectionoftechnologyandintegrated.ThispaperisbornunderthebackgroundofthethirdFreescaleCupNationalUndergraduatesIntelligentCarContestinchang’anUniversity.Theintelligentcarsystem,withtheFreescale16-bitsingle-chipMC9S12DG128asitscontrolmicroprocessor,usessignalacquisitionmoduletoobtainlaneimageinformation,andadoptssignalPIDcontrolstrategytogetherwithPWMtechnologytohaveacontrolonthesteeringangleandspeedofthesystem.Themainfunctionthattheintelligentcarmayachieveisthatthecarshouldtracktheblack-guide-lineautomaticallyandmoveforwardfollowingthelineasfastandstableaspossible.Thispapergivesanoveralldesignblueprintoftheintelligentcarsystem,introducethehardwaredesignincludingsignalacquisitionmodule,powersupplymodule,motordrivemodule,servomotormodule,velocitycollectionmoduleandetc.Andtheintelligentcarofthemechnicalstructureandadjustmentmetod.Finally,onthesmartcar’soveralldebuggingandtesting.Theresultsshowthatthesmartcarhardwaresystemstability,betterabletomeettherequirementsofcontrol.

KEYWORD：

IntelligentVehicleSystem,MC9S12DG128,

Photoelectricsensor,Speeddetection,

Mechanicalstructure

第一章引言1

1.1总体方案介绍1

1.2相关文献综述1

1.3本文的主要内容2

第二章赛车系统整体设计3

2.1智能车系统分析3

2.2系统硬件结构设计3

2.3系统软件结构设计4

第三章赛车机械结构调整5

3.1智能小车的整体结构5

3.2智能车运动学状态方程6

3.3前轮定位参数的选择8

3.3.1主销后倾角8

3.3.2主销内倾角9

3.3.3前轮外倾角10

3.3.4前轮前束10

3.4差速器的调整11

3.5齿轮传动机构调整11

3.6其他机械模块调整12

第四章路径识别模块13

4.1传感器的选择与安装13

4.1.1传感器的选择13

4.1.2传感器的安装14

4.2电路模块16

4.3路径识别算法18

4.3.1二值化路径识别算法18

4.3.2归一化连续路径识别算法20

第五章赛车转向模块23

5.1舵机的安装23

5.2舵机的控制24

5.3转向控制算法24

5.3.1转弯半径的计算25

5.3.2转向系统的标定25

5.3.3转向控制算法的数学模型30

第6章赛车驱动模块33

6.1硬件电路设计33

6.2车速控制算法35

6.2.1速度给定值

的确定36

6.2.2当前速度的获取38

第7章智能小车系统调试41

7.1开发调试工具41

7.2智能小车硬件的调试.41

7.3智能小车整体调试43

7.3.1实验赛道环境及参数43

7.3.2智能小车整体调试与结果43

第8章结论45

8.1总结回顾45

8.2未来寄语46

参考文献49

第一章引言

1.1总体方案介绍

仔细研究比赛规则和竞赛要求，我们对智能小车系统设计的基本策略作出以下分析：

第一，智能小车竞赛是基于同一开发平台上设计的小车竞速比赛，因而智能小车的速度和稳定性是决定比赛成绩的关键。

在保证智能小车稳定行驶的前提下，车速越高，比赛成绩就越好。

因此，在智能小车的设计中应该遵循稳中求快的基本原则。

第二，智能小车需要实现自主寻迹，因而需要选择合适的寻线传感器。

目前普遍采用的寻线方案主要有光电管寻迹和CCD摄像头寻迹。

光电管通过红外收发管检测接收到的反射光强弱，以此判断赛道黑线，具有反应速度快，电路简单，检测信息速度快，成本低的优点；CCD摄像头则是通过图像采集，动态拾取路径信息来进行寻线判断。

采用CCD摄像头寻迹则能大幅度提升小车的前瞻距离，有利于小车提高车速。

但是它是以实现小车视觉为目的的，电路设计复杂，检测信息更新速度慢，数据处理量比较大，算法较为复杂。

基于上述考虑，我们选择红外光电管作为寻线传感器。

第三，转向控制系统中最重要的部分是舵机。

智能小车采用的是Futaba牌舵机，型号为HS-3010，该舵机扭力大，稳定性好，控制角度精确，但是响应灵敏度较差，存在严重的机械滞后，而舵机的响应速度直接影响模型车通过弯道时的最高速度，提高舵机的响应速度是提高模型车平均速度的一个关键。

为了提高舵机的响应速度，我们安装了双舵机，分别对左前轮和右前轮进行控制，从而大大提高了舵机的灵敏性。

第四，由于速度是比赛的关键，那么在智能小车的设计中设计一个好的电机驱动电路至关重要。

试验中发现，MC33886电机驱动芯片存在发热严重的问题，所以智能车的电机驱动没有采用MC33886芯片，而是采用了基于H桥驱动电路的PWM控制技术，方便地实现电机的正转和制动。

1.2相关文献综述

智能车比赛以快速平稳地完成赛程为目标，要求赛车能够快速准确地检测黑色引导线，及时作出合理的控制并迅速执行。

在设计和制作过程中必须保证硬件和软件两方面都能达到快速，稳定的目标。

硬件是智能小车运行的基础，对小车机械系统的调整重点参考了黄开胜、陈宋的《汽车理论与智能模型车机械结构调整方法》，该文详细介绍了汽车系统动力学的基本理论，为小车的机械改装提供了有力的理论支持【2】。

智能小车的设计制作方案主要参考的是卓晴等老师编撰的《学做智能车》一书【2】。

该书将第一届全国大学生智能车竞赛各参赛队的技术方案进行了详细的介绍和总结，对智能车的设计提出了许多很有价值的建议。

与硬件设计一样，软件的设计中主要考虑了赛道状况的判断，根据赛道状况进行加速减速的实现，以及小车所走路经的最优选择等。

通过软件的功能保证小车以稳定为前提下，用最短的时间完成比赛。

主要参考周斌、李立国、黄开胜的《智能车光电传感器布局对路径识别的影响研究》【5】。

邵贝贝【3】文中详细介绍了如何在S12系列单片机上进行程序代码编译和CodeworriorIDE编译器使用方法。

对程序调试和软件开发提供了很好的参考和学习内容。

同时，对于S12芯片的寄存器设置和操作，参考了Freescale的S12相关资料【6】【7】【8】【9】。

1.3本文的主要内容

本技术报告正文部分总共分为8个章节，其中第1章是引言部分，介绍智能车比赛的相关背景；第2章介绍赛车系统整体设计，分析智能车的系统方案；第3章对赛车机械结构进行调整，并讨论了小车的运动学状态方程，为后面研究路径规划和控制方式打下基础。

第4章介绍路径识别模块的硬件结构和软件识别算法，为后面的转向控制提供控制信息。

第5章介绍了赛车的转向模块，包括舵机的安装和转向控制算法。

第6章介绍赛车的电机模块，首先介绍了电机的驱动电路，然后对车速控制算法进行介绍。

第7章介绍了智能车的软件开发和调试环境，先进行软件调试与仿真，再在赛道上进行试车调试，最后进行智能车的整体调试。

第8章对设计中遇到的问题进行总结，并对今后的改进方向做出展望。

第二章赛车系统整体设计

2.1智能车系统分析

在满足大赛要求的前提下，设计的智能小车应具有良好的自主道路识别能力和稳定性，并能以较快的速度行驶。

因此，智能小车系统的设计主要包括以下两部分：

1、完成智能小车控制器的硬件电路设计，根据大赛要求，调整和改进智能车模的机械结构，最大限度的发挥小车的性能。

2、结合软件算法，使小车转向准确、稳定，能够安全通过各种弯道和十字交叉路口。

在保证智能车可靠运行的前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同时应充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。

作为能够自动识别道路运行的智能汽车，信息处理与控制算法至关重要，主要由运行在单片机中的控制软件完成。

因此，控制软件的设计是智能车的核心环节。

2.2系统硬件结构设计

经过分析整个智能车系统，可知系统完成的功能如图2.1所示。

图2.1系统硬件结构框图

其中MC9S12DG128是系统的核心部分。

它负责接收赛道信息、小车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。

电源管理模块主要为单片机及路径识别电路、转向舵机、后轮驱动电路三大部分提供稳定的直流电源。

路径识别模块由S12的AD模块、传感器和外围电路组成。

其功能是获取前方赛道的信息，以供S12作进一步分析处理。

速度检测模块由S12的增强型捕捉计数模块、传感器和外围电路组成，通过检测赛车的实时车速为赛车的车速控制提供控制量。

舵机模块和电机驱动分别用于实现小车转向和驱动。

2.3系统软件结构设计

如果说系统硬件对于智能车来说是它的骨架和躯体，那么软件算法就是它的思想。

软件算法的优劣直接体现了智能车辆的“智能”高低。

所以软件系统对于智能车来说至关重要。

首先，赛车系统通过路径识别模块获取前方黑色引导线的信息，同时通过速度检测模块实时获取赛车的速度。

利用连续路径识别算法求得赛车与黑线位置的偏差，接着采用P方法对舵机进行控制，根据检测到的实时车速，结合模糊控制策略对赛车速度进行恰当的控制调整，使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。

赛车系统的软件流程如图所示。

图2.2系统控制流程图

第三章赛车机械结构调整

智能小车的机械性能对于其行驶表现具有非常重要的影响，任何控制算法和软件程序都需要通过智能小车的机械结构来执行和实现。

为使模型车在比赛中发挥出最佳性能，使其直线行驶稳定，入弯转向灵活，结合汽车理论相关知识对智能小车的运动特性进行分析，并据此对智能小车的底盘结构进行相应的调整和参数优化。

3.1智能小车的整体结构

本次比赛采用了大赛组委会提供的仿真车模，其主要尺寸参数如表3.1。

表3.1车模主要尺寸参数

基本参数

尺寸

车长

316mm

车宽

172mm

轴距

204mm

前轮距

142mm

后轮距

138mm/148mm

车轮直径

55mm

传动比

18/76

模型车的底盘结构图如图3.1。

图3.1模型车的底盘结构

3.2智能车运动学状态方程

在只考虑车辆的平面运动情况下，当转向时，车辆只做平面运动及平面旋转运动，如图3.2、3.3所示。

图3.2小车转向示意图

图3.3转向平面图

由角速度的定义可

公式1

公式2可以将车辆的角速度

表示如下：

公式3

其中，

为车辆后轮轴中心线速度，L为车辆轴距，

为前轮转角。

则小车方位偏差

为：

=

=

公式4

其中

为跟踪路径曲率变化对侧向偏差的影响，当跟踪路径为直线时其值为零。

不考虑车辆侧滑时，车辆前轮轴中心处速度矢量

为：

公式5则侧向偏差

公式6

其中

表示路径曲率变化对侧向偏差变化率的影响。

由公式4、公式6即构成状态变量为

及方向偏差

的赛车运动学状态方程：

3.3前轮定位参数的选择

为保证智能小车直线行驶稳定，转向轻便灵活并尽可能的减少轮胎磨损，需要对小车的前轮定位参数进行调整。

小车的前轮定位参数主要包括：

主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。

这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系。

3.3.1主销后倾角

主销后倾角是指主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角

，如图3.4。

主销后倾的作用是在车轮偏转后会产生一回正力矩，矫正车轮的偏转。

后倾角

越大，车速越高，车轮偏转后自动回正能力越强。

但回正力过大，将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并导致转向沉重。

通常后倾角值应设定在10--30。

模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角：

每侧有4片垫片，前2后2，对应的后倾角为00；前1后3，后倾角为20--30；前0后4，后倾角为40--60。

模型车转向灵活，可根据试验调试的结果，设定垫片按前1后3安装，将后倾角度设为30比较合适。

图3.4主销后倾角调整图

3.3.2主销内倾角

主销内倾角是指主销在汽车的横向平面内向倾斜一个

，即主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角，如图3.5。

主销内倾角

也有使车轮自动回正的作用。

当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度；当外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。

另外，主销内倾还会使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面的距离减小，同时转向时路面作用在转向轮上的阻力力矩也会减小，从而可使转向操纵轻便，同时也减小了由于路面不平而从转向轮输出的力反馈。

但其值不宜过小，即主销内倾角不宜过大，否则在转向时车轮主销偏转的过程中，轮胎与路面将产生较大的滑动，从而增加轮胎与路面间的摩擦阻力，不仅会使转向变得沉重，还将加速轮胎的磨损。

通常汽车主销内倾角不大于80。

图3.5主销内倾角、前轮外倾角示意图

3.3.3前轮外倾角

通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角α，称为“前轮外倾角”，如图3.5所示。

轮胎呈现“八”字形张开时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为“正外倾”。

前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或消除主销与衬套，轮毂与轴承等处的装配间隙，使车轮接近垂直路面滚动而滑动，同时减小转向阻力，使汽车转向轻便；另一方面还可以防止由于路面对车轮垂直反作用力的轴向分力压向轮毂外端的轴承，减小轴承及其锁紧螺母的载荷，从而增加这些零件的使用寿命，提高汽车的安全性。

一般前轮外倾角为10左右。

模型车提供了序号为EX-19的配件来调节前轮外倾角：

当所采用的配件上无数字4时前轮外倾角为00，当所采用的配件上有数字4时前轮外倾角约为10。

由于本模型车主要用于竞速，在设计中必然要尽可能减轻重量，所以其底盘承重不大，且前轮外倾角只两档可调，故设定为00即可，关键是前轮前束要与之相匹配。

3.3.4前轮前束

当车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。

由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑移的现象，从而增加了轮胎的磨损。

在安装车轮时，为消除车轮外倾带来的这种不良后果，可以使汽车两前轮的中心面不平行，并使两轮前边缘距离R小于后边缘距离A，A-R之差称为“前轮前束”，如图3.6如示，一般前束值为1-12mm。

像内八字样前端小后端大的称为“前束”，而像外八字一样后端小前端大的称为“后束”或“负前束”。

图3.6前轮前束示意图

模型车是由舵机带动左右横拉杆实现转向的。

主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小。

左杆短，可调范围为10.8-18.1mm；右杆长，可调范围为29.2-37.6mm,由上述原理可知，前轮前束须与前轮外倾角相匹配，如前轮外倾角设定为0°，则前轮前束须为0mm或只有很小的前轮前束值。

3.4差速器的调整

当车辆在正常的过弯行进中（假设：

无转向不足亦无转向过度），此时4个轮子的转速（轮速）皆不相同，依序为：

外侧前轮＞外侧后轮＞内侧前轮＞内侧后轮。

此次所使用车模配备的是后轮差速机构。

差速器的特性是：

阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高。

以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。

差速器的作用就是保证小车在转弯时内外驱动轮能以不同的转速作纯滚动运动，避免发生车轮拖滑。

差速器的性能对于小车过弯时的表现有着非常重要的影响，因此，对于差速器的调整是小车机械调整的重要环节。

因此，为保证良好的差速效果，对差速器进行调整的关键是要调节好压盘和滚珠之间的压紧力。

具体的调整方法是：

调节后轴螺母，使压盘和滚珠之间松紧适中，捏住减速齿轮使其固定同时转动一侧车轮，检查车轮的转动是否迟滞艰涩；此外，还要观察该侧车轮向前转动的角度是否与另一侧车轮向后转动的角度基本相同；然后将小车满载放置于赛道上，同样捏住大齿轮然后拉动小车转弯，观察后轮相对地面滑动的情况，调节后轴螺母，使得后轮与地面基本不发生拖滑为宜。

这样小车在入弯时既能灵活转向，又能避免车轮侧滑。

3.5齿轮传动机构调整

智能小车后轮采用RS-380SH-4045电机驱动，由竞赛主办方提供。

电机轴与后轮轴之间的传动比为9：

38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。

齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。

齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响小车的动力性能。

对齿轮传动机构进行调整的原则是：

保持电机齿轮和减速齿轮之间啮合具有合适的间隙。

齿轮啮合过松，会影响动力传递，并且容易打坏齿轮，啮合过紧，又会增加传动阻力，浪费动力。

在调整齿轮啮合间隙的时侯可以先慢慢转动后轮，看看在啮合时有没有打齿的现象。

然后用电机带动后轮空转，听听两齿轮啮合时的声音，如果声音很大很刺耳，说明齿轮间的间隙过大，啮合效果不理想，如果声音发闷或有明显的“嗒、嗒”声，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载较大。

据此，可以通过调节电机安装螺钉的位置对两齿轮啮合间隙进行调整。

调整好的齿轮，应无打齿现象，传动噪音也很小。

另外，为使齿轮啮合顺畅、平稳，减少传动阻力，还应该经常对齿轮进行润滑和保养。

3.6其他机械模块调整

在调试过程中，除去对以上部分的调整以外，其他机械部分也要酌情调整。

悬挂臂、转向联杆的动作要灵活自如，准确无误；主悬架要松紧适度；驱动电机的螺丝一定要上紧，并要经常检查，一旦在行驶中松动就会造成零件的损坏。

调试中还发现主悬架的第二个螺丝容易松动，测试时要检查是否上紧。

第四章路径识别模块

检测赛道相对车模的偏移量、方向、曲率等信息是实现赛车自主沿着赛道运行的信息基础，获取更多、更远、更精确的赛道信息是提高赛车运行速度的关键。

道路识别方式有很多种，总体上可以分为两大类：

方案一：

传感器采用CCD/CMOS摄像头检测方式，简称摄像头方式。

摄像头方式的优点是探测距离远，探测精度高，但摄像头方式电路设计复杂，需要视频信号同步分离、工作12伏电源电路等辅助电路，软件计算量大，检测信息更新速率慢。

方案二：

使用红外检测方式，它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。

由于赛道由黑白两种颜色组成，白色为底色，黑色是路径，通过判断红外接收管端电压可以检测黑线与小车中位的偏差。

通过合理安排红外发射/接收管的空间位置可以检测到模型车前方道路相对车模的位置。

该方案的优点是电路简单、信号处理速度快。

综合考虑上述两个方案的优缺点，最后选择第一种方案：

红外检测方式。

4.1传感器的选择与安装

4.1.1传感器的选择

为了使智能小车的前瞻距离变大，在选择光电传感器时，可选择发射功率大、探测距离远、接收灵敏度高的传感器。

可以选择独立的红外发射与接收管，也可以选择一体化的选择发射/接收管。

为了选择合适的光电传感器型号，设计了传感器选择电路，如图4.1所示。

图4.1传感器选择电路

4.1.2传感器的安装

1、光电传感器的布局与安装间距

光电传感器的布局可以采用直线排列、折线排列和圆弧排列等形式，也可以采用一排安装或多排安装的形式，由于直线排列的控制策略较为简单，故本系统采用一字型直线排列的布局方案，如图4.2所示。

图4.2光电传感器一字形排布

根据赛道规则，中间黑色导引线的宽度为25mm，要求传感器个数最多为16。

除掉一个转速传感器，可用于探测路径的传感器为15个。

传感器的安装一般要满足传感器下面的道路中心线可以引起一个或者相邻两个传感器响应为准，而传感器允许的布置宽度为25cm。

因此，设定传感器间隔时既要满足一定的密度以保证过弯道时轨迹相对精确，又要尽可能的防止舵机盲目打舵降低小车的速度，通过反复测试，最后选择安装13对相互独立的光电传感器，间距设为17.5mm。

2、光电传感器径向探出距离

径向探出距离是指光电传感器距离车头的径向距离。

它主要影响智能小车的前瞻性。

由于舵机、电机和车都是高阶惯性延迟环节，从输入到输出需要一定的时间，越早知道前方赛道的信息，就越能减小从输入到输出的滞后。

检测车前方一定距离的赛道叫做前瞻，在一定的前瞻范围内，前瞻越大的传感器布局方式，其极限速度就会越高。

在过弯过程中，由于能探测到赛车前方较远位置的赛道信息，有大前瞻的赛车就会出