光电第四届天津工业大学一队技术报告.docx

光电第四届天津工业大学一队技术报告.docx

《光电第四届天津工业大学一队技术报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电第四届天津工业大学一队技术报告.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

光电第四届天津工业大学一队技术报告

第四届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车邀请赛

技术报告

学校：

天津工业大学

队伍名称：

天津工业大学一队

参赛队员：

罗强

杨雪

蒲旭强

带队教师：

陈奕梅徐国伟

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛关于保留、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

1.1智能车制作情况

在参加第四届全国大学生智能汽车比赛的过程中，本组成员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们平时所学知识的融合和实践动手能力的培养有极大推动作用。

本组智能车系统按照功能划分为：

电源模块、单片机模块、运行模式切换模块、路径识别模块、直流电机驱动模块、转向伺服模块、速度测量模块等。

其中电源模块，单片机模块，运行模式切换以及识别模块的信号分离部分已经被我们整合到一块主电路板上，以减少外接导线的个数，使整个小车外观更加简洁。

同时将主电路板安置尽量靠近底盘，以降低重心，使小车在运行过程中更加稳定。

电机驱动部分采用低压MOS管组成的H桥，允许电流较大，反向制动时不易烧坏，驱动能力也不比33886差。

还对转向伺服电机的力臂进行加长等臂处理，使其转向更加灵敏。

基于以上的硬件设计，配有合适的软件处理：

包括电机PI控制算法，路径识别分段控制等。

使整个小车运行起来更加快速稳定。

1.2技术报告内容安排说明

此技术文档的正文部分大致分为三个部分：

机械部分，电路设计部分和软件部分。

机械部分包括我们对智能车机械结构在大赛允许范围内所做的改装；电路设计部分包括各个模块的电路设计方案以及相关电路；软件部分包括光电管数据处理、寻迹、调速等控制策略说明。

第二章机械部分

2.1车模系统改装

此次比赛本队选用组委会提供的仿真车模，包括底盘、舵机、前后轮以及驱动电机。

在机械的调整上，主要对传感器支架的安装、舵机、前轮定位、后轮差速、齿轮咬合等方面进行了调整。

2.1.1传感器支架的安装

（1）安装原则：

①激光管在车模中心线左右的个数一定要相等，位置一定要对称，因为一旦激光管的位置不对称，那么就会出现模型车运行时，黑线不在其正下方，而是在其一侧，偏左或是偏右。

这样就带来了一个问题，有可能模型车顺时针方向转向比较顺畅，因为它一直在走内圈，而逆时针运行时，小车一定会经常处于外圈，那么转弯时就有可能比较困难，甚至冲出跑道。

②激光管的位置要尽可能的低，以降低车模的重心，降低车模在转弯的过程中不会出现侧滑甚至倾覆的可能性，

③在保证接受状况良好的前提下，激光管的垂直角度要尽可能的大，使激光照射的距离更加远，增大前瞻，更早的采集到前面路况的信息

④激光管的支架应尽量考后，使车模整体的中心在中心线靠近驱动轴的位置上。

因为车的驱动力必须大于等于坡度阻力、滚动阻力、空气阻力之和而等于汽车驱动轮的附着力。

附着力与路面附着系数和驱动轴的轴荷有关，而驱动轴的轴荷取决于重心的水平位置，故重心位置必须保证驱动轮能够提供足够的附着力。

仅从此方面考虑，重心越靠近驱动轴越好。

（2）基于以上几点考虑，激光管的位置安装如图2.1。

图2.1

本队将激光发射管安装在车体中间，前排安装激光接收管，在在保证接收良好的情况下，尽量降低了安装的位置。

2.1.2.舵机的安装

本队在制作初期阶段采用如下所示（图2.2）的安装方法，使舵机中心距前轮两侧的垂直距离相等，这样安装优点在于前轮的连杆距离舵机中心比较远，只要舵机转动很小的角度，角度就会被放大，车轮就能转动很大的角度，而且转动过程中阻力较小，转弯很灵活，走直线也不易出现左右摆动的情况。

但缺点在于，舵机占用了车头很大的位置，使车头部易安装其他部件，而且增高了车模的重心，鉴于此，本队采用车模说明书上的介绍的安装方法，这样降低了车模的重心，而且转弯过程中所要克服的力矩增大，这样在转弯时车模减速很快，更有利于转弯。

图2.2

图2.3

2.1.3前轮定位

现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，其主要的参数有：

主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。

智能车竞赛模型车的四项参数都可以调整。

（1）主销后倾角

主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。

它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。

所以，主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重。

通常主销后倾角值设定在1°到3°。

模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，为了增加转向的灵活性，本队采用前一后三的安装方法。

图2.4

（2）主销内倾角

主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前轮自动回正。

图2.5

角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。

通常汽车的主销内倾角不大于8°。

对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为0°~3°左右，不宜太大。

主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。

不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。

（3）车轮外倾角

前轮外倾角是指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，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。

在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。

如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。

所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在1°左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。

模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。

由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0°即可，并且要与前轮前束匹配。

（4）前轮前束

所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。

前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。

前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。

像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。

在实际的汽车中，一般前束为0~12mm。

图2.6

在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。

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以改变前轮前束的大小。

在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束0~2mm可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。

4．差速的调整

模型车的差速对转弯时的影响很大，差速不好会导致后轮空转，在直道上行进时加速很慢，弯道上发生侧滑现像。

我们为后轮涂抹润滑油，采用较紧的差速，使得模型车在转向时，右轮与后轴之间的摩擦大大降低，从而提高了差速的效果，提高了小车的转向性能。

5．齿轮咬合

模型车电机轴与后轮轴之间的传动比为18：

76（电机轴齿轮齿数为18，后轴传动齿数为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。

所以要使两传动齿轮轴保持平行,齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。

判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。

声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。

调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。

6.底盘的调整

本队为降低车模整体重心，将前轮底盘降低了3mm,，后轮采用3:

7的高度调节片，降低了车模整体的高度，经降低前后比较，发现降低后车模在过弯以及过坎时的抖动大大降低了，效果明显优于没有降低时。

2.2路径识别传感器设计与安装

智能车系统传感器的选取对智能车的性能有着至关重要的作用。

本队队员在制作的过程中，对传感器的选取，传感器的排布、安装做了详尽的比较和试验。

2.2.1传感器的选取

开始制作本次比赛前，对红外发光二极管与激光管进行了仔细的比较。

红外发光二极管光较弱，且光发散，不利于远距离的反射，限制了车的前瞻性。

激光管相比红外发光二极管，光强，光的平行性好，相比之下更适合远距离的反射，有利于提高车的前瞻性。

所以，最后选择了激光管做为传感器。

方案一单排激光管方案

1.激光管布局及安装

单排布局常见的有“一”字型“八”字型“V”字型等，“一”字型排布能检测一排的道路情况，判断出黑线的位置，精确度较高。

“八”字型排布能够精确的检测出直道，但在弯道的时候反应滞后。

“V”字型排布在过弯的时候能够提前检测到，提前判断，但在直道的时候精确度不高。

综合这些方案，我们选择了“一”字型排布。

图2.7　“一”字型布局　

共采用了13个发射管，中间的三个激光管排布较密，各相距1cm，在直道的时候能够较快的把车回正。

两边的激光管各以1.5cm的间距排列，若管子间距太大，会出现漏检的情况，降低了检测精度。

若管子间距太小，由于传感器个数的限制，又势必会降低检测的横向距离。

图2.8　带倾角安装传感器

为了提高前瞻性，采用了带倾角的传感器安装方法。

经实际测试得到发光二极管与水平线倾角65度，距地高11cm，最远探照距离为25cm为最优方案，使得小车能提前进行转弯、减速等一系列动作，。

2.数据采集处理

对激光接收管数据的采集主要分为数字模式和模拟模式，为了减少其它光线的干扰，对发射采用了调频电路。

针对复杂的电路，为了使处理简便，采用了数字模式，使用普通I/O口对激光接收管的电压进行采集，得到小车偏离黑线的距离。

通过加权对采集到的赛道情况进行处理，将多个管子同时覆盖黑线的情况细化，增加了角度的连续性。

实践证明，该方案能较好的克服数字量单一不连续的缺点，使角度连续化。

方案二双排激光管方案

1.双排激光管布局

图2.9双排激光管

由于单排激光管检测的是一排的道路情况，当出现错误时，自动纠正能力不强，为克服单排检测的不足和提高小车的整体速度，我们设计了第二个方案：

应用双排激光管。

布局如上图2.9第一排为9个激光管，依然保持65度的倾角，第二排为6个激光管，保持45度的倾角。

两排相距10cm。

2.控制策略

本方案为提高小车检测的准确性，提高小车的整体速度。

两排激光管可以通过判断趋势相互纠正错误，提高道路检测的准确性，减少因为传感器的不稳定造成的错误。

控制策略：

前面的一排具有较好的前瞻性，通过前面一排检测道路的前瞻信息，后面一排检测距离的较近，比较稳定。

将两排激光管检测到的路径进行比较，计算出两者的偏差值，根据偏差值的大小，判断道路情况。

运用这种方案能够比较精确的分辨出弯道的情况，有利于过弯。

3.不足之处

由于传感器个数的限制，用两排是以牺牲单排检测横向宽度为代价的。

两排虽然提高了检测的准确性，但是检测道路的横向宽度减小，小车的整体速度受到了很大的限制。

故放弃了该方案。

2.3测速模块设计与安装

2.3.1方案一：

测速发电机

此种方法检测速度准确，但测速电机体积过大且价格昂贵，其安装也不易，所以我们否决了这种测速方案。

2.3.2方案二：

霍尔效应器件

采用霍尔集成片。

该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数来进行车速测量。

此方案所构成电路体积小，安装容易。

但在测试过程中发现小车的车轮较小，磁片密集安装比较困难，容易产生相互干扰。

2.3.3方案三：

光电码盘

本方案采用红外对射元件和自制的18孔码盘，红外接收管所得波形经555芯片所构成的滞回比较器整形后变成矩形波输入单片机。

18孔码盘

555芯片

图2.15

红外对射管

经测试，此方案检测速度比较准确，且结构简单，体积较小，本组成员经讨论后采用此种速度检测方式。

第三章智能车硬件设计

3．1MC9S12XS128芯片主板电路

3．1.1MC9S12XS128芯片介绍

图3.1MC9S12XS128芯片引脚图

☆16位XS12中心处理器（CPU）

☆40M系统总线

☆片内存储器：

128KFlash和8KRAM

☆ADC：

16通道，12位AD转换

☆1MCAN总线

☆工作电压3.135V-5.5V

☆适合温度–40°C-125°C

3．1.2MC9S12XS128芯片外围电路

☆晶振电路

图3.2晶振电路

☆滤波电路

图3.3芯片滤波电路

☆复位电路

图3.4复位电路

3．2电源管理模块

电源模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应选好合适的电源。

竞赛规则规定，比赛使用智能车竞赛统一配发的标准车模用7.2V2000mAhNi-cd供电，而单片机系统、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要5V电源，伺服电机工作电压范围4V到6V（为提高伺服电机响应速度，采用7.2V供电），直流电机可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电，智能车电压分配示例见图3.5。

5V电源模块用于为单片机系统、传感器模块等供电。

我们选用了常用的开关型稳压电源MAX603和LM2576-5。

前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却比较复杂，电路的纹波大。

对于单片机，需要提供稳定的5V电源，由于MAX603的稳压的线性度非常好，所以选用MAX603单独对其进行供电；而其它模块则需要通过较大的电流，而LM2576-5，转换效率高，带载能力大，缺点是其纹波电压大，不适合做单片机电源，不过对其它模块供电还是能保证充电的电源。

利用MAX603和LM2576-5对控制系统和执行部分开供电，可以有效地防止各器件之间发生干扰，以及电流不足的问题，使得系统能够稳定地工作。

电源分配图：

图3.5电源配置示意图

3．2.1LM2576稳压电路

图3.6LM2576电源电路

3．2.2MAX603稳压电路

图3.7MAX603电源电路

3.3智能车传感器模块设计

在确定智能车总体方案时，我们选择光电传感器的方案。

为了获得更大前瞻距离，为控制系统后续处理赢得更多的时间，在从众多光电传感器中选择了大前瞻的激光传感器，前瞻距离可以达到普通光电传感器的数倍甚至十几倍，完全满足竞赛的要求。

3．3.1光电传感器的原理

光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管，如图3.8，由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来。

图3.8光电传感器原理

3．3.2激光传感器的设计

激光传感器与普通的光电传感器原理都是一样，但是其前瞻能力远大于普通的光电传感器，可以达到30-40厘米，对于智能车来说已经足够。

在竞赛中，规则规定传感器最多不能超过16个，我们选用了13个激光传感器，所有的传感器呈“一”字排布。

如图，激光传感器由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部份。

发射部份由一个振荡管发出180KHz频率的振荡波后，经三极管放大，激光管发光；接收部份由一个相匹配180KHz的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入S12单片机的PA和PB口，检测返回电压的高低。

由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。

图3.9激光发射接收电路

为了简化13路激光传感器的控制，减少激光传感器相互之间的干扰，传感器的控制采用了分时发光的策略，用SX128的IO口控制激光管的通断，同一时间控制每组相隔最远的两路传感器发光，这样接收管就接收不到相邻传感器发射的激光了，因而达到了防止相互传感器之间干扰的目的。

3．4测速模块

3．4.1测速的硬件部分

本作品采用光电耦合管配合自制的码盘，产生一系列数字脉冲，然后通过

输入捕捉来采集速度值。

图3.10码盘结构

如上图，将自制码盘放在光电耦合管的槽内，同时又和赛车的电机的转动

轴相连。

光电耦合管的发射端发射的红外光，通过码盘的间隙到达接收端。

当

电机转动时，接收端便以一定的频率接收到红外光线。

3．4.2测速模块使用电路

图3.11测速模块电路

当电机转动时、会在555定时器的第2个端口产生一定频率的信号（大致为正旋波），频率与电机的转速有关。

经过555定时器组成的斯密特触发器的整形，out_put端会产生同频率的矩形波信号，这样的信号就可以被单片机采集了。

以上555斯密特触发器电路的阈值电压为VCC/3和VCC*2/3。

因此需要通过R1和R2的选取将In_put的低电平电压调到VCC/3以下，高电平电压调到VCC*2/3以上。

满足这个条件，测速模块的电路就能很好的工作了。

3．4.3测速方法

通过SX128单片机的输入捕捉功能测取矩形波信号上升沿和下一个上升沿之间的时间T（对应于码盘转过一个空需要的时间）。

已知电机传动比为18：

76（小齿轮的齿数为18个、大齿轮的齿数为76个），测得后轮转动一周对应

的行驶距离为0.17m，设码盘的孔数为N，则速度可由以下公式求得：

Speed=（0.17*18）/（76*N*T）公式1

上面的公式事实上是一种理想情况，它需要满足的条件是：

码盘的N个孔

分布均匀，同时每个孔对应得弧角也都相同，但事实上码盘很难满足这个条件。

为了提高测速的准确性，我们采用了求平均的方法，即在每次输入捕捉中

断时取最近N次的时间T值相加，取平均得出最终的T值代入上式。

因为码盘N个孔对应的弧角和为360固定不变，这种方法避免了由码盘孔分布不均产生的误差，但也同时增加了测速的滞后性。

经过计算，码盘转动一周时小车大约行驶4cm，如果小车以2m/s-3m/s的速度行驶，大约需要13ms-20ms。

则由上诉算法带来的滞后性大约为6.5ms-10ms。

这样的滞后时间在调速的过程中是完全可以忍受的。

3．5舵机转向模块

舵机的转向模块是赛车上的重要模块，赛车灵巧的转向是其能快速过弯的

保证，所以如何加快舵机的响应速度是进行舵机改造时要考虑的关键问题。

所

以我们进行了几个方面的改造，这几方面在赛车机械结构的调整一节已经详细

阐述，在这里就不再复述了。

在这里主要介绍以下舵机的原理及应用。

3．5.1舵机的结构

舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k，直流电机、控制电路板等；

图3.12舵机结构

3．5.2舵机工作原理

控制信号→控制电路板→电极转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈→电位计→控制电路板反馈；

3．5.2.1舵机基本参数：

型号：

S3010

尺寸：

40.0*20*38.1（mm）（L*W*H）

重量：

41（g）

动作速度：

6.0V时0.16＋0.02〔Sec/60度〕

输出扭矩：

6.0V时6.5＋1.3〔Kg.cm〕

动作角度:

60＋10度

使用电压：

4.0V～6.0V

3．5.2.2舵机控制方法

　三线连接法：

　黑线：

地线

　红线：

电源线（7.2V）

　白线：

信号线（PWM信号）

图3.13舵机插头

当单片机信号是1ms正脉冲时,舵机转向-60度位置

当单片机信号是1.5ms正脉冲时,舵机转向度0度位置

当单片机信号是2ms正脉冲时,舵机转向+60度位置

图3.14舵机控制信号

3．6电机驱动模块

赛车的速度是决定比赛成绩的重要因素，而驱动电路和电机的选取决定了

赛车速度所能达到的最高极限。

所以电机驱动模块是赛车最重要的模块之一。

我们首先采用了PMOS和NMOS管构成H桥作为电机驱动。

图3.15H桥驱动电路

此驱动电路达到了小车驱动的要求，但是由于MOS管开断时间比较长，不利于急加减速。

小车易堵转而发热。

为此选用新的驱动芯片作为电机驱动。

图3.16驱动电路

3．7主控板设计

3．7.1智能车控制系统主控电路图：

图3.17XS128主板设计图

智能车系统以MC9S12XS128为控制核心，可以直接利用我们学校研发的最小系统板，另外再设计了一块外围电路的主控板。

MC9S12XS128单片机在控制系统所需要使用的管脚如下，主要包括了传感器控制与检测部分、电机驱动部分、ECT、BDM调试接口以及其它常用电路的接口等。

表4.1MC9S12XS128单片机管脚分配表

S12单片机管脚分配

IO

PA0-PA7

光电传感器检测

PB0-PB2

光电传感器检测

PS1-PS7

光电传感器控制

PT3-PT6

4路拨码开关

PAD0-PAD7

备用I/O口

PH2-PH7

6路选择指示灯

ECT

PT7

码盘脉冲检测

PWM1

伺服电机PWM

PWM2

直流电机PWM

PWM3

直流电机PWM

PWM4-PWM7

备用PWM

串口通信

RXD0

串口接收

TXD0

串口发射

3．7.2接口模块

接口模块的作用即外部设备单片机的接口，分别有电机接口，转向主舵机接口，伺服电机接口，光电编码器接口，电源接口。

第四章系统控制算法

4.1路径识别技术

智能车的算法是车的核心部分，是影响车的动态性能的重要因素之一。

我们选用了激光管一字形排列的排列方式，输入信号简单明确。

但是由于硬件条件的限制，此类安装方式会导致每次所获路道信息比较少，因此需要用一种有效的算法来弥补该缺陷。

4.1.1传感器的安装和数学模型的建立

在不超出传感器数目的情况下，本模型车等距直线安装13个激光发射管，离地垂直高度12cm，仰角45度左右，前瞻性大约25cm，由于在该距离下接收会出问题，故将接收管前移，确保获得信息的准确性。

在一字型排列中需要保证相邻两个传感器的间距足够大，但是不能大于黑线的宽度，经过验证我们选用了1.5cm的间距，这样就能保证赛车在黑线附近时，总有传感器能检测到黑线，并且获得准确的路径信息。

图4.1传感器的排列