杭州电子科技大学信息工程学院-杭电信工1队技术文

【第五届智能车技术报告】光电组杭州电子科技大学信息工程学院-杭电信工1队技术报告

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛技 术 报 告学校：杭州电子科技大学信息工程学院队伍名称：杭电信工 1 队 参赛队员：俞春阳 带队教师：陈龙 郭林杰 刘国华 吴文凯IPDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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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五届 “飞思卡尔” 杯全国大学生智能汽车邀请赛关于保留、 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：俞春阳郭林杰 吴文凯带队教师签名：日 期：陈龙 刘国华2010.8.10IIPDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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摘 要本文介绍了杭州电子科技大学信息工程学院杭电信工 1 队队员们在准备第 五届“飞思卡尔”杯智能汽车大赛过程中的工作成果。 智能车的硬件平台采用带 MC9S12XS128 处理器的 S12 环境，软件平台 为 CodeWarrior IDE 4.7 开发环境，车模采用大赛组委会统一提供的 1：16 的 仿真车模。文中介绍了智能小车控制系统的软硬件结构和开发流程。本智能车 采用激光摆头寻迹加红外对管辅助的方案，单片机接收到激光、红外返回来的 赛道信息后通过处理识别前面的路径配合编码器测速来控制速度、采用自制 H 桥电路控制电机。整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处 理、控制算法和策略优化等多个方面。为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性， 试验了多套方案，并进行改进和升级，针对光线强度对传感器的影响进行了大 量底层和选型测试，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。 经实际场地测试，本车模系统可以很好的适应大回环，蛇形弯， “十”字 交叉， 各种半径的大小 “S” 湾等不同的赛道类型以及不同类型赛道的不同组合。 在我们的 78 米练习赛道上，我们的车模单圈最短时间为 25s，速度达到达到 3.1m/s！ 关键字：智能车，激光传感器，编码器，路径识别，PWM 控制，PID 算法， 摆 头寻迹 ，机械结构IIIPDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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目录摘 要......................................................................................................................... III 第一章 引言......................................................................................................... - 1 1.1 概述......................................................................................................... - 1 -1.2 方案内容安排............................................................................................ - 2 第二章 技术方案概述......................................................................................... - 3 第三章 总体机械设计方案................................................................................. - 5 3.1 舵机部分设计............................................................................................ - 5 3.2 前轮部分设计............................................................................................ - 6 3.3 电机部分设计............................................................................................ - 7 3.4 底盘部分设计............................................................................................ - 8 3.5 前中后差速部分设计................................................................................ - 8 3.6 PCB 板尺寸设计及其安装...................................................................... - 10 第四章 硬件电路设计方案............................................................................... - 11 4.1 电源管理模块设计.................................................................................. - 11 4.2 电机驱动模块设计.................................................................................. - 13 4.3 MC9S12XS128 最小系统模块设计.......................................................... - 15 4.4 激光发射接收模块设计.......................................................................... - 16 4.5 运放模块设计.......................................................................................... - 17 4.7 速度检测模块设计.................................................................................. - 18 4.8 液晶键盘模块设计.................................................................................. - 19 第五章 软件设计方案....................................................................................... - 20 5.1 软件设计总体思路................................................................................. - 20 5.2 循迹随动子程序设计.............................................................................. - 21 5.3 打角舵机子程序设计............................................................................. - 22 5.4 PID 控制算法.......................................................................................... - 22 5.5 PID 参数设定.......................................................................................... - 23 5.6 软件心得.................................................................................................. - 24 IVPDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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5.7 软件开发环境.......................................................................................... - 24 5.8 调试.......................................................................................................... - 25 第六章 模型车参数........................................................................................... - 28 第七章 结 论..................................................................................................... - 30 7.1 系统的特色.............................................................................................. - 30 7.2 系统的不足.............................................................................................. - 31 7.3 对系统的期望.......................................................................................... - 31 参考文献............................................................................................................. - 32 致 谢................................................................................................................. - 33 -附录 A 车模系统 C 语言源程序........................................................................ - 34 -VPDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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第一章 引言1.1 概述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。该竞赛与己举办的全国数学建模、电子设计、机械设计、 结构设计等 4 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，本组使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔 16 位微控制器 MC9S12XS128 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 MCU 等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车 体状态的智能车控制硬件系统。 为了准备第五届飞思卡尔智能车竞赛我们从 2010 年 1 月开始组队，历经 6 个月努力，在上一届比赛经验的基础上我们对激光发射管和接收管及接收方式 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，由于今年采用新车模从以前的两驱换 成了四驱机械结构变复杂了，而且今年车模的质量确实存在着许多问题所以花 了我们大量的时间来搞机械。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， 小车的寻线方式从最先的线性拟合到现在位置加权，最终确定的适应性更强的 优化的位置加权的方法。控制算法上，采用 PID 和模糊算法结合的方式。-1-PDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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1.2 方案内容安排本技术报告的正文分为四个部分。第一部分是对整个系统实现方法的一 个概要说明，主要内容是对整个技术方案的概述；第二部分是对系统机械结构 的说明，主要介绍系 PCB 板的安装、前轮参数调整和舵机的安装等；第三部分 是对硬件电路设计的说明，主要介绍系统传感器的设计及其他硬件电路的设计 原理、创新点和实现过程等；第四部分是对系统软件设计部分的说明，主要内 容是智能模型车设计中主要用到的控制理论、算法说明及代码设计介绍等。-2-PDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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第二章 技术方案概述本模型车的制作的主要思路是利用激光管来判别前方的跑道轨迹，并且采 取舵机摆头方案，保证激光管打出的点时时照在黑线上，不出现丢线的情况， 将信息采集到 S12 单片机中。在 S12 单片机中利用一定的算法来控制模型车的 运行状态。 模型车的控制系统包括电源管理模块、MCU 模块、激光发射接收模块、 电 机驱动模块、舵机控制模块、速度测量模块、液晶按键控制模块等。在整个系 统中，由电源管理模块实现对其他各模块的电源管理。其中，对单片机、红外 对管、速度测量电路，提供 5V 电压，对舵机提供 6V 电压，对激光管和液晶键 盘电路提供 3.3V 电压。系统框图如图 2.1。图 2.1 系统原理框图-3-PDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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本模型车是由四轮驱动的， 路径识别模块则采用激光管传感器摆头寻迹方 案。即路径识别电路由 12 个激光管与 8 个接收管组成。由于赛道中存在轨迹指 示黑线，落在黑线区域内的光电接收管接收到反射的光线的强度与白色的赛道 不同，进而在光电接收管两端产生不同的电压值，由此判断行车的方向。路径 识别模块会将当前采集到的一组电压值传递给 MCU 模块，前轮舵机根据传感 器附属舵机 PWM 值来综合考虑打角度数。速度测量模块则安装在车尾部，它 会测量出模型车行驶过程中的瞬时速度。液晶按键控制模块会显示并设定模型 车在行驶过程中一些较重要的参数，如：直道速度、弯道速度等。测量出的瞬 MCU 时速度将输入到单片机中， 以帮助分析确定模型车下一步的速度、 转角等。 模块会根据按键的设定值，路径识别模块采集到的电压值以及速度测量模块反 馈回的瞬时速度值等综合分析，采用一定的算法对舵机和直流电机进行控制。 以上即是技术方案的概要说明。-4-PDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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第三章 总体机械设计方案本届飞思卡尔智能车竞赛是第一次使用 B 型车模， 相比于往年的 A 型车模， B 车模的前后车架更加复杂，可调整的参数也增加许多。 B 型车模的原型是日本 KYOSHO 产的 Mini Inferno，是标准的 1:16 电动越 野车模型车。该车属四轮驱动，电机放于底盘左前端，通过传动齿、中差速器 分别驱动前后轮。舵机放于底盘右前端，通过舵机保护器控制前轮转角。车体 前后桥各有差一个齿轮速器，大大提高了 B 型车的转向能力。3.1 舵机部分设计为了增加赛车转弯灵活性，首先，我们将舵机力臂加长到 35mm。这样，对 于同样的转弯角度值，只需更小的舵机转角，减小了舵机转弯时惯性带来的虚 位影响，提高了舵机打角的反应速度。其次，我们将舵机斜着安装，使舵机传 动轴与结合架相垂直，这样有利于控制打角与提高传动效率。 由于我们采取的是摆头方案， 需要在底盘中央与前桥之间再安装一个舵机， 用来架设激光发射与接收电路，此方案最大的优势在于赛车的弯道转弯时不容 易丢失黑线信息，能显著提升赛车速度。前轮打角舵机安装图见图 3.1。图 3.1 前轮打角舵机安装图-5-PDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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3.2 前轮部分设计调试中发现，在赛车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而 增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了 调整。 前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨 损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前 束等 4 个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。 1）主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动 回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损 增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。B 车模可通过调节上悬臂 来调整内倾角，上悬臂越短，内倾角越大。综合考虑，我们的内倾角变化中 10 度至 15 度之间。 2）主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时 产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢 复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈 好。但 B 车模的后倾角是定死的 20 度，故我们也没有更改倾角。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，因此高速时后倾的回正作 用大，低速时内倾的回正作用大。 3）前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向 安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字” ，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外八字角度，这个角度约在 1°左右。 4）车轮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，其惯性力会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。 为了增加赛车转弯稳定性，我们增加上悬臂的的长度，使车轮略微外倾，车 轮外倾角大概在 1 度至 2 度之间，这样，在赛车转弯时，前轮重心下降，促使 赛车转弯更加稳定。再次，我们通过更改下悬臂的长度，同样增加了前轮的稳-6-PDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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定性。 5）至于后轮内倾角，综合考虑赛车的稳定性，我们将后倾角调整在 0 度， 这样还有的好处就是是便于前桥倾角角度的调整。减少了影响因素。3.3 电机部分设计赛车采用 380 电机作为全车的驱动，电机由竞赛主办方提供。齿轮传动机 构对赛车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，从而影响到最终成绩。调整的原则是：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;传动部分要轻松、顺畅，容易转动。判断齿轮传动是否调整好的一个依 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，咬合过紧，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。调整好的齿轮传动噪音 小，并且不会有碰撞类的杂音。同时在电机传动齿轮上安装速度测试模块，我 们采取的是 42 齿光电编码器，通过编码器，MCU 得到赛车的时时速度反馈， 从而进一步地实行速度控制。由于今年是四驱驱动电机与中差速都在车模中央 不利于编码器的安装，所以我们使用定制的编码器，它的体积相对较小，可以 减少占用的空间。我们将编码器安装于电机的左下角，齿轮直接与电机齿轮啮 合。电机编码器中差速安装图见图 3.2。图 3.2 电机编码器中差速安装图-7-PDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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3.4 底盘部分设计通过缩短前避震连杆的长度，可以达到降低前桥重心的效果。增长后避震 连杆的长度，使后轮重心升高，这样，车身前倾，一定程度上增加了车的稳定 性，减小前轮在过弯时的震动，同时，还能减缓车体过弯时的甩尾和倾侧趋势。 另外，由于今年的 B 型车模底盘材质相对较软，底盘容易弯曲变形，这样会影 响电机与中差速和编码器的咬合，造成齿轮间的磨损，损坏中差速器，最终影 响赛车的驱动能力。所以我们在车子底盘背面伸出两条固定铝片，一来可以加 固防撞模块，再来可以防止前桥的上下扭动，最后可以相对增加底盘的强度。 底盘加固图见图 3.3。图 3.3 底盘加固图3.5 前中后差速部分设计差速机构的作用是在赛车转弯过程中，使内侧轮胎比外侧车轮转地更慢， 产生一个比较大的速度差异，这样提高了赛车转弯时的通过性，减小转弯半径。 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。 此次所使用的赛车有前中后三个差速器。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。-8-PDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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差速器的调整中要注意伞齿与行星差速盘间的间隙， 过松会造成齿轮扫齿， 赛车开动时会发出刺耳的、 “咔咔”的声音，减小赛车的驱动能力；过紧会造成 转动不顺畅，甚至发成“丝丝”的摩擦声。转弯时阻力小的车轮会打滑，从而 影响赛车的过弯性能。在拿到新车模时要在前后差速加差速油，适当调整车模 的松紧度，但中差速要谨慎加油，因为加多了会使差速油甩到传动齿组上，造 成齿轮间的滑动，所以对于中差速我们一般不加或加少量较厚的差速油。 好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转 过的角度之间误差很小，不会有迟滞甚至卡住的情况发生。加固前后车架与底 盘的连接部分，可以有效的防止差速的损坏。在赛车开动时，应尽量避免碰撞 等造成的四轮堵转，因为此时极易造成差速器的扫齿。3.6 前后轮避震的设计今年 B 型车模使用前后轮弹簧避震，但只是老式的弹簧避震，并非油压避 震，可以达到一定的避震和防撞效果。但这样会使赛车运行的时候前后晃动严 重，大概有二三十厘米的高度差，这样严重影响了激光信号的接收效果。同时， 当速度很快的时候车体也容易倾侧。所以我们将前后轮的避震都全部去掉用长 柄连杆代替，这样前后晃动在 5 厘米左右，有利于激光信号的稳定接收。而且， 我们可以通过调节连杆的长度来前后悬架的离地高度，从而不需要调节前后桥 底架下止点 （以调节下止点螺丝长度来调节悬架离地高度， 极易造成底盘变形） 。 还可以调节连杆来改变四轮的重量分配和车体的底盘高度，这样能减小赛车在 高速过弯时的倾侧趋势。前后避震改装图见图 3.4。图 3.4 前后避震改装图-9-PDF created with pdfFactory Pro trial version http://

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3.6 PCB 板尺寸设计及其安装对本模型车的信号采集电路，我们设计了一块 PCB 板。PCB 板安装在模型 车的中部。综合考虑激光管的探测距离、模型车的行驶速度以及更好的配合软 件的控制算法， 我们将光电传感器信号采集电路的 PCB 板安装在距车模前端的 距离为 70mm,距路面的距离为 170mm 的位置。PCB 板上均匀分布了 12 个激光 发射管和 8 个接收管。 此外，我们还设计了两块 PCB 板。一块上面包含了电源管理模块电路， 另 一块包含直流电机驱动电路。 为减轻车模重量，简化电路布局，我们采用三点支撑的方法固定电路板和 舵机。由于 B 型车底盘空间有限，在尝试了多种架法之后，最终我们在保持车 模原样的基础上，将电路板尽量低地架空在底盘上，此法结构简洁，条理清晰， 便于检查和维修。PCB 板安装图见图 3.5。图 3.5 PCB 板安装图- 10 -PDF created with pdfFactory Pro trial version http://