智能车系统设计方案

第二章 系统总体设计 1 1 智能车系统设计方案 第二章 系统总体设计 统概述 该系统以 单片机 为系统控制处理器，采用基于线性图像采集模块获取赛道图像信息，对图像进行软件二值化，提取黑色引导线，算出赛道中心线，计算出小车与赛道中心线的 位置 偏差 ；通过光电编码器来检测车速，并采用 输入捕捉功能进行脉冲计算获得速度；转向舵机采用 制；驱动电机采用 制，通过 制驱动电路调整电机的功率；而车速的目标值由默认值、运行安全方案和基于图像处理的优化策略进行综合控 制。 根据智能车系统的基本需求，我们设计了系统结构图，如图 示 光 电 编 码 器K 6 0 最 小 系 统舵 机 模 块P D 控 制电 源 模 块线 性 C C D 模 块电 机 驱 动 模 块P I D 控 制速 度 信息赛 道 信息图 统结构图 2 2 车 布局 在整个设计过程中我们根据赛车的特点，在满足比赛要求的情况下，力求系统简单高效，因而在设计过程中尽量简化硬件结构，整车布局总结为以下 6点： （ 1） 舵机采用立式安装，以提高舵机的响应速度； （ 2） 采用强度高、质量轻的碳素杆制作线性 架； （ 3） 为了降低车模重心，电池低位放置； （ 4） 将电池放在小车中间偏后，重心稍后，利于小车过弯； “ 整车布局图如图 示： 图 车布局图 第二章 系统总体设计 3 3 第三章 机械设计及实现 光电组今年采用 B 车模，在整个调试过程中我们发现，车辆在高速情况对整车机械性能要求很高，为了能够使车在高速情况下更稳定流畅地运行，我们在前期装配时，对整车进行了细致的分析和装配，在规则允许的范围内进行改造，使车模的机械性能得到了提升。而前轮的束角和主销倾角对车的高速运行下的稳定性影 响是最大的。舵机的灵敏程度同样对高速运行的车辆起着至关重要的的作用。 图 模示意图 向轮 倾角 的调整 销后倾 主销的轴线相对于车轮的中心线向后倾斜的角度叫做主销后倾角，前轮的重心在主销轴线上，由于主销后倾使前轮的重心不在车轮与地面的接触点上，于是产生了离心力，这样可以保证汽车在直线行驶的稳定性还可以帮助车轮自动回正。 第三章 机械设计及实现 图 销后倾示意图 销内倾 主销轴线相对于车轮的中心线向内倾斜的角度叫主销内倾角。主销内倾角可以帮助舵机复位。但主销内倾角不宜过大，否则会加速轮胎的磨损。 轮外倾 转向轮上端略向外倾斜的角度叫前轮外倾角。小车在空载时如果车轮垂直于路面，承载后由于悬架的变形而出现车轮内倾，由于外端轴承明显小于内端轴承，于是车轮工作的不安全性大大增加。为提高车轮的工作安全性，前轮要留有一定外倾角，承载后车轮正好垂直于地面。 轮前束 前轮前束是指转向轮前端向内倾。此举是为了抵消前轮外倾 带来的转向轮向两侧滚开的趋势，最大限度地减少车轮行驶过程中的横向滑移。 图 轮前束示意图 第三章 机械设计及实现 5 5 机安装 舵机安装直接关系到是否能快速灵敏地转向的问题。如果舵机调整不到位，将很大程度上限制转向角度和转向响应速度。 舵机安装有两种方式，一种是卧式安装，另外一种为立式安装。 卧式安装为车模默认安装方式，但这样安装会使左右两边轮子连杆不等长，根据杠杆 原理可知舵机对长连杆轮子用的力要大些，因此造成了舵机对左右两边转向响应时间不一样。另外由于卧式安装会使连杆与水平面呈现一定角度，从力学知识可以知道在轮子转向获得的力只是舵机施加在连杆上力的一个水平方向上的分力。 立式安装把舵机架高，增长了力臂，使得小车反应更加灵活，但增大了阻力，力的作用减小。因此，根据舵机性能和实际情况确定高度，将舵机立式正放，提高了其响应速度，然后将支架以合适的高度固定在底盘上。如图 示。 图 机安装图 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 6 6 码器的安装 编码器是智能小车速度反馈元件，其安装位置应该 充分考虑测速的准确性，我们使用的是欧姆龙编码器。欧姆龙编码器连接线有四根，棕色为 +5V，蓝色为负极 ,细黑和白色为信号输出，信号线需上拉电阻 5 10K，区分正反转是通过相位差获得。在尝试了各种可能性后，采用了如图的安装方式。将编码器安装于车模尾部并尽量放低，与车轮传动齿轮良好啮合。 图 码器安装图 性 安装 架的选取，支架与车模的固定， 支架的固定等，都会对小车的性能造成很大的影响。我们选取轻质碳杆作为 支架，我们购买合适的器件将支架和车模牢牢的固定在一起， 防止小车在运行过程中大幅抖动。 第三章 机械设计及实现 7 7 图 形 装图 轮啮合与 差 速调整 电机与差速齿轮啮合主要是调整两齿轮的齿间距，合适齿间距能够减少两齿轮的磨损，延长其使用寿命。 齿轮传动部分安装不恰当，会增大电机驱动后轮的负载；齿轮配合间隙过松则容易打坏齿轮过紧则会增加传动阻力。所以我们在电机安装过程中尽量使得传动齿轮轴保持平行，传动部分轻松、流畅，不存在卡壳或迟滞现象。 差速结构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机 。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，因外侧后轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧后轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。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，不会有迟滞或者过转动情况发生。 第四章 智能车硬件系统设计及实现 件设计方案 我们在硬件总体设计时综合考虑了系统的可靠性、稳定性以及简洁性。硬件设计应在可靠的基础上使其简单化，满足稳定工作的基本要 求，电源管理模块要保证使整个系统供电稳定；保证传感器信息采集准确有效；电机驱动则需在保证正常工作的情况下尽量减少对其他电路的干扰，所以电机驱动模块与主板无论是设计还是制板都是分开的。同时为了提高系统的简洁性， 的形状设计和安装也充分考虑了车模的外观和整体设计。 整个智能车控制系统由三部分构成： 小系统板、主板、电机驱动和键盘电路板。 片机最小系统板 列 列微 控制器 是 图 小系统原理 图 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 最小系统使用 装，为减少 主 板空间，板上仅将本 系统 所用到的引脚引出，包括 口，若干普通 口。其他部分还包括电源滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、 口。 用到的接口如下： 电机 输出： 机 输出： 码器两相信号输入： 性 像信号输入： 盘输入信号： 口： 源稳压电路 智能车的硬件电路有可充电镍镉电池（ 2000供。系统中的各个电路模块所需要的供电电压是不相同的，所以设计了稳压电路，将电池电压转换成各个模块所需要的电压。 本系统中， +单片机供电； +5V 为 电编码器、线性 块、电机驱动模块供电； +6V 为舵机供电； 单片机供电选用了低压差降压稳压芯片 压差为 1V 时就可稳定输出 压。 由于在电机驱动时电池压降较大为提高系统稳定性，必须使用低压差稳压芯片。为此我们选用 了低压差线性稳压芯片 5V 工作的芯片供电。它们的纹波电压小，能对负载的变化迅速做出反应，适合为各个模块供电。 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 10 10 图 源稳压电路 机驱动 B 车模电机功率比较大，在实际工作时转速很快， 电机本身的性能直接决定了小车的行驶速度和加减速性能，因此，对驱动电路的参数要求十分严格， 驱动电路的参数性能对电机的发挥影响重大。 第四章 智能车硬件系统设计及实现 11 11 图 机驱动电路 助调试模块 辅助调试模块主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控 。我们采用液晶 4 和按键以及蓝牙进 行辅助调试，为方便调试提供了好的平台。 图 盘电路图 第五章 软件系统设计及实现 统软件流程图 开 始系 统 初 始 化开 启 中 断等 待 中 断定 时 计 数 1 到图 像 处 理赛 道 识 别P D 舵 机 控 制定 时 计 数 2 到P I D 电 机 控 制图 程序流程图 图 断流程图 第五章 软件系统设计及实现 13 13 性 道识别处理 像预处理 由于 性 回的数据是模拟量，单片机需要对其进行 换后方能使用。要 对 据进行二值化，还需要设定一个阀值。但是由于 以这个阀值需要实时变化即动态阈值，才能使 据二值化后更准确。 由于线性 据中本身可能会有噪声，赛道上的白色跑道可能会有斑点，赛道背景可能会反光等原因， 回的数据不能直接使用。首先舍掉两边各7 个像素点，对剩余数据进行比较求取最大最小值，然后将最大最小值求和平均得到动态阈值，由此进行二值化，二值化后再进行单点滤波。结果表明，此算法可行性较好。 沿检测算法 本系统采用的黑线提取方案是：只寻找黑白跳变沿，然 后根据跳变沿的位置及历史数据来判断左右黑线。经过实验，本方案可靠性较高。 （ 1） 从左向右检测右黑线，从右向左检测左黑线，记录左右黑线坐标； （ 2） 两边都检测到黑线，直接求和平均求出中心值； （ 3） 只检测到一边时，根据赛道宽度补线得出另一边，求出中心值； （ 4） 两边都未检测到时，根据 光时间判断出是十字交叉处还是赛道背景； 制策略 机 制 本系统的方向控制策略是：根据实时采集左右黑线算出的中线位置与初始赛道中心线的偏差通过 制来计算方向控制量。 滤波后的 据中 第 8的数据为有效数据 ，假设 左黑线的位置， 右黑线的位置 ,所以当前赛道中心线为 (2,将中心线视野中心的值作差，把这个差值作为方向控制的输入，乘以方向控制的 可得到方向控制量。同时方向控制加入了微分环节，即先计算本次方第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 14 14 向控制的误差与上一次方向控制的误差的差，然后把此差乘以方向控制的 D 参数。微分环节的加入，不仅使车模在通过小 S 弯时能减小左右摆动，而且在较大弯道中转弯更加平滑。 最后实现车模运行方向的控制。 度 制 数字 生产过程中是一 种最普遍采用的控制方法，在机电、冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用。将偏差的比例（ P）、积分（ I）和微分（ D） 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 制器。 数字 是比较常用的版本是位置式 中位置式 特点是它的输出与整个过去的状态有关，用到了误差的累加值，所以累积误差较大，位置式 用于执行机构不带积分部件的对象，如液伺服阀等；增量式 特点是它输出的控制量对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要 求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，如步进电机等。 本系统中速度控制使用了增量式 制。 式连续控制系统中的 制规律是： t )()(1)()( 公式 1 计算机系统是采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，数字 模拟连续系统 制规律的数字实现，所以要对控制系统反馈的信息进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，即： n 0i 00 )()()( 公式 2 1()()1()()( 公式 3 )1()()()()( 0 公式 4 得到位置式 法公式为： )1()()()()( 0 公式 5第五章 软件系统设计及实现 15 15 根据公式 5 可得前一时刻的 出为： )2()1()()1()1( 10 公式 6 将 公式 5 与公式 6 相减，得到增量式 法的计算公式为： )1()()( )2()1(2)()()1()( 公式 7 在实验中，根据需要选取其中的一个或者多个环节来对被控对象进行控制。本系统中的速度控制则使用了增量式 的三个环节。 小车行驶途中，控制的主要思想：由于线性 次只能采到一行数据，有效数据非常少，对于以较高速度行驶的智能车来说，仅凭借当前采到的一行数据是远远不够的，所以我们想到利用历史数据辅助判断赛道类型，将之前 50个赛道中心线位置 数据保存在数组中，组成一连串的赛道路径数据，并实时更新，由于 一定的前瞻，所以历史数据便组成了一幅二维图像。在直道中主要通过直道计数器来完成对电机的控制。若正在处理的累计方差大于一个设定的值（通过测试得到），直道计数器加一。计算中心线与视野中心的累计方差，对于直道来说累积方差较小，对于弯道来说累积方差较大。若数组中前面累积方差大，同时直道计数器达到某一范围值时，即可判定是直道入弯，此时电机减速；若前面的累积方差较小，同时直道计数器达到一定的值时，即可判断是直道或弯道入直道，此时控制电机加速。 第六章 系统开发及调试工具 件开发工具 程序开 发 在 进行， 司为 处理器开发的一个集成开发环境 (下面简称 比较其他的 发环境， 有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。 包含一个全软件的模拟程序 (用户不需要任何硬件支持就可以模拟各种 核、外部设 备甚至中断的软件运行环境。从中可以了解和评估 功能和使用方法。 图 617 17 图 程主界面 位机 调试期间为了监测车模运行中遇到的各种赛道情况，需要用专门的串口软件来观察线性 数据，我们选择了线性 试助手。它能以灰度的方式显示 据，实时地观察到数据的变化。图 线性 试助手的界面。 图 性 试助手 18 18 第七章 车模的主要技术参数 表 模的主要技术参数表 赛车基 本参数 长 280 180 380重（千克） 耗 带载 15W 电容总容量（微法） 1240 6 传感器 光电编码器 1 个 线性 个 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机个数 0 赛道信息检测 精度 5 率 5019 19 第八章 结论 作成果 本文主要介绍了线性 能车的总体设计方案，包括机械结构的安装调整，硬件电路的设计和软件算法的设计和创新。在设计和制作车模的过程中，我们仔细阅读了历届 优秀的技术报告，吸取前人的经验，结合实践进行改进，并且取得了一定的成果。本着严谨的态度，综合考虑各种问题。在设计过程中不断发现问题，分析问题，从车模的搭建，机械结构的调整，到控制算法的提出，程序编写，整个过程无不凝聚了我们辛勤的汗水。 题与思考 在车模制作的过程中，我们的小车曾经出现了很大问题，如小车在高速行驶时，在弯道中尤其是大弯处容易跑出去，经过分析，低速行驶时从未出现这种情况，我们确定不是软件的问题，将问题锁定在硬件上，包括舵机和机械结构。通过舵机的更换调试，我们发现舵机本身存在一定的缺陷， 为此我们从几个舵机中挑出一个性能相对较好的。同时机械结构的调整对速度的提高至关重要，哪怕是细微调整，对高速行驶的小车都有很大的影响。我们通过不断摸索和实践，调出较合适的前轮前束和主销倾角。 足与改进 （ 1）对小车机械结构没有进行深入的研究和建模，只是根据小车实际情况来调整机械，缺乏理论依据。以后要就机械这一块进行深入研究，做到机械结构优良，在此基础上研究软件才能使效率更高。 （ 2）在程序设计和调试的过程中，有点模糊化。需要进行实际的建模和仿真，对智能车的运行要进行定量的分析和计算，对智能车运行中出 现的各种情况都能做到理解， 站在理论支持的角度进行分析和调试； （ 3）使用的是蓝宙给的 位机，只能观察图像，不便于小车的调试。开发具有接收数据和发送参数功能的的上位机，能够将小车的实时数据记录下来，对小车的调试带来极大的方便。 第八章 总结 谢与总结 智能车比赛的整个准备过程历时将近一年的时间，不仅使我们得到了对已有知识进行实践的机会，更培养了一定的科研能力，拓宽了知识面，同时我们小组在智能车制作的过程中学会了发现问题，分析问题和解决问题的能力，我们大家互相配合，锻炼了团队精神。展望未来。 在 此特别感谢一 直支持和关注智能车比赛的学校和学院领导以及指导老师、指导学长，同时也感谢比赛组委会能组织这样一项有意义的比赛。 如今，我们做好一切准备，迎接即将到来的全国总决赛。到时，我们将面临更高的挑战，不过我们有信心，因为我们努力了，不管结果如何，它都将成为我们生命中一笔宝贵的财富，成为我们一生的回忆。 21 21 参考文献 1卓晴，黄开胜，邵贝贝学做智能车北京：北京航空航天大学出版社 2007. 2谭浩强著 C 程序设计北京：清华大学出版社 ， 2003 3王宜怀，吴瑾，蒋银珍 统原理与实践 子工业出版社 . 2012 4童诗白，华成英模拟电子技术基础 M 北京 : 高等教育出版社 ， 2001. 5周尧，顿海洋，罗林聪 2013. 6成毅，汪自强，崔永强 2013. 7叶立威，曾巧文，邓振鹏 电子科技大学中山学院香山一队技术报告 8邓兆祥，褚志刚等，“汽车前轮定位参数优化设计”，重庆大学机械传动国家重点实验 室 . I 附录 附录 A 系统原理图 录 B 部分 程序源代码 一、 初始化程序 /初始化相关设备 /*舵机频率初始化 */ ; 000; i