第三届“飞思卡尔”杯全国大学生北京科技大学光电一队技术报告.doc
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I 第三届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告 学 校：北京科技大学 队伍名称：北京科技大学一队 参赛队员：张永康 刘雪伟 赵鑫鑫 带队教师：张文明 杨珏 II 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛 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： 带队教师签名： 日 期： - 1 - 引言 这份技术报告中，我们小组通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参 数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以 及算法方面的独特想法，而对单片机具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳 动。这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。 在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽 车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践 动手能力的培养有极大的推动作用，在此要感谢清华大学，感谢他们将这项很 有意义的科技竞赛引入中国；也感谢北京科技大学相关学院对此次比赛的关注， 我们的成果离不开学校的大力支持及指导老师悉心的教导；还要感谢的是和我 们一起协作的队员们，协助，互促，共勉使我们能够走到今天。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 2 - 目录 引言 .- 1 - 目录 .- 2 - 第一章、方案设计- 1 - 1.1 系统总体方案的选定- 1 - 1.2 系统总体方案的设计- 1 - 小结- 2 - 第二章、智能车机械结构调整与优化.- 3 - 2.1 智能车车体机械建模- 4 - 2.2 智能车前轮定位的调整- 5 - 2.2.1 主销后倾角.- 5 - 2.2.2 主销内倾角.- 5 - 2.2.3 车轮外倾角.- 5 - 2.2.4 前轮前束- 6 - 2.3 智能车转向机构调整优化- 6 - 2.4 智能车后轮减速齿轮机构调整- 7 - 2.5 其它机械结构的调整- 8 - 第三章、电路设计说明 - 9 - 3.1 主控板的设计.- 9 - 3.1.1 电源管理模块- 9 - 3.1.2 电机驱动模块- 10 - 3.1.3 主控板设计- 10 - 3.1.4 接口模块- 12 - 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 3 - 3.1.5 信号采集模块- 12 - 3.2 智能车传感器模块设计.- 13 - 3.2.1 光电传感器的原理.- 13 - 3.2.2 激光传感器的设计- 14 - 第四章、智能车控制软件设计说明 - 15 - 4.1 光感器的路径精确识别技术- 15 - 4.1.1 光电传感器路径识别状态分析- 15 - 4.1.2 光电传感器路径识别算法- 17 - 4.2 弯道策略分析- 18 - 4.3 弯道策略制定- 19 - 第五章、开发工具、制作、安装、调试过程说明.- 22 - 5.1 开发工具.- 22 - 5.2 调试过程.- 22 - 第六章、模型车的主要技术参数说明.- 24 - 6.1 智能车外形参数.- 24 - 6.2 电路部分参数.- 24 - 6.3 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量.- 24 - 结论 .- 25 - 参考文献- 26 - 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 1 - 第一章、方案设计 本章主要简要地介绍智能车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个 系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。 1.1 系统总体方案的选定 通过学习竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到，路径识别模块是智能车系统的关键模 块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是 决定智能车总体方案的关键。如图 2.1，而目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电 传感器和 CCD/CMOS 传感器。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快，但是 其前瞻距离有限；CCD 摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号 处理却比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行处理和识别，加快处理速度是摄像头方案的难 点之一。在比较了两种传感器优劣之后，考虑到 CCD 传感器图像处理的困难后，决定选用应用 广泛的光电传感器，相信通过选用大前瞻的光电传感器，加之精简的程序控制和较快的信息处 理速度，光电传感器还是可以极好的控制效果的。 图 1.1 光电传感器参赛车与 CCD 传感器参赛车 1.2 系统总体方案的设计 竞赛规则规定，智能车系统采用飞思卡尔的 16 位微控制器 MC9S12DG128B 单片机作为核 心控制单元用于智能车系统的控制。在选定智能车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信 号由车体前方的光电传感器采集，经 S12 MCU 的 I/O 口处理后，用于赛车的运动控制决策，同 时内部 ECT 模块发出 PWM 波，驱动直流电机对智能车进行加速和减速控制，以及伺服电机对 赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为 了对赛车的速度进行精确的控制，在智能车后轴上安装光电编码器，采集车轮转速的脉冲信号， 经 MCU 捕获后进行 PID 自动控制，完成智能车速度的闭环控制。此外，还增加了键盘作为输 入输出设备，用于智能车的角度和方位控制。系统总体方框图如图 1.2。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 2 - 图 1.2 系统总体方框图 根据以上系统方案设计，赛车共包括七大模块：MC9S12DG128B 主控模块、传感器 模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块辅助调试模块。各模块的作用如下： MC9S12DG128B 主控模块，作为整个智能车的“大脑” ，将采集光电传感器、光电编 码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能 车的控制。 传感器模块，是智能车的“眼睛” ，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信 息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。 电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。 电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。 速度检测模块，检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。 辅助调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。 小结 本章重点分析了智能车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计，以及简要地 分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统机械结构、控制模块和控制算 法等三个方面的实现进行详细介绍。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 3 - 第二章、智能车机械结构调整与优化 我们对机械结构的要求是：简单而高效。我们在不断的尝试后确定了以下的设计方案: 图 2.1 智能车器件布局图 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 4 - 智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此在设计整个软件架 构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。 从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进和 提高。本章将主要介绍智能车车模的机械结构和调整方案。 2.1 智能车车体机械建模 此次竞赛选用的智能车竞赛专用车模(G768 仿真车模)。智能车的控制采用的是前轮转 向，后轮驱动方案。智能车的外形大致如下： 图 2.2 智能车外形图 其基本的尺寸参数如表 2.1： 表 2.1 模型车基本尺寸参数 基本尺寸尺寸 轴距198mm 前轮距137mm 后轮距138mm/146mm 车轮直径52mm 主减传动比18/76 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 5 - 2.2 智能车前轮定位的调整 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2。智能 车竞赛模型车的四项参数都可以调整，但是由于模型车加工和制造精度的问题，在通用的 规律中还存在着一些偶然性。 2.2.1 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2。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，由于竞赛所用的转向舵机力矩 不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为 0，以便增加 其转向的灵活性。 2.2.2 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2。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 03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。 2.2.3 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2，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1。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。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 6 - 2.2.4 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2。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 012mm 。 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 02mm 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。 虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于 车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的 效果为准。 2.3 智能车转向机构调整优化 理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形， 忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。在这种理想的模型下，车体的转向半 径可以计算得到。 图 2.3 智能车转向示意图 如图 2.3，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。车轮满足 转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点。 转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。合适的前桥和转向机构可以保证在 车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合适的 转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性。正是由于这些原因，转向 系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺利地完成比 赛。在实际操作中，我们通过理论计算的方案进行优化，然后做出实际结构以验证理论数 据，并在实际调试过程中不断改进。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 7 - 在模型车制做过程中，赛车的转向是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。转向舵机的 转动速度和功率是一定，要想加快转向机构响应的速度，唯一的办法就是优化舵机的安装 位置和其力矩延长杆的长度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要 损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵 机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。经过最后的实际的参数设计计算， 最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。 如图 3.3，我们最终设计的这套转向拉杆，我们综合考虑了速度与扭矩间的关系，并 根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标。 图 3.3 转向拉杆图 2.4 智能车后轮减速齿轮机构调整 模型车后轮采用 RS-380SH 电机驱动，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，会严重影响最终成绩。 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，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。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 8 - 2.5 其它机械结构的调整 另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、悬架、底盘、 车身高度等。 模型车在高速的条件下（2.3m/s3.5m/s） ，由于快速变化的加减速过程，使得模型车 的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力。在实验中 调试表明，赛车在高速下每跑完一圈，轮胎与轮辋之间通常会产生几个厘米的相对位移， 严重影响了赛车的加速过程。为了解决这个问题，我们在实际调试过程中对车轮进行了粘 胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。 此外，我们还对模型车的前后悬架弹簧的预紧力进行调节，选用不同弹性系统的弹簧 等方法进行了改进，并且对车身高度，以及底盘的形状和质量 、后轮的轮距等，都进行了 相应的改进和调整，均取得了不错效果。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 9 - 第三章、电路设计说明 3.1 主控板的设计 3.1.1 电源管理模块 Cin ELECTRO Cout ELECTRO D1 DIODE_W t L1 Res Thermal LED1 LED R_led RES P2P1 P3P5 P4 R1 RES R2 RES Cff CAP D2 LED1 C1 47u C2 104 R3 500 C3 47u C4 104 LM2940-5 GND 2940 LM2940 LM2596-5 GND V_IN 1 OUT_PUT 2 GND 3 FB 4 ON/OFF 5 LM2596_5.0 7.2 P2 GND P4 P5 7.2 GND D3 LED1 C6 47u C7 104 R4 500 C8 47u C9 104 7806-6 GND 7.2 GND 1 2 3 7806 1 2 3 Switch_Motor CON3 7.2 Battery 图 3.1 电源管理模块原理图 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 7.2V 2000mAh Ni-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 7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄电池直接供电，智能车电压调节电路示例见图 3。 5V 电源模块用于为单片机系统、传感器模块等供电。常用的电源有串联型线性稳压 电源（LM2940、7805 等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575 等）两大类。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 LM2940 的稳压 的线性度非常好，所以选用 LM2940-5 单独对其进行供电；而其它模块则需要通过较大的 电流，而 LM2596-5，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 LM2940-5 和 LM2596-5 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 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 10 - 3.1.2 电机驱动模块 图 3.2 电机驱动模块原理图 电机驱动采用主办方提供的 33886 作为驱动芯片， MCU 通过 IN1 引脚输入 PWM 波， 以调节 33886 的 DNC 口的输出电压,调节电机转速的快慢，并且在 IN2 口输入电压以调节 电机的反转和制动功能。 3.1.3 主控板设计 智能车控制系统主控电路图 3.3： 图 3.3 MC9S12DG128 主控板电路图 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 11 - 智能车系统以 MC68S912DG128B 为控制核心，可以直接利用清华大学的 S12 最小系 统板，另外再设计了一块外围电路的主控板。如图 4.3 所示，MC9S12DG128 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 部分、BDM 调试接口以及其它常用电路的接口等。 表 3.1 MC9S12DG12 单片机管脚分配表 S12 单片机管脚分配 PA0-PA7光电传感器检测 PB2-PB7光电传感器检测 PB0、PB1、PT1光电传感器控制 PM2-PM54 路拨码开关 PAD0-PAD7备用 I/O 口 PT2-PT57279 键盘/4 路选择指示灯 IO PT61 路选择指示灯 PT0码盘脉冲检测 PWM1备用 PWM PWM3备用 PWM PWM5直流电机 PWM ECT PWM7伺服电机 PWM RXD0串口接收 串口通信 TXD0串口发射 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 12 - 3.1.4 接口模块 图 3.4 接口模块原理图 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。 3.1.5 信号采集模块 从简洁的设计角度，我们直接从微控制器的电源线上串联上限流电阻，再和光电传感 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 13 - 串联使用。限流电阻既在光电传感器检测时起到了上拉电阻的作用。和微控制器共地，简 化了电路结构。 图 3.5 信号采集模块原理图 3.2 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。 3.2.1 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13。如图 4.7，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 3.6 光电传感器原理 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 14 - 3.2.2 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 40-50 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，我选用了 14 个激光传感器，所有的 传感器呈“一”字排布。如图 4.8，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 与 PB 口(PA 与 PB 口两下 8 位的数据口组成一个 16 位的数据口， 用于检测 14 路传感器信号)，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 3.7 激光传感器发射与接收电路 A 1 B 2 C 3 G2A 4 G2B 5 G1 6 Y7 7 GND 8 Y6 9 Y5 10 Y4 11 Y3 12 Y2 13 Y1 14 Y0 15 VCC 16 74138 74LS138 5v 5v control1 control2 control3 Power1 Power2 Power3 Power4 Power5 Power6 Power7 图 3.8 激光传感器的控制电路 为了简化 14 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，使用 74LS138 作为分时控制器，如图 4.9，由 S12 的 3 个 IO 口来 控制 7 组传感器的开断，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。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 15 - 第四章、智能车控制软件设计说明 4.1 光感器的路径精确识别技术 在智能车系统中，光电（激光）传感器就是整个系统的“眼睛” ，其对于路径的识别 在控制系统中尤为重要。 4.1.1 光电传感器路径识别状态分析 由于往届竞赛对光电传感器排布方式研究已经比较深入，传统的“一”字型排布方式 在众多排布方式中效果显著，是最常用的一种排布方式。模型车也充分利用了往年的成熟 的传感器技术，其排布方式如图 5.1。 图 4.1 模型车激光传感器一字排布图 对于我们模型车，传感器在赛道上可能的状态有：在普通的赛道处、在起点处、在十 字交叉线处，分别如下图（并未列出所有的状态图） ，下面将分别进行分析。 图 4.2 激光传感器在普通赛道上 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 16 - 图 4.3 激光传器在起点处 图 4.4 激光传感器在十字交叉线处 为了识别赛车是处于什么样状态下，用于进行赛道记忆和速度控制，对于我们的数字 型激光传感器，每个传感器只有 0 与 1 两种状态，我们分别把 14 路传感器标记为 1 到 14 号传感器，每个传感器又可以对应一个是否在黑线上的标志位，分别为 Sen_Flag0到 Sen_Flag13，相应在黑线上为 1，不在黑线上为 0，从而通过对任一时刻传感器标志位的 读取就可以知道此时模型车的状态。 为了精确地识别起跑线和十字交叉线，在程序设计时还定义了一个名为 Sen_ChangeCount 的变量，表示传感器状态变化（由 1 变为 0 和由 0 变为 1）的次数。 从上面的传感器状态图中可以轻松看出，在普通赛道上出除了赛车移出赛道之外传感 器变化次数都为 2 次，而在起跑线处模型车的传感器状态变化次数为 4 次，在十字交叉线 时传感器状态变化次数为 0 次。 为了进一步把各种状态分开，在程序中还定义了变量 Sen_FlagCount，用于统计所有 传感器状态标志位之和，即在黑线上的传感器的数目。结合以上几个变量，就可以准确地 分清各个传感器状态了。各个传感器状态如下表： 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 17 - 表 4.1 传感器状态判定表 模型车状态Sen_ChangeCountSen_FlagCount 起跑线处4=8 且=1 且=3 在普通赛道上 移出黑线 00 通过上表，就可以轻松地把模型车任一时刻的传感器状态识别出来，也为赛道记忆识 别起点等提供的必要的保障。 4.1.2 光电传感器路径识别算法 路径识别算法是我们使用的是模糊算法，这种算法的优点是能够根据传感器返回的状 态值，得到车的重心偏离黑线的程度，还可以通过一定的算法，计算出舵机的转向角度， 并且在一定程度上具有抗拒微小干扰的能力。具体算法介绍如下： 图 4.5 传感器重心取值分配图 （1） 、将每个传感器进行加权处理，给相应各个传感器的权重值，如图 5.5 所示。 （2） 、当传感器检测到黑线时相应的传感器返回所在的权重值，并计算所有传感器的 平均加权值，即偏离程度。计算公式为: 式(4 .1) Sen_Flagi Sen_FlagiongiSen_QuanZh nSen_Jiaqua 式中，Sen_Flagi为对应传感器的状态值，Sen_QuanZhongi为对应传感器的权重值， Sen_Jiaquan 为传感器的加权平均值。 for(i=0;i14;i+) Sen_Jiaquan+=(Sen_Flagi*Sen_QuanZhongi); Sen_FlagCount+=Sen_Flagi; Sen_Jiaquan= Sen_Jiaquan /Sen_FlagCount; 由上程序段即可以计算出此时模型车传感器的加权平均值，由此可以得到模型车的状 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 18 - 态，为下一步控制决策提供必要的信息。 （3） 、建立偏离程度和舵机转动角度所对应的 PWM 脉宽关系的模型，拟合二者的函 数关系曲线。 在这里我们认为舵机转动的角度是和 PWM 脉宽成线性的正比关系，因此以一次函数 来唯一确定 PWM 脉宽与舵机转动角度之间的关系。 建立的一次函数方程为： 式 4 .2) Factor PWMHalfnSen_Jiaqua PWMMiddleTurnAngle 式中，TurnAngle 为舵机应转的角度，PWMMiddle 为车轮摆正是舵机 PWM 脉宽应赋 的 PWMDTYx 的值，Sen_Jiaquan 为由传感器状态求得的偏离程度，PWMHalf 为舵机由中 心摆到车轮允许的最大值 PWMDTYx 的变化值，Factor 为影响比例因数。由此，我们求 出了在不同的传感器状态下舵机应转的角度。 4.2 弯道策略分析 在车辆进弯时，需要对三个参数进行设定：切弯路径、转向角度、入弯速度。 其中，切弯路径主要决定了车辆是选择内道过弯还是外道过弯。切内道，路经最短， 但是如果地面附着系数过小会导致车辆出现侧滑的不稳定行驶状态，原因是切内道时，曲 率半径过小，同时速度又很快，所以模型车需要的向心力会很大，而赛道本身是平面结构， 向心力将全部由来自地面的摩擦力提供，因此赛道表面的附着系数将对赛车的运行状态有 很大影响。切外道，路径会略长，但是有更多的调整机会，同时曲率半径的增加会使得模 型车可以拥有更高的过弯速度。 转向角度决定了车辆过弯的稳定性。合适的转向角度会减少车辆在转弯时的调整，不 仅路径可以保证最优，运动状态的稳定也会带来效率的提高，减少时间。在考虑转向角度 设置时需要注意以下几个问题：对于检测赛道偏移量的传感器而言，在增量较小时的转向 灵敏度；检测到较大弯道时的转向灵敏度；对于类似 S 弯的变向连续弯道的处理。 对于入弯速度的分析，应该综合考虑路径和转向角度的影响。简单而言，我们会采取 入弯减速，出弯加速的方案，这样理论上可以减少过弯时耗费的时间。然而，在过去几届 比赛中，通过观察各参赛车对弯道的处理后，我们发现并不是所有人都选择了相同的方案。 正如前面说到的那样，不联系路径和转向角度，只是单纯地分析过弯速度，会造成思路的 局限甚至错误。例如，在不能及时判断入弯和出弯的标志点就采取“入弯减速、出弯加速” 的方案，会出现弯道内行驶状态不稳定、路径差，同时出弯加速时机过晚，一样会浪费时 间。所以现在本系统参考实际驾驶时的一些经验，对过弯速度的处理方式确定为：入弯时 急减速，以得到足够的调整时间，获得正确的转向角度；在弯道内适当提速，并保持角度 不变，为出弯时的加速节约时间；出弯时，先准确判断标志，然后加速，虽然会耗费一些 时间，但是面对连续变向弯道可以减少判断出错的概率，保证行驶状态的稳定性，而且弯 道内的有限加速对后面的提速也有很大的帮助。综合考虑用可以接收的额外时间换回行驶 稳定性还是值得的。 下面以常见的几种弯道转角处理方式解释各方案的优缺点，其中，横坐标表示由传感 器采集回来的赛道中心线相对赛车中心线的偏移量，纵坐标表示转角大小。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 19 - cba d 偏移量 e 偏移量 偏移量 偏移量偏移量 图 4.6 弯道转角处理方式 a 图表示偏移量与转向角度呈线性关系，在计算及程序编写上都比较简单，也可以实 现控制赛车行驶的目标，但是由于规则制定比较简单，对赛车实际行驶状态的分析不够全 面，所以在实际应用时不能简单套用。 b 图表示的是在赛车略微偏离赛道中心时，不要对行驶方向作太大调整，而是在当偏 离度大到预定值时急速调整转角以保证过弯的及时，同时在以判断出是急弯后，也不要进 行大的变动，因为此时转角的值已经很大，仅需对舵机进行微调就可以保证方向的正确性。 这种方案的优点是综合考虑了赛车对个弯道的适应程度，同时保证了在直线行驶时的稳定 性，和抗干扰性，但是对急弯的响应可能不够及时，这是该方案的主要缺点。 c 图表示的对弯道的处理方案与 B 图恰好相反，它提高了相应灵敏度，降低了抗干扰 性，对于多弯道，且弯道曲率半径较小的赛道有比较好的适应性。 d、e 图是两种比较特殊的处理方案，它们不能用于赛车的全程控制，只是考虑到赛车 的实际运行特点对某部分的偏移量有特别要求是使用。对于传统四轮车辆，转向时前轮有 比较严格的角度关系，而它们的得到是由转向系统决定的。这样两套系统都对某个值做出 了限制，必然会有矛盾，在车由 0 度转到最大转角时，并不是每时每刻都能同时满足两种 条件的限制，那么为了赛车行驶的稳定性，我们可能会在小范围内对转角波动，以得到附 近最合适的转角值，减小矛盾。 4.3 弯道策略制定 在智能车比赛中，我们使用的是通用二输入一输出系统，其中两个输入量是中心线偏 移量，和相邻两次检测的偏移量差值；输出量可以分别选用舵机转角值和速度输出值做两 套系统。 中心线偏移量的隶属度函数表为 9 级： 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 20 - 表 4.2 中心线偏移量的隶属度函数表 Lable123456789 下底小值0716243746556880 下底大值91728404958718265535 左腰斜率2555142324242323625 右腰斜率2851423242423236255 偏移量差值的隶属度函数表为 3 级（计算时需要先做加 100 运算）： 表 4.3 偏移量差值的隶属度函数表 Lable123 下底小值089110 下底大值90111255 左腰斜率2552312 右腰斜率1223255 速度规则表为： 表 4.4 速度规则表 中心线偏移量 bigbigmidbigmidbigmidmidlowmidlowlow 偏移量差值 bigbigmidbigmidbigmidmidlowmidlowlow 速度精确值为： 表 4.5 速度精确值 Lowlowmidmidmidbigbig 2632322837 转角规则表为： 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 21 - 表 4.6 转角规则表 中心线偏移量 tinytinytinysmallsmallsmallmiddlemiddle middlelarg e large largehug e tinytinysmallsmallsmallmiddlemiddle middlelarg e large largehug e huge 偏移量 差值 tinytinytinysmallsmallsmallmiddlemiddle middlelarg e largehuge 转角精确值为： 表 4.7 转角精确值 tinytinysmallsmallsmallmiddlemiddle middlelarg elargelargehugehuge 22580135170240320410510 这套控制方案是基于 07 年第二届“飞思卡尔”全国大学生智能车竞赛的要求制定的， 它实现了对不同曲率弯道的转角合理分配，速度精确限制等目标。 第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 - 22 - 第五章、开发工具、制作、安装、调试过程说明 5.1 开发工具 程序的开发是在组委会提供的 CodeWarrior
- 温馨提示:
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