恩智浦第十四届骑猪看世界队

1、第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：池州学院队伍名称：骑猪看世界参赛队员：汪凯李超群魏晨鑫带队教师：时国平钱叶册十四届全国大学生智能汽车技术报告十四届全国大学生智能汽车技术报告目录 第一章 引言11.1 概述1第二章 智能车整体设计22.12.22.32.4整车设计思路2控制系统2机械结构的调整2车模整体布局3第三章 机械结构设计43.1 舵机及配件的安装方式43.2 重心调整53.3 前轮定位53.4 摄像头的安装83.5 编码器的安装方式93.6 后轮调整10第四章 硬件电路系统设计124.1 3.3v 稳压电路124.24.34.44.54.64.75V 稳压电路13

2、舵机电源13电机驱动电路14其他硬件电路14电路设计优点17本章小结18第五章 软件设计195.1 赛道边界的提取195.2 赛道的类型及其处理方案.。205.3 控制策略.。215.45.5刹车控制23路径优化方案24第六章 调试环境软件说明296. 1 开发工具296. 2 调试工具30第七章 智能车技术参数31总结32参考文献33第一章 引言1.1 概述“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛,是由教育部高等学校自动化专业 教学指导委员会主办的科技竞赛。该竞赛以“立足培养,重在参与,鼓励探索,追 求卓越”为指导思想,旨在促进高等学校素质教育,培养大学生的综合知识运用 能力、基本工程实践能力和创

3、新意识,激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和 潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精 神。该竞赛目前 由恩智浦半导体公司赞助,由清华大学协办,从 2006 年开始,每年举办一届,目前已成功举办十四届。 从 2019 年 1 月开始,我们就开始着手准备这项赛事。历时 7 个月时间,经历 了机械构造、硬件方案、算法思路的不断创新,这些创新体现在设计理念上,也贯穿赛车制作过程的始终。由于这些创新,赛车各方面综合性能得到提升,并且获得了良好的赛场表现。本技术报告将详细介绍我们为第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛而准备的智能车系统方案。 1十四届全国大学生智能汽车技术报告第二章

4、 智能车整体设计2.1 整车设计思路智能车主要由三个部分组成：主控系统、检测系统和动力系统。主控系统采用恩智浦 Kinetis 系列的32 位单片机LPC54606,检测系统采用mt9v032 数 字摄像头,动力系统主要控制 S3010舵机的转角和直流电机的转速。整体的流程为：通过 mt9v032 数字摄像头来检测前方的赛道信息,并将赛道信息发送给单片 机处理,同时通过LPC的FTM模块进行脉冲采集计算实时速度。主控系统根据所 取得的赛道信息和车体当前的速度信息,由主 控单片机做出决策,并通过 PID 控制 直流电机和舵机进行相应动作,从而实现车 体的转向控制和速度控制。 2十四届全国大学生智

5、能汽车技术报告2.2 控制系统摄像头采集的赛道图像信息、编码器采集到的车体运行速度,是反馈控制系 统的输入量。执行器（直流电机和伺服舵机）以及模型赛车构成反馈系统的装置, 主控单片机是系统的控制器。在智能车系统的搭建到赛车快速、稳定地按照赛道行驶的整个过程中,反馈原理是我们分析问题和解决问题的基本原理。 2.3 机械结构的调整第十四届智能车光电四轮组采用的车模是新 C 车模,相比于旧 C 车模整体结 构较为刚性,同时也发现了一些机械结构上的不足,新 C 车模前桥先天不对称, 我们通过在前轮的倾角、 前轮的松紧度上进行矫正,尽量减小因不对称产生的影响。新 C 车模采用的双电机驱动，可以更好的差速

6、，差速器的性能对于新 C 车模的重要性绝对是重中之重,好的差速调整可以较好的过弯、 不甩尾、 噪音较 小。 2.4 车模整体布局对于新 C 车模而言,车模的稳定性,适应性,加速度性不仅与软件的控制有关 还与良好的机械结构调整有关,在后期的速度提升中必须调整车模的机械结构以 保证车模行驶的稳定,所以一个良好的机械结构对于车模行驶状态起到了至关重 要的作用。 本组的车模特点总结如下： (1)车模底盘降低,同时主板以及各部件贴近底盘,以尽可能降低重心。 (2)舵机采用立式安装方式。(3)用轻便碳纤维杆作为摄像头支撑杆的材料。(4)主板驱动在一起,电池在车身偏后，保证车模重心在偏后的位置。4第二章 智

7、能车整体设计 整体布局图 2.1 如下所示：图 2.1,车模整体布局 5十四届全国大学生智能汽车技术报告第三章 机械结构设计3.1 舵机及配件的安装方式对于舵机的安装方式,大致有两种安装方式一是立式安装,二是卧式安装两 种方式。我们可以发现力臂较短的连接方式优点是能够输出更大力矩,调节精度 更高但是不足的是反应速度不够快,而对于长的连接方式优点是反应速度快, 调 节精度低,但是输出力矩不足,所以综合考虑舵机的反应特性和输出、极限转角以及实际调车过程的现象并且参考了以往的 C 车模舵机安装方式。我们决定了舵机 安装方式为立式安装,摆臂不可太长不可太短,大致平齐即可。 舵机安装方式如下图所示： 图

8、 3.1 舵机安装方式 6第三章 机械结构设计 3.2 重心调整通过重心的调整,在车模的实际的行驶过程中,总体重量主要由车模自身重 量和电池的重量决定。由于车模自身的重量不可决定,那么电池的安装位置就决 定了整体车模的重心位置。在实际的调车过程中,我们发现电池放在电机附近时 如果高速过弯车模有翻车的危险。如果电池放在靠近舵机附近时,我们发现会严 重影响舵机过弯转向灵敏度。经过多次试验,我们找到了一个合理的位置安放各 个器件,主板在前部分,电池在车模中间部分,驱动板在后部分,保证车模整体重 心在中间偏后的位置,既能增大后轮的下压力,又能保证前轮舵机转向的灵敏度。 图 3.2 各器件位置 3.3

9、前轮定位前轮定位主要是在于提高车模转向控制的灵敏度和提高车模的抓地力,主要 包括：主销后倾、主销内倾和前轮前束。 3.3.1 主销后倾主销后倾（见图 3.3）指前轮主销在车模的纵向平面内（小车的侧面）有一个向后的倾角 ,即主销轴线与地面垂直线在车模在纵向平面的夹角,称为“主 7十四届全国大学生智能汽车技术报告销后倾角”。 垂线后面倾斜的角度称为正后倾角,向前倾斜的角度称为负后倾角。 通常汽车行驶过程中,主销后倾角应为正值。采用主销后倾,车模在车轮偏转后会产生一回正力矩,纠正车轮偏转。所以主销后倾角越大,车速越高,前轮自动回正 能力越高,但是过大的回正力会使车模转向较难。经过车模实际行驶,我们将

10、主销后倾角调整为 5左右。 图 3.3 主销后倾 3.3.2 主销内倾车在直线行驶时，转向轮若偶然受来自路面的外力（如碰到一块突起的石块） 作用，或方向盘稍作转动而偏离直线行驶方向时，转向轮有自动恢复直线行驶的能力。转向轮的这种自动回正作用一般称为转向轮的稳定效应。转向轮的这种稳定效应是由转向轮轮的正确定位来保证的，也就是转向轮、主销和前轴之间的安装应具有一定的相对位置，这些转向轮的定位参数包括主销后倾角、主销内倾角、 前轮外倾角和前轮前束等参数。8内倾角的作用（见图 3.4）：减少转向跑偏现象、改善车模直线行驶的稳定性。另外,主销 内倾还可减少前轮传至转向机构上的冲击,并使转向轻便。但内倾角

11、不 宜过大,否则在转向时,会使轮胎磨损加快。 调整方胎调整为倾斜以后直线行走的时候是轮胎内侧着地,而当过弯的时候,由于惯性车体会要向弯道外侧倾斜, 而这时候的外侧轮胎如果倾斜角度事先 调整得当则正好可以胎面着地,从而使车 辆在弯道获得最佳抓地力。而如果事先 把轮胎装成是完全垂直于地面的话,尽管 直线行驶的时候轮胎是胎面着地,而到 弯道就会变成轮胎外侧着地了,那样将大大减小轮胎与地面的有效接触面积,从 而导致弯道时抓地力大幅降低。主销内倾角 不可过大,否则在直道和弯道时均使 用轮胎内侧,导致轮胎严重磨损,抓地力极低。 由于赛道一般会设有连续弯道,车 模需在高速下连续转弯,在此我们将车模主销内 倾

12、调为-8 度左右 。 图 3.4 主销内倾9第三章 机械结构设计 3.3.3 前轮前束前轮的作用主要是为了车辆具有自动回正的功能,保证车模稳定的直线行驶, 如遇到外力发生偏移,在外力消失后能立刻自动回到直线行驶上,使得车模具有 良好的行驶姿态,而这种回正力是由转向轮的定位参数实现的。 前束不对的现象：前束过小,方向不能自动回正,高速行驶的车模方向不稳。 前束过大,车模轮胎内侧过度磨损,过弯转向比较吃力。 前轮前束的调整方法：前轮前束不一定左右对称,我们发现,新 B 车模有的车模前轮左右不对称,因此我们发现当车模舵机打正用手推车模时车模会往两侧跑, 如果往右偏,那么左边前轮的前束杆缩短一点,反过

13、来也一样。直至车模行驶直线即可。 10十四届全国大学生智能汽车技术报告图 3.5 前轮前束 3.4 摄像头的安装摄像头的安装位置的比较和确定：对于新 C 车模摄像头的安装无非两种一是靠近舵机附近安装,二是在中间位置安装。我们为了有更好的前瞻选择了放在舵机上面安装摄像头。 摄像头安装的缺点和调整：对于我们组安装摄像头的方法太过于靠近前端, 并且摄像头的位置过高。导致了重心不稳,摄像头的高度太高也会影响在高速过 程中碳素杆抖动。所以我们另外的使用了一路较为粗的碳素杆用于固定主碳素 杆使其重心分配均匀,不至于车模高速行驶或者经过颠簸赛道的过程中摄像头抖 动。11第三章 机械结构设计 图 3.6 摄像

14、头安装 3.5 编码器的安装方式对于车模的速度传感器我们选用旋转式编码器,不易受外界的干扰,该编码 器的线数 512 线,可以达到很高的精度。 安装编码器：装编码器时,一定要注意编码器和齿轮的咬合程度咬合完美的原则是：两个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 ,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。

15、 12十四届全国大学生智能汽车技术报告图 3.7 编码器安装 3.6 后轮调整C 车的的双电机驱动调整提高入弯时的速度非常有利，后轮的调整包括两方 面， 与 B 车模增加一个电机，动力效果更好。二是双电机，可以通过软件编程， 可以 更好的进行电机控制，进行转弯时候的差速。 13第三章 机械结构设计 图 3.8 后轮调整 14十四届全国大学生智能汽车技术报告第四章 硬件电路系统设计硬件电路是程序的载体,想让车模跑到好需要有良好的硬件电路和较好的程 序,下面主要对整体车的硬件电路分析。 4.13.3v 稳压电路由于本组摄像头、液晶、编码器供电需要 3.3V 电源,并且摄像头单独一路 3.3V 供电

16、。因此必须采用两路 3.3V 稳压芯片来提供电源。经过查资料,能到达该功能的芯片有 TPS7333、AMS1117、TPS76833 等许多芯片。考虑到 TPS7333 的 压降小,大概 0.1V,发热量小等因素,最终选择 TPS7333 作为最终采用的电源芯 片。 下图为 3.3V 稳压电路原理图。图 4.1 3.3V 稳压原理图4.25V 稳压电路本组采用的是 L P C 54 60 6 最小核心板,板载 3.3V 稳压电路为单片机供电, 该核心板的输入供电电压为 5V,在测试过多种 5V 电压芯片的基础上,从发热量, 压降,电路稳定性方面分析,采用了 TPS7350 作为稳压电路芯片。

17、以下为 5V 稳压电路图如下。15第四章 硬件电路系统设计 图 4.2 5V 稳压电路4.3舵机电源在官方的 S3010 数字舵机的手册上,标准供电电压为 5.5V,在测试中发现电压越高,舵机的反应速度越快,在综合考虑下,我们采用 AMS1117-ADJ 芯片为舵机供 电,该芯 片具有输出电压可调,输出稳定的特点,因此最终选择此芯片作为舵机的稳压电源。 电路图如下 16图 4.3 舵机稳压电路 17十四届全国大学生智能汽车技术报告4.4 电机驱动电路 驱动单元是控制系统的重要组成部分,采用低导通内阻的 MOSFET 功率管搭建 H 桥结合逻辑电路驱动,赛车的加速和制动性能以及上限速度得到了很大

18、程 度的提 高。MOSFET 选型为 IRLR7843。 图 4.4 电机驱动电路 4.5 其他硬件电路4.5.1 五项按键接口电路：18第四章 硬件电路系统设计 图 4.5 五项按键 4.5.2摄像头接口电路图 4.6 摄像头接口电路 19十四届全国大学生智能汽车技术报告4.5.31.44LCD液晶及舵机接口图 4.7 液晶及舵机接口电路 20第四章 硬件电路系统设计 4.5.4蓝牙接口图 4.8 蓝牙 4.6 电路设计优点从本组的 3.3V 稳压和 5V 稳压方面可以看出了,尽量简化了电路的难度,只要 加上两个电容即可满足降压稳压的效果,这样就从 PCB 的布局上减小了电路的复杂程度。在原

19、有官方的电路上减少了部分电路。但是本身的稳压性能并没有改变。 21十四届全国大学生智能汽车技术报告4.7 本章小结硬件电路部分需要做到认真仔细无纰漏,从原理图的绘制到 PCB 的布线,都要尽 善尽美,做好细节问题。另外电路板的形状大小要和车模机械结构相适配,保 证电 路稳定的同时也要保证良好的机械结构。我组的电路设计将布局缩到很小的 地方, 使得 PCB 板看得更为小巧。22第五章 软件设计 第五章 软件设计5.1 赛道边界的提取（摄像头）(1) 直接逐行扫描原始图像,根据硬件二值化结果直接提取出边界坐标； (2)图像数据量大,全部扫描一遍会浪费很多时间,利用前面已经求出的中线位置 判断出中

20、线的趋势,从而推断出下一行的中线大概位置,确定出扫描范围,避免整 行逐点扫描,节省时间。求中线时,因为近处的中线稳定,远处中线不稳定,所以采 用由近及远的 办法；根据上一行的左右两边的坐标,确定本行的边线扫描范围。 在确定的赛道宽 度范围内提取有效赛道,这样可以滤除不在宽度范围内的干扰； (3) 根据采集到的赛道宽度,判断是否采集为真正赛道,滤除噪点造成的影响； (4) 图像是远处小近处大,所以赛道宽度范围和前后行赛道中心的位置差别都要动态调整； (5) 比较左右赛道边界坐标的大小,判断赛道的有效性；这种方法是历届的比较普通的方案。我们需要的是把赛道的各种特征提取出来, 以备后面程序处理的方便

21、。 如果再次处理原图像,会使得程序变得繁琐,耗时较长。 5.2 赛道的类型及其处理方案历届的赛道需要处理的元素有：小 S、十字、大弯、每年特殊元素。下面仔 细讨论我们如何处理这些元素。 5.2.1 小 S 处理方案对于小 S 的处理方案：对于摄像头而言,前瞻较远,也使得摄像头组是每年速 度 较快的组别,所以对于小 S 这种元素当然是使得车模直线行驶最好,路径最优, 耗时 最短。那么实现的方法就是：利用处理图像得到的每行中线后我们进行了加 权处理, 每行加权后会使得偏离值大概在中线附近,而不至于车模在小 S 处抖动, 以快速的速度过弯。而这些加权参数的调整方法是将车模放到小 S 地方矫正参数 使

22、得车模舵机打角较小即可。这种方法的优点使我们不需要特别识别小 S,适应 性较强,不 影响其他的性能。 23十四届全国大学生智能汽车技术报告5.2.2 十字处理方案对于十字的处理方案：在高速行驶的车模,十字的特殊处理必不可少,因为在 低速时我们发现车模可以不必要识别十字,车模照样都可以很顺利的过十字。但 是后期的高速过程中我们发现,如果不特殊处理十字,将使得车模在进出十字时 车模没有一个良好的出进十字的姿态。车模的姿态对于高速行驶的车模而言重中之重,一个良好的姿态可以使得车模有一个良好的路径。十字的处理方案如下： 如下图所示。修正思路如下：我们将下方的跳变点提取出来,这里很好找,我们不必多说。然

23、后利用一元一次方程的斜率补出丢失的点直到上方的跳变点位置。这样基本上解决了过十字的斜入十字的问题 图 5.1 斜入十字 5.2.3 环岛处理方案以右环岛为例,本组的处理思路是这样的：识别 1、3、处 5 的赛道特征并且以 2、4 为辅助识别特征。当识别 1、2 处特征后,进入到处理环岛程序中,当 发现 1 处特征消失,此时车模必处于 2 平行线附近。所以接着程序识别 2、3 或者 2、3、4。那么当车模只能识别到 2、3 时,我们可以判断车模准备识别进环程序。 一旦车模识别到 5 处的特征,并且识别了进环标志位。自此车模是大概 3、4 处附 24第五章 软件设计 近,此时环岛识别程序结束。 需

24、要做的是如滑进环和平滑出环,思路如下： 对于车模进环,可以利用单 边当中线的方法,并且中线平移进环,一旦回归到正常的赛道。取消单边当中线的方法,如果舵机打角较小,可以单独使 P、D 增大顺利进环。对于车模出环会面临直冲,或者压边的情况,本组的处理思路是将 1 处的特征再次识别,此时车模离出环不远,再次利用单边当中线方法使得车模平滑出环。 图 5.1 右环 5.3 控制策略经典的 PID 控制理论,在本文中不做过多的描述,可自行查阅资料,在本文中,将描述如何使用用经典的 PID 公式控制电机闭环和舵机闭环。并且详细的教大家 如何调节电机和舵机的 PID 参数。 5.3.1 电机的 PID 控制

25、C 语言实现 电机的控制就是对小车速度进行控制和规划。速度的规划我们采用常见的“入 弯减速，出弯加速”方案进行速度规划，速度不一定要与打角对应，即没必要 让打角与速度大小一一对应。电机速度控制思路我们采用的是增量式 PI，可以 瞬间提速到目标速度。但是增量式 PI 有缺陷是速度偏差为 0 时就无法增速了， 还有就是积分饱和的影响。因此我们对此， 加入抑制积分饱和处理方式，如限制积分饱和，积分分离等等 23十四届全国大学生智能汽车技术报告为了理解的方便,我们之间拿来 C 语言程序进行解释,代码如下：Motor_Pid.e_k = Motor_Pid.ideal_speed - Motor_Pid

26、.actual_speed; error=Motor_Pid.e_k - Motor_Pid.e_k1;/乘 P error1 = Motor_Pid.e_k;/I error2 = Motor_Pid.e_k - 2*Motor_Pid.e_k1 + Motor_Pid.e_k2;/D Motor_Pid.e_k2 = Motor_Pid.e_k1; Motor_Pid.e_k1 = Motor_Pid.e_k; Motor_Pid.PWM+=Motor_Pid.P*error+Motor_Pid.I*error1+Motor_Pid.D*e rror2; 人们通过对 PID 控制理论的认识

27、和长期人工操作经验的总结,可知 PID 参数应 依据以下几点来适应系统的动态过程。 1、 在偏差比较大时,为使尽快消除偏差,提高响应速度,同时为了避免系统响应 出现超调,Kp 取大值,Ki 取零,在偏差比较小时,为继续减小偏差,并防止超调过 大、产生振荡、稳定性变坏,Kp 值要减小,Ki 取小值;在偏差很小时,为消除静差, 克服超调,使系统尽快稳定,Kp 值继续减小,Ki 值不变或稍取大。 2、当偏差与偏差变化率同号时,被控量是朝偏离既定值方向变化。因此,当被控 量接近定值 时,反号的比列作用阻碍积分作用,避免积分超调及随之而来的振荡, 有利于控制; 而当被控量远未接近各定值并向定值变化时,则

28、由于这两项反向,将 会减慢控制 过程。在偏差比较大时,偏差变化率与偏差异号时,Kp 值取零或负值, 以加快控 制的动态过程。 3、偏差变化率的大小表明偏差变化的速率, 1 越大,取 Kp 值越小,Ki 取值越大,反之亦然。同时,要结合偏差大小来考虑。 4、微分作用可改善系统的动态特性,阻止偏差的变化,有助于减小超调量,消除振荡,缩短调节时间 ts,允许加大 Kp,使系统稳态误差减小,提高控制精度,达到满 意的控制效果。所以,在 ek 比较大时,Kd 取零,实际为 PI 控制;在 ek 比较小时, 取一正值,实行 PID 控制。 5.3.1.1 Bang-Bang 控制算法算法的加入可以使车模在

29、加减速方面有了良好的提升,例如当直道入弯道时,直道速度较快这种速度过弯是不行的,所以我们就必须过弯时及时减速。因24第五章 软件设计 此我们引入了算法。即当目标速度和实际速度差值大于某个设定的数时,进 行满波加减速。这是算法的思想,然而当我们引入后发现如果进行满波加减 速会使得速度环变得较“硬”,为了使得车模速度不太“硬”,我们加以改进即利用半波减速,这样就使得速度即有良好的加减速,又使得速度环不太“硬” 5.3.2舵机的 PID 控制 在小车跑动中,因为不需要考虑小车之前走过的路线,所以我们舍弃了 I 控制, 将小车舵机的 PID 控制简化成 PD 控制。我们对舵机的控制采用了位置式 PID

30、 算法,根据往届的资料和自己的测试,将图象经过算法处理后得到的赛道中心位 置和对应的舵机 PID 参照角度处理成一次线性关系。另外,为了过弯更加的顺 畅,我们将 Kp 值设为与偏移量成二次行数的关系。这里 Kp 就是所谓的简单动态 P。 533 舵机响应速度改善 影响舵机控制性能的一个重要参数是舵机的响应速度。舵机转动一定长度有 时间延迟,时间延迟正比于旋转过的角度,反比于舵机的响应速度。而舵机的响应速度正是直接影响智能汽车过弯性能和过弯最高速度的因素,因此提高舵机的响 应速度是提高智能汽车平均速度的一个关键。工作电压与响应速度有一定关系, 适当地提高工作电压可以提高舵机的响应速度。并且在程序

31、在中频率本组采用 300HZ 作为舵机频率,为了提高 S3010 舵机反应速度。（详细看第三章） 5.4 刹车控制（1）使用机械结构刹车。在赛车左右后轮分别安装一个伺服电机,控制刹车 片抱 死后轮,以达到刹车的功能,和实际车辆的刹车原理相似。使用该方法需要增 加两 个伺服电机,如果左右刹车量不一致,赛车就会发生偏移,所以需要对左右轮 车速 进行分别测量,并结合赛车转向情况综合计算,系统较为复杂,实现困难,而 且精 度不足。 （2）暂停驱动电路输出。本方式为常用的刹车功能,具体操作可以断开驱动 电路或给电机 0 占空比实现,实际效果是使赛车向前滑行,依靠轮胎与地面的摩 擦力减速。但由于刹车距离较

32、长,高速运行的赛车需要相当长的一段滑行才能达 到转弯的安全车速,所以效果并不理想。 （3）电机反转。该方式综合利用电机电磁制动和赛车后轮差速器结构进行刹25车。高速运行的赛车刹车时,对电机施加一个反向电流,在电机内部磁场反向,使 转子受到很大的磁力矩作用,迅速减速并反转。由于本模型车后轮装有差速器,允许左右后轮和传动齿轮分别以不同速度转动,当电机与赛车后轮转向相反时,他 们之间摩擦力能使赛车很快减速。实际使用倒转功能进行刹车效果非常明显,但 频繁对电机和驱动电路施加反向电流,两者的发热相当明显。 综合以上三种刹车方式, 制定了快速减速的方案：在速度差较大或者识别 到起跑线时电机反转,速度差较小

33、时赛车滑行,效果良好。 26十四届全国大学生智能汽车技术报告5.5 路径优化方案摄像头先采集信号,建立出车前方一定距离内的赛道模型,在模型中规划出 一条路径,要求这条路径在赛道范围内,光滑,曲率小,最重要的要求是,如果车以 最优的速度决策沿着这条路径跑,时间最短。其中这个路径的起点是车体本身,向前延伸,到前瞻处。最后呢,让车沿着这条路径跑就行了,具体做法是：把路径的 起点处的切线方向直接映射到前轮方向。这样一来就好了,小车清楚地知道自己 应该内切,而不是盲目地追随一个点最后看起来内切了而不自知。 总的来说： 1、将赛道信息提前,给小车的转向控制更多的响应时间,小车拐弯更早,因此转向 的能力大大

34、加强 2、优化路径,低通滤波,对于大弯会更加切内,对于 S 弯会滤除高频信号走的更 直。 但是实际的调车过程中优化路径的性能有一个极限,当前瞻太远,过度优化 的时候,优化路径偏离中线太多,小车就跑出了赛道外。最常见的情况是在十字后 面的 q 弯处挂在内侧的路肩上。 5.5.1 改进原理 前瞻大到一定程度就会优化路径出问题,然而这并不代表着前瞻没有更多的潜力 可以挖掘。在实际调车的过程中发现：当前瞻过长时,最先出现问题的时候是那 些大弯过分的切内。这一点其实很容易理解,前瞻对路径的优化中,对大弯的优化 程度是最厉害的,会偏离中线很多。如果是允许直冲的小 s,即使将路径优化成一条直线也没有问题（当

35、然光靠前瞻做不到这一点）。如果是幅度比较大的“中 s”, 当前瞻很长的时候也会出问题,但是依然比大弯好很多,并且这种赛道已经很久 没有在正式比赛中出现了。 这里就可以得出前瞻还可以挖掘潜力的地方了！平时使用的固定前瞻,仅仅 是适应于“大曲率”的最优前瞻,而对于“小曲率”的赛道,其实可以使用更长 的前瞻。在实际使用的过程中,可以发现动态的前瞻不仅仅是更优的路径,最关键的是在入弯时前瞻较大,响应比较早,大大加强了转弯的能力。 26第五章 软件设计 5.5.2 改进方法现在已经知道了曲率小的时候应该使用较小的前瞻,那么怎么才能知道赛道 的曲率？需要计算中线的曲率吗？本组认为计算中线的曲率是完全可行的

36、一种 方法！计算出曲率,制定曲率对应的前瞻的映射关系,是完全可以的！关于如何计算曲率的方法网上有很多,不在此阐述了。我使用的是另外一种方法圆弧形 前瞻。 具体写程序而言：遍历整条中线上的点,当这点到圆形的距离的平方达到半 径的长度的平方时,计算角度如果嫌弃这种方法太慢,可以在开机的时候把每个 点的距离和误差都算好。到时候直接查表。把中线附近几个点的误差加权一下可以消除一些的噪声,不需要很多,5 个左右就完全足够了,只能对付计算的噪声, 给赛道滤波的话这样加权是很低效的做法。 进一步的优化：用椭圆代替圆,d2 = k*x2+y2,k 成为了又一个可以调节 的参数,类似于改变曲率和前瞻的映射关系。

37、 5.6 赛道路径的提取（电磁）5.6.1 方向控制算法设计本系统在位置算法设计上经过大量测试，利用四个水平电感的之间的相互关系采用差比和进行计算偏差给电机差速转弯效果能够让车模很好的围绕中线行 驶 5.6.2 磁场信息的获取与处理在小车运动过程中不可避免的遇到一些干扰，所以我们要把采集回来的信 号进行滤波和标定处理。为了使单片机获得接近真是的数据我们要进行滤波防 止某次电感采值过大或过小对小车识别路径造成误判。 具体实现方式每 5ms 内采集 10 次数据，将采集到 10 个值进行取平均。再 采用滑动滤波进行 ad 数值处理，最后除去个位数得到最终的数值。 传感器的信号值标定是因为我们在调试

38、小车过程中可能会有电流的变化， 规则上是将电磁信号发生器调在 80-120mA，所以防止赛道电流的变化，我们并 没有采用归一化，而我是直接采用螺丝刀拧电感值的方法解决，另外一种就是 可编程电阻可以了解一波。27十四届全国大学生智能汽车技术报告5.6.3 巡线原理巡线部分是本系统软件部分的核心。本系统一共用了四个电感，两个水平 电感、两个斜电感。 我们利用两个水平电感进行差比和计算出误差 error，再利用前面的两个 斜电感加入到偏差中处理圆环的。利用电感值可以识别出直道，弯道，圆环。 根据不同的赛道信息利用不同的偏差，分配不同的 PD 参数，使路径尽可能圆滑。 5.6.4 圆环算法在环岛处电感

39、特征非常明显，很好识别但是入环时机不好把握，我开始尝 试了网友所说利用竖直电感直接循迹进去，我发现这种方式不好处理大小环岛 而且路径并不是很好，出环岛会抖，因此放弃了这种方案。 如何设定一个程序满足所有的半径环岛呢？最终，我发现竖直电感总会在 环岛入口处有特征点，环岛也可以用竖直电感+水平电感进行判断。 我程序总体思路为先判断到了环岛，再次判断入环口，利用竖直电感拐进去。再切为水平电感循迹。其中利用陀螺仪进行判断车身姿态进行清除标志 位，因为电感的特征不足以区别环岛一些位置特征。示波器显示环岛处 AD 值，如图28第五章 软件设计 如图 5.6 5.6.5 控制算法智能车的控制包括电机和舵机的

40、控制。具体算法的控制算法有 PID 控制、bang-bang 算法控制。 5.6.7 障碍算法本系统使用超声波和红外检测，障碍检测是根据超声波测得取得 AD 值，转化成距离，进行避障，避障主要的就是误识别，为了更好的解决这个问题，我 们加上红外测距，只有当两个传感器都同时检测到障碍物时，舵机根据陀螺仪 的角度打一定的偏转角，这样可以更好地排除误识别的的影响，更好的进行避 障。 图 5.6 超声波安装29十四届全国大学生智能汽车技术报告5.6.8 断路识别断路识别是根据摄像头判定的,当摄像头看到前面是没有赛道的时候，这时 候会切换成电磁识别赛道，当当断路识别结束的时候，安装在车上的光电对管 会检

41、测到赛道的黑边，这时候由电磁切换成摄像头，道路识别结束。 图 5.7 路识别电路板30第六章 调试环境软件设计 第六章调试环境软件说明6. 1 开发工具本队队员开发环境为 window 平台。开发工具为 IAR Embedded Workbench。 IAR Systems 是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于 1983 年,提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶 段,包括：带有 C/C+编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、实时操作系统和 中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。 6. 2调试工具6.2.1MDK在线调试图 6.1 5.2.

42、2串口上位机31十四届全国大学生智能汽车技术报告多功能调试助手,是一款集成串口调试助手、 摄像头调试、 线性 CCD 调试、 虚 拟示波器、 GSM 调试助手、 GPS 定位系统、 网络调试助手（TCP 服务器、 TCP 客户端、 UDP） 等多种调试功能于一体的多功能助手。有了他,本组可以轻松应对各种嵌入式开发。 图 3.1 6.2 MDK 在线调试工具使用通过在线调试,可以静态的查看定义的所有变 量值,可以看到摄像头在某一时刻 的采集到的数据值,可以用这种调试方法做到： （1）摄像头的安装固定,摄像头前瞻的确定,每两采集行见距离的测量；（2）摄像头采集数据正误的检查；（3）在静态时,观测黑

43、线提取的是否正确；（4） 可以检查各个硬件模块是否工作在正常情况下, 并对程序的执行正误做出 分析； （5） 可进行测速模块的反馈值检测；这套调试工具是在前期软件编写过程中最 常使用的一套工具,也是和小车机械结构安装的辅助工具。对于这套调试工具的 使用之处还有许多地方,在此就不一一说明。32十四届全国大学生智能汽车技术报告第七章智能车技术参数表 1.1 33车重（g） 1200 车长(mm) 300 车宽(mm) 200 车高(mm) 250 电路功耗(W) 15 电容容量(uf) 1000 摄像头数目(个) 1 舵机数目(个) 1 赛道信息检测频率(次/每秒) 50 赛道信息检测精度(cm)

44、 2 电感采集 4 红外测距 1 超声波测距 1 十四届全国大学生智能汽车技术报告总结经过近 7 个月的设计、制作和调试,在队员们的分工和配合下,最终顺利完 成了智能车电路、机械、程序等方面的工作。在这个过程中,大家学到了很多,积累了很多,能够一步一步走下来,靠的是整个团队的协作,团结和坚持。总体而言,大家学到了很多,提高了很多,这对以后的学习和工作都会起到很多有意义的作 用。智能车作为一个融合多学科交叉的的复杂系统,完成整智能车的设计、制作 和调试是一个非常庞大的工程,它需要一个高效运作、规范管理的团队的紧密合 作才能完成。在小车的制作过程中,前期把主要精力都放在了控制方面,但是随着速度的提

45、高,机械方面的问题便暴露出来了,但由于在机械方面缺乏经验,在借鉴 了别人的经验和自己的多次尝试后,小车的机械问题也得到了比较好的解决, 但 是小车还是有很大的调整空间。在智能车制作过程中,遇到过很多问题,在老师和师兄们的帮助下,再加上我们的不懈努力调试,终于在不断的改进中,完成了智能 小车的制作。从而认识到了机械对于小车的重要性,同时也认识到系统各个部分 都是不可分离的。一个良好的系统仍然需要不断完善和更新,为了保证车子能够 稳定达到最高平均速度,智能车系统的设计还是在不断的改进的过程。但是限于 水平有限,我们的小车仍然有很多需要改进的地方。 本文所论述的内容蕴含了团队的劳动、汗水和智慧。在本

46、文即将结束之际, 特向整个智能车团队的成员以及其它提供过帮助、建议和意见的人们表示衷心的感谢。感谢指导老师时老师的指导、支持和帮助。没有他的指导和帮助,整个智 能车队就很难高效稳定运行下去,设计的方向也很难把握得这么准确。感谢指导 老师在调试场地,物资上的支持和帮助,正是有了学院和老师的大力支持,才使我 们能专心做事,仔细研究。 34附录 参考文献1 卓晴、黄开胜、邵贝贝等.学做智能车挑战“飞思卡尔” 杯.北京：北京航空航天, 2007 年 3 月第 1 版 2 蔡述庭主编.智能汽车竞赛设计与实践基于 S12XS 和 Kinetis K10.北京：北京航空航天大学, 2012 年 6 月第 1

47、 版 3智能车制作. 圆弧形前瞻一种“动态”前瞻的实现方法,2018 年 2 月 17日 4 王宜怀、曹金华嵌入式系统设计实战北京：北京航空航天大学,2011 年 5 余恒睦主编.工程机械.武汉：武汉大学, 2013 年 11 月 01 日6 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法.北京：, 2004年 10 月第 1 版 7 郑学坚、周斌.微型计算机原理与应用(第三版).北京：,2001 年 6 月第 3 版 8 孙桓、陈作模、葛文杰.机械原理.高等教育, 2006 年 5 月 1 日第 7版 9 谭浩强 .C 程序设计 (第三版).M.北京：，2005.7.10 李仕伯,马旭,卓晴.基于磁

48、场检测的寻线小车传感器布局研究. J.电子产品世 界,2009,16(12).41-44. 35十四届全国大学生智能汽车技术报告附录：程序 #include headfile.h#include VCAN_LCD_ST7735R.h#include VCAN_computer.h#include SEEKFREE_7725.h#include VCAN_LCD.h#include path.h#include DuoJi.h#include key.h#include my_UI.h#include Motor.h#include road.h#include electro.h#includ

49、e eeprom.h#include mpu6050code.h#include inv_mpu.h#include redempu6050.h#include ultrasonic.h#include fsmtask.h#include GUI.h#include Duoji_Change.h#include process_images.h#define Infrar_PinA28void Init_ALL()/ov7725_init();lcd_init(WHITE);mpu6050_init_hardware();GUI_WriteAscii(0,0,mpu6050_init.,BLA

50、CK,RED);36附录 MPU_Handware_Init();GUI_WriteAscii(0,15,MPU_Handware.,BLACK,RED);eeprom_init();adc_init(ADC1);adc_init(ADC2);adc_init(ADC3);adc_init(ADC4);adc_init(ADC5);camera_init();GUI_WriteAscii(0,30,camera_init.,BLACK,RED);DuoJi_Init();/GUI_WriteAscii(0,45,DuoJi_Init.,BLACK,RED);Motor_Init();GUI_W

51、riteAscii(0,60,Motor_Init.,BLACK,RED);EncoderInit();/GUI_WriteAscii(0,75,EncoderInit.,BLACK,RED);init_key();/Init_Event(&s_tRotaryEvent,SET,Manual);/Init_Event(&s_tRangEvent,RESET,Manual);Init_Event(&s_tBeer_event,RESET,Manual);Init_Event(&s_tMotor_go_event,RESET,Manual);Init_Event(&s_tBarrier_Close

52、_event,RESET,Manual);camera_pid_init();/uart_init(USART_0,115200,UART0_TX_A25,UART0_RX_A24);/uart_init(USART_8,9600,UART8_TX_B18,UART8_RX_B17);/pint_init(PINT_CH0,Infrar_Pin,RISING);gpio_init(B6,GPO,0,NOPULL);gpio_init(A27,GPO,1,PULLUP);Read_eeprom_all();37第一节全国大学生智能汽车邀请赛技术报告/BUZZ_ON() ;int main(void)uint8 i=0;get_clk();pit_init_ms(8);set_irq_priority(RIT_IRQn,2);disable_irq(RIT_IRQn);Init_ALL();Ena