第三届技术报告rac

1、关于技术报告和研究使用的说明本人完全了解第三届大学生“飞思”杯智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究的规定，即：参赛著作权归参赛者本人，比赛和飞思半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛的设计方案、技术报告以及参赛模型车的、图像资料，并将相关内容编纂收录在集中。参赛队员签名： 带队教师签名： 日期： 目录第一章 引言1第二章 电方案概述22.1 光电道路识别方案分析22.1.1 韩国透镜方案22.1.2 连续式传感器方案42.1.3 脉冲大电流前瞻方案52.2 道路识别方案概述6第三章 机械改装83.1 车模重心的调整83.2 齿轮啮合间隙的调整83.33.43.53.6舵机安装方式的调整9差

2、速机构的调整9主悬架的调整9主销倾角的调整103.6.1 主销后倾角103.6.2 主销内倾角103.6.3 车轮外倾角103.6.4 车轮前束113.6.5 后轮的外倾角11电路设计12器模块13第四章4.14.1.14.1.24.1.3MC9S08QE128 功能概述13双功能分配15最小系统电路设计164.2电能分配模块174.2.14.2.24.2.34.2.4各模块用电情况分析18LM2596-5.0 开关稳压电路19LM1117 三端稳压电路20MC34063DC-DC 升压电路20算法23传感器主动跟随算法23转向算法25电机速度算法27调试工具32调试平台33第五章5.15.2

3、5.3第六章6.16.26.3无线三维接口34调试模块的实现36第七章 结论40I第一章 引言本按照第三届“飞思”大学生智能汽车大赛光电组比赛要求，在充分分析了上两届比赛和大赛情况并详细分析光电组传统方案后，本队进行创新设计并解决困扰已久的传感器探测距离和探测精度的问题，使本队达到前瞻距离 50cm（传感器路面探测点距转向轮的距离）和精度 0.5cm（路面黑线横向探测间距）的探测性能，同时还有着极高的稳定性和能力。而且，本队不仅在传感器方面较之其他传统光电车队有了质的飞跃，在器方面也有很大的改进。采用飞思公司 2007 年的最佳 8 位处理器 MC9S08QE128作为器。此不仅功能丰富，性能

4、强大，而且规则规定可以使用两片 8位，可以同时进行信号处理和电机，在算法设计上也有了更大的空间和更灵活的方案。在整个比赛的准备过程中，本队还开发了相应的上位机调试平台，可以通过无线收发器接收实时信息，在电脑上位机中直观地了解目前行驶情况和的问题。另外此软件还可以进行算法，通过电脑模拟算法运行结果对算法可能产生的效果进行定性评价，大大提高的算法开发的效率。在接下来的技术报告中，主要从机械，电路，算法和调试四方面对本队的技术方案作较为具体的。首先在第二章的方案概述中先分析了光电车的特性和主要问题，然后应对的方案并给出本队的解决方案同时再系统整体做定性介绍，然后在第三章机械改装，第四章电路设计和第五

5、章算法中对本方案的各个细节进行。接着在第六章调试工具中详细就了本队开发的上位机平台。1第二章 电方案概述由于本次比赛中对于执行机构不能有任何改动，所以方案设计主要集中在道路识别方案和系统上。在道路识别方面，本队使用随动舵机前瞻光电开关对赛道黑线主动跟随，转向舵机通过随动比进行转向，使得前瞻距离可以加长而不用担心盲区问题，在任意情况都可以较好的循线。在方面使用了两片MC9S08QE128CLK，将信号分析和电机精度。运行，进一步减小时间提高由于对于智能车系统来说，最主要的是道路识别系统，其识别能力的优劣将直接影响的行驶性能，所以接下来主要分析道路识别方案，而其他部分将分散在其他章节逐个。2.1

6、光电道路识别方案分析2.1.1 1 韩国透镜方案在本届大赛规则中对于光电组别的划分是这样规定的：“在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电赛题组。”，可见实际上大赛对于光电组组使用什么方式进行道路识别是非常宽松的，透镜一样也可以使用，只要不是用来成像就可以。正如韩国 2007 年的二等奖车队 KEM4328 便是使用透镜来增加探测距离提前探测弯道，在透镜内部只有两个接收管，对于道路信息的提取是以点的方式进行，而不是图像，所以并不比赛规则，这点也已经向大赛确认过了。如下图所示便是韩国透镜车：2第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告图 2.1但是透镜方案制作复杂而且体积

7、庞大，往也无法前伸过多，以免造成整车质量前移而产生车体前倾不利于整车稳定性，同时车重增加导致惯性过大也会极大影响的加性能，所以在韩国的透镜方案中也有车队车身重量匹配好而把电池后移并且作了整车轻量化改造的情况，比如下图的 2006 年的冠军 Nalssen 车队便是如此：图 2.23第二章 光电方案概述不过此类方案虽然在一定程度上提高了探测距离，但在探测精度方面并没有很大，仍取决于传感器的布置方式，当然也可以通过一些提高探测精度，比的连续式传感器使得纵向探测精度达到了1mm 的水平。如接下来要提到的总之，由于韩国智能车大赛的赛道很长只能跑一圈而且提前公布赛道形状，和中国赛事情况不同，所以对于他们

8、车队来说，稳定性是最重要的，速度反倒是其次，所以其对探测距离的要求不如我们这么大。2. 1. 2 连续式传感器方案spanner 上传的技术报告中这是在飞思技术社区中三角洲提到的方案，使用模拟器件然后通过实验拟合出每个传感器的电压-距离曲线来提高纵向探测精度，如下图为其传感器特性和拟合曲线图：图 2.34第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告可见，理论曲线和拟合曲线还是非常接近的，而且各个传感器的一致性也相当好。这一方面取决于在传感器选择上使用了较为合适的，另一方面也是其归一化处理和拟合方法比较得当所致。通过这种软件方法就可以有效地提高传感器的一致性，并且大大提高了纵向探测精度。不过前提是要有较好

9、的归一化处理算法和曲线拟合测试保证，对于算法的编写和实验能力有一定的要求。2. 1. 3 脉冲大电流前瞻方案同样也是出自得方案，主要思想就是通过加大发光管上的电流来提高传感器探测距离，但是传感器长时间通大电流会造成器件损坏，所以就使用脉冲发射的方式进行，如此一来便可以有效地增加探测距离。不过这样做会造成一定的干扰性，虽然通过滤波或者其他技术可以解决，但对于模拟电路调试方面就有比较高的要求了。下图是其前瞻传感器图片：图 2.4图 2.5如此一来，理论上就解决了光电传感器前瞻距离的问题，可以说只要电路参数调得好，达到 40cm 甚至 50cm 的前瞻距离都是有可能的。不过，在 spanner 上传

10、的另一篇文章（基于 Plastid1平台的智能车硬件有话设计）中也指出理论上存在一个最佳的前瞻距离，文章认为在光电传感器一字排列时，最佳前瞻距离与车速5第二章 电方案概述有关，3m/s 时选 30cm 左右为佳，同时也认为如果“不考虑机械设计和光电设计的难度的情况下，应当使前瞻距离随实际车速而变化”。总之，在前瞻距离问题能够解决的情况下，并不是越远越好，至少对已一字排列传感器而言一个最佳前瞻距离的问题。2.2 道路识别方案概述在之前的方案分析中可以发现，对于光电组来说，传感器的探测距离和探测精度非常重要，也是上届比赛中所有光电车队面前的最大。这两个问题虽然目前都有一些解决方案，无论是距离或者精

11、度都可以大幅度提高，但是毕竟受限于信息量，使得道路识别的综合效果无法得到有效的提高。由于光电传感器有数量上的限制，对于赛道的探测势必受限于信息量，无论精度多高，也只能是布置了传感器的这一块区域内的精度较高，在赛道上没有布置传感器的地方就是盲区。所以探测距离越远，盲区也就越大。精度无论多高，看不见赛道就无法正确，势必速度就无法提高，这也是为何一字型布局会有最佳前瞻距离的。同样的，任何单排的固定布局方式都一定会这个最佳前瞻距离，也就是前瞻极限。所以，接下来要做的就是如何增加这个前瞻极限使得可以获得更大的前瞻距离同时又有过多的盲区产生。于是，便得出了本队的大前瞻随动方案。如下图所示：6第三届大学生智

12、能汽车邀请赛技术报告图 2.6这个方案是将大前瞻传感器安装在伺服电机（随动舵机）上，前置并悬伸出车体前端，将前瞻距离用到前排传感器（随动光电组）所能达到的最大距离，大约 50cm左右。然后随动舵机使其跟踪黑线并始终将黑线置于随动光电组的中间位置，犹如跟踪一般。接着在算法中通过随动比调节转向舵机的转角，使其配合随动舵机进行转向，如此便能达到系统的超前调节和路径优化等目的。具体的算法见后文第五章算法部分。7第三章 机械改装对于模型而言，底盘质量对性能有举足轻重的影响。但是本次比赛中的底盘部分偏软，做工粗糙，悬架系统性能较差而且还不是四轮驱动，平心而论并不适合做这类电动平路赛的比赛用车。但是由于大赛

13、对于底盘改造规则相当严格，所以对所有车队而言也非常公平，那么接下来如何合理调整相应参数使得赛车性能提高，将是所有车队的问题和。3.1 车模重心的调整:在各部分零部件大体完成的时候，我们通过移动车上零部件的位置，对其重心进行了调整，通过大量的对比实验后发现：不论使重心偏左还是偏右，在弯道较多的赛道上都会出现不同程度的滑移和转向不足。因此，重心应当尽量处在相对车模左右对称的中心平面内。另外，通过实验发现：当重心偏后时，虽然增大了后轮与地面间的摩擦，提高了车子的抓地力，使得起步较快。但是，由于前轮上所分配的载荷较轻，使转向轮滑移，造成过弯时间变长。当重心偏后的时候，虽然使得转向更平稳，但后轮的附着力

14、不足，导致动力不足，起步变慢。因此，综上考虑，根据的实际情况调整车体重心，使其处于中心偏后优化其稳定性。3.2 齿轮啮合间隙的调整驱动为主办方提供的RS-380SH-4045 电机，做后轴驱动。电机传动轴和赛车后轴之间采用齿轮啮合传动，传动比为 9：38。另外，光编码器和后轴之间同样采用齿轮啮合。齿轮啮合性能的好坏，直接影响电机的驱动效率。啮合齿轮的轮轴不平行，将直接导致齿轮间啮合平稳性不足，传动效率低，影响速度的提升。啮合齿轮间隙过大，将导致打齿轮，过小则将导致电机驱动阻力增加，两者都不利于提高8第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告的驱动性能。因此，对于啮合的齿轮间，应当适当调整齿轮间隙和齿轮

15、轴间的平行度，使齿轮啮合顺畅，噪声小。3.3 舵机安装方式的调整车模转向机构是采用转向舵机驱动前轮转动。因此要使转向灵敏，迅速，就要想办法提高舵机转动的灵敏度，基于此，我们加大了转向连杆内端与舵机转向中心的距离，在舵机转动角速度相同的情况下，提高了转向连杆内端的线速度，提高了前轮转向的灵敏性。3.4 差速机构的调整差速器的作用是当转弯行驶或者在不平的路面上行驶时，使左右驱动车轮以不同的角速度滚动，以保证两侧驱动车轮与地面间作纯滚动运动。当转弯行驶时，内外两侧车轮中心在同一时间内移过的曲线距离显然不同，外侧车轮移动的距离大于内侧车轮。若两侧车轮都固定在同一刚性转轴上，两轮的角速度相等，则此时外轮

16、必然是动边滑移，内轮必然是动边。竞赛所用的车模是采用滚珠来实现差速功能的，在实验中，我们发现，在滚珠和结合得比较紧的时候，性能可以得到很大的提高，但是，也降低了转弯的率，特别是小半径弯，将出现后轮内侧车轮拖移的现象。在滚珠和结合调松后，转弯性能得到很大的，但是性能也下降的比较明显，因此，要适当得调整差速机构的松紧度，保证车子在直道和过弯的时候都有良好的性能。3.5 主悬架的调整该只能的悬架系统是通过弹簧和两个螺栓的松紧程度来调节的，弹簧可以较小车架和车身的振动，通过两个螺栓的以调节的横向稳定9第三章 机械改装性。在试验中我们发现，主悬架对于减小的振动是很有帮助的。两个螺栓的松紧程度对过完性能影

17、响很大，于我们的实际情况，我们通过实验，认为把该两螺栓适当拧紧有助于转向。3.6 主销倾角的调整:转向轮的参数主要有主销后倾角、主销内倾角，前轮外倾角和前轮前束。3. 6. 1 主销后倾角主销在的纵向平面内，其上部有的一个倾角，即为主销后倾角，一般为 2°到 3°，起使转向车轮动态的作用。但是，考虑到我们所设计的竞速赛车，不需要过分强调主销后倾的作用，所以主销后倾角适当地调小了。3. 6. 2 主销内倾角主销在的横向平面内，其上部向内倾斜的一个角度，即为主销内倾角，一般不大于 8°，起静态的作用。内倾角变大，则转向较为轻便，但是也不能过大，否则会造因为增加了轮胎与

18、地面间的摩擦阻力，使转向沉重，同时，了轮胎的磨损。3. 6. 3 车轮外倾角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，即为车轮外倾角，一般为 1°左右，起防止车轮变形的作用。因为车体本身的重量，赛10第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告车将因承载变形而使车轮内倾，这将轮胎的偏磨损，为了使轮胎磨损均匀，摩擦受力也较均匀，安装轮胎使应使车轮有一定的外倾角，以防止车轮内倾。但是，外倾角也不宜过大，否则会使轮胎产生偏磨损。3. 6. 4 车轮前束车轮有了外倾角之后，就会导致两侧车轮向外滚开。车轮将在地面上出现边滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。为了消除车轮外倾带来的不良后果

19、，在安装车轮时，使两前轮的中心面不平行，两轮前边缘距离 B 小于后边缘距离 A，A-B之差称为前轮前束，这样可使车轮在每一瞬时滚动方向接近于向着正前方，从而在很大程度上减轻和消除了由于车轮外倾而产生的不良后果。3. 6. 5 后轮的外倾角将后轮外倾角设置为负值可以增加车轮接地点的跨度，增加汽车的横向稳定性。11第四章 电路设计本队的智能系统电路部分主要由道路识别模块，舵机模块，速度检测模块，器模块，电机模块和电能分配模块。由道路识别模块和速度检测模块得到所需的道路信息和车速信息，通过 MCU 中算法的处理，在内置策略下信号给舵机转角和电机模块进行变速，完成循线、高速、稳定和自动驾驶的任务。所有

20、模块的供电配置均由电能分配模块供给，保证系统各模块供电正常。功能分配如下图所示：图 4.1道路识别模块的技术方案已经在前文中有过叙述，使用的是大前瞻随动方式。由于传感器使用的是光电开关成品，在电路上不需要额外器件，只要能够保证 12V的供电便可。随动方面使用的舵机仍然是三线制模拟舵机，电路设计中保留接口便可。而速度检测模块使用的是编码器成品，电路设计中也只要保留接口就可以了，舵机模块也是如此。而电机驱动模块的设计参考上两届的 MC33886 做 H 桥控12第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告制电机 MC33887 带电流反馈的就不再赘述了，主要还是来驱动电机。所以以上几个模块在本次报告中器和电

21、能分配两个模块。4.1器模块上两届比赛的器都是由大赛指定的 MC9S12DG128，该 16 位属于飞思公司的早期，但是性能出色，对于本次比赛光电组来说其实也是绰绰有余，但本着创新，追求卓越的想法，本队选择使用 8 位来完成此次设计任务。虽然以 QE128 的卓越性能，一片已经完全足够，但作为探索和尝试，本队还是最大化地利用规则使用了两片进行。4. 1. 1 MC9S08QE128 功能概述MC9S08QE128 是飞思半导体 2007 年新推出的 8 位 32 位兼容 Flexis 系列的 8 位列，此系列包括可相互替换的 8 位S08 和 32 位ColdFire® V1 微器系

22、，采用相同的设备和开发工具，从而可以提供最大的移植灵活性。QE系列由一对器件组成，它们管脚兼容，一个是 8 位，另一个是 32 位，由于大赛规则所以此处选用的是其宠 8 位的MC9S08QE128。S08QE128 器件拓展了 8 位微处理器的性能，达到 128KB 的闪存和 24 通道的12 位模数转换器(ADC)。S08QE128 还有高达 3。6V 的电源电压、50 MHz 的CPU内核和三个定时器，可电机性能，非常适用于健康监测仪器及其它电子产品，如数码相机和摄像头等。8 位的S08QE128 在管脚设备和工具等各方面都与 32 位的 MCF51QE128互相兼容，这为它们的各方面性能

23、都提供了前所未有的设计自由度。其内部结构框图如下13第四章电路设计图 4.2为了保证研发过程能的扩展，选用了 80 脚封装两片，如引脚布局图如下：图 4.314第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告4. 1. 2 双功能分配，所以 Chip1 负责所有的信号由于系统使处理功能，功能类似DSP，将分析结果传到另一片还负责电机和舵机的闭环Chip2，由其进行舵机和舵机的，此外 Chip2精度可以得，由于不受主采样影响，其到一定的提高。其功能分配情况如下：左侧器Chip1 充当DSP，用来对道路识别传感器和速度度传感器做采样，信号的分析处理，然后将处理结果通过片间串口通讯的方式传Chip2 中，由它做车

24、体各执行器的到右侧任务，电机的，转向的程度等等。另外为了保证系统的可扩展性，设计中也参照了开发板的设计思路，在保证基本功能可用的前提下引出了大部分功能复用的 IO 口提高了硬件系统扩展性，这在后续的工作中被证明是非常有必要的。图 4.415第四章 电路设计4. 1. 3 最小系统电路设计为使正常工作的最小电路称作最小系统，由于两块最小系统一样，所以只对其中一个加以说明。MC9S08QE128 的最小系统由四部分组成，分别为块，外部复位电路和外部晶振电路。外部晶振使用 10M datasheet 上的推荐电路。原理图如下：去藕电路，背景调试模无源晶振，其他部分参照图 4.5去耦电容部分使用了一个

25、 10 微法和三个 0。1 微法陶瓷电容分别接在 QE12816第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告的两对电源引脚和一对 AD 模块供电引脚上，其作用有面：一是作集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行的通路；三是防止电源携带的噪声对电路干扰。所以在制版时，这些电容应该尽可能靠近，电流也应该先经过电容再输入中去。提供基本的时钟信号，在 QE128 中与其内部 FLL 锁频环晶振的作用是电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。在此处外部无源晶振中选用了10MHz 的频率是因为 QE128 的总线频率最高为 30M，需要通过外部晶振分频32.768K 到 39.578

26、K 的范围内在进行倍频得到，选用 10M 可以使系统内部总线频率达到最大的 30MHz。BDM 模块是飞思大部分都有的一种被称为背景调试的程序和调试的接口。它是一种单线调试模式，通过一个引脚与编程器进行通信。该模块的借口形势和各针脚内容在所有中都有详细说明而且为了和开发器件配套，所有 BDM 接口都必须按照其标准连接，除非使用主要有三个功能：的开发工具进行调试。该模块1) 对内部读出。器的读写。将用户程序到目标中或是将器中的数据2) 对单片机工作进行配置。部分涉及到单片机工作配置的寄存器只能在特殊模式下由编程器BDM 命令来修改。3) 程序调试。利用 BDM 模块可以读写内存和 CPU 内部寄

27、存器，调试程序。4.2 电能分配模块国产镍镐可充电电池作为唯一的动力源，为上的器，执行器，传感器提供稳定、可靠的工作电压。在本次的大赛中所使用的是 6 节相同型号的 1.2V镍镐电池串联起来从而得到 7.2V 的电压。电池的标称容量为 2000mAh，也就是说，该电池可以在 2A 的供电电流下持续供电 1 小时。17第四章 电路设计4. 2. 1 各模块用电情况分析为了对系统进行电能分配，首先要了解各模块的用电情况，在对各模块的用电情况和工作情况进行分析之后才能够对于设计出比较合理的电能分配方案，各模块的用电情况如下：表 4.1可见板上电压需要 3.3V；5V 和 12V，选用开关电源 LM2

28、596-5.0 输出 5V，再接LM1117-3.3 输出 3.3V，使用 MC34063 将电池电压直接升压，通过选取合适的外围电路输出 12V。系统电能分配方案如下：图 4.618第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告通过对功耗分析可以发现，电机驱动模块，舵机模块和道路识别模块的功耗较大，不宜接在稳压电路之后，会出现负载太大干扰其他用电器的情况发生，所以应该将这两部分直接由电池供电，既满足供电电压能保证驱动力同时也干扰到其他用电器。4.2.2LM2596-5.0 开关稳压电路LM2596-5.0 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调

29、节特性。固定输本有 3。3V、5V、12V，可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需 4 个外接元件， 可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596 的使用，极大地简化了开关电源外围电路简单，仅需 4 个外接元件， 且使用容易本次设计中使用推荐电路如下：的标准电感图 4.719第四章 电路设计4.2.3LM1117 三端稳压电路LM1117 是一个低压差电压调节器系列。其压差在 1.2V 输出，负载电流为800mA 时为 1.2V。它与半导体的工业标准器件

30、LM317 有相同的管脚排列。LM1117 有可调电压的版本，通过 2 个外部电阻可实现 1.2513.8V 输出电压范围。另外还有 5 个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V 和 5V）的型号。LM1117 提供电流限制和热保护。电路包含 1 个调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。LM1117 系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和 TO-252 D-PAK 封装。输出端需要一个至少 10uF 的钽电容来定性。本次设计中使用推荐电路如下：瞬态响应和稳图 4.84.2.4MC34063DC-DC 升压电路MC34063 是一单片

31、双极型线性集成电路包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期于直流-直流变换器部分片内振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出 1.5A 的开关电流。它能使用最少的外接元件压式变换器和电源反向器。开关式升压变换器降20第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告由于内置有大电流的电源开关，MC34063 能够的开关电流达到 1.5A。 内部线路包含有参考电压源振荡器转换器逻辑线路和开关晶体管。参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率由 3 脚的外接定时电容决定。开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑线路置成ON，并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成 OFF。其内部框图如下：图 4.9振荡

32、器通过恒流源对外接在 CT 管脚(3 脚)上的定时电容不断地充电和放电，以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的，所以振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的 C 输入端在振荡器对外充电时为高电平，D 输入端在比较器的输入电平低于阈值电为高电平。当 C 和 D 输入端都变成高电，触发器被置为高电平，输出开关管导通，反之当振荡器在放电期间，C 输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。21第四章 电路设计电流限制SI 检测端(5 脚)通过检测连接在 V+和5 脚之间电阻上的压降来完能。当检测到电阻上的电压降接近超过 300mV 时，电流限制电路开始工作。这时通过 CT 管脚(3

33、 脚)对定时电容进行快速充电，以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果是使得输出开关管的关闭时间延长。在本次设计中使用其推荐电路如下：图 4.10输出电压满足公式 Vout 1.25V（R1R2），所以只要通过改变 R2 的阻值就可以升压到 12 伏给大前瞻传感器供电。R1 和22第五章算法5.1 传感器主动跟随算法本次设计的前瞻功能使用 6 个红外光电开关一字形排开， 安装于前伸的随动舵机上， 在赛道上形成有一定间距的 6 个光斑， 光斑位于白色底板上， 传感器光电开关返回高电平， 光斑位于黑线上， 光电开关则返回低电平， 如下图所示:图 5.1依次编号为: F0， F1， N0， N1，

34、 F2， F3。6 个传感器从传感器主动跟随算法的目标是将黑线始终锁定在传感器 N0 或 N1 的光斑下。上图反映的是黑线在传感器前方偏右的状况， 说明此时应该使传感器向右转动，才能保证 N0 或 N1 跟随到黑线。 将 N0 和 N1 靠在一起是为了分辨出黑线离开时的方向(右)。 假设黑线从右向左(相对)掠过光斑， 则 N1 先辨识到黑线， 接着 N0 也辨识到黑线， 在相对运动过程中可能出现 N0 和 N1 都同时辨识到黑线的情况。 黑线离开时， 最后一次辨识到黑线的是 N0 传感器。 此时随动舵机向左转向， 即可保证 N0 和N1 锁定黑线。 实际上只使用传感器 N0 和 N1 就可以控

35、制跑完全程了， 但为了提高车辆在高速运行过程中主动跟随的效率和准确度，增加了传感器"F0 - F3"， 若 F0 或 F1 辨识到黑线， 应该使随动舵机以更快的速度23第五章算法向左转动， 保证主动跟随的快速性。 F2 和F3 不再赘述。使用这 6 个红外开关传感器， 可以将前方道路分为 11 种状态， 量名为tstatus， 如下方定义:当前状态变图 5.2#define TRACK_BEYONDLEFT(-5)#define TRACK_REMOTELEFT(-4)#define TRACK_FARLEFT #define TRACK_NEARLEFT #define

36、TRACK_CLOSELEFT #define TRACK_MIDDLE #define TRACK_CLOSERIGHT #define TRACK_NEARRIGHT#define TRACK_FARRIGHT(-3)(-2)(-1)(0)(1)(2)(3)#define TRACK_REMOTERIGHT (4)#define TRACK_BEYONDRIGHT (5)若黑线处于光斑 F0 和 F1 之间， 则状态为(3)TRACK_FARLEFT ，(6)TRACK_MIDDLE 表示传感器 N0 和N1 都辨识到黑线。状态状态(1)和(11)是最的情况， 说明此时黑线已经严重偏离传感

37、器中心， 此时应该随动舵机以最大速度转向。 然而随动舵机的转角有范围限制， 不可能24第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告左转或右转， 本次设计中给定随动舵机左右转角为正负 45 度。根据以上状态的划分，主动跟随算法的流程如下:图 5.3通过上述分析， 算法能保证随动舵机准确而迅速地锁定黑线。为以后的转向和速度算法提供保障。5.2 转向算法转向算法是智能车的， 良好的转向算法应该能使转向快速， 准确而灵敏。 本次设计使用 PID智能车的转向。PID 解决了自动理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节 PID 的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带负载能力和能力，同时

38、，在 PID 调节器中引入项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。 在 PID 控25第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告制中，比例项用于纠正偏差，项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。PID系数。如何选用这 3 个系数 是 PID器的性能就决定于 Kp、Ki 和 Kd 这 3 个。 PID 调节器中有比例微分的（PD） 、比例（PI）和比例微分（PID）三种类型。由 PD 调节器的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由 PI 调节器的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速

39、性的限制来换取系统稳定的；用 PID 调节器实现的滞后-超前校正则兼有二者的有点，可以全面提高系统的性能，但具体实现与调试要复杂一点。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用 PD 或 PID 调节器。PID框图如下:图 5.4在实际中采用下式作为舵机 PD 调节的表达式:stl_value = HELM_MIDDLE + stl + (stl - stlold) * kd;其中， stl_value 直接作为舵机给定的 PWM 波 duty 值输出， HELM_MIDDLE即为舵机中位的 PWM du

40、ty 值， stl 是赛道偏离情况相对应的给定值*kp， stlold 是上一次转向的给定值， 两者差分后与 kd 系数相乘， 则为当前给定的 D 值26第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告5.3 电机速度在智能车的算法策略中，目标是在满足一定巡线精度的前提下，尽可能提高车速。保证智能车直道速度的同时， 能在入弯时迅速至给定的速度以平稳过弯。 很容易联想到，bang-bang能够满足这样的要求。（Time Optimal Control）问题。简单地说，最速问题，或者叫时间最优就是给定最大马力和最大刹车功率，开车从 A 点开到 B 点的方法，不考虑弯道、等因素时，能够想象得到的最快的方法，就是加

41、足马力、全速前进，然后在到达终点时，全力刹车。 “bang-bang” （Bang-Bang Control）这一名称也由此得来： “砰”的一声，油门板一脚到底； “砰”的一声，刹车到底，任务完成。最速在理论上是一个很有趣的问题，解法通俗、简洁，但在实际应用中单独应用 bang-bang的情况却不多见。因为在被控对象达到预期输出时，由于bang-bang器的作用，将造成较大的超调。因此，在实际应用中一般采用如下方法：启动时，匀速上升到最大，以缓和的冲击力；到达终点附近时，改用 PID智能车速度，作闭环微调，克服“bang-bang”的系统模型误差十分敏感的缺点。 在策略中，如采用 bang-b

42、ang器，可以有两种应用方法：(1) 进PWM 占空比，使加到驱动电机两端的平均电压为后，直接最大值，使电机迅速，相当于电机全压启动；速度超过直线段预设的速度限定值后，PWM 占空比调为 0，相当于电停车；速度一旦小于给定值，则立即将 PWM 占空比调到最大。进入弯道时，立即调整 PWM 输出，使加到电动机两端的电压为负的最大值，使电机迅速制动，相当于反接制动状态；随后，根据弯道曲率情况，改变速度给定值，同样采用上述方式，使在弯道内的速度始终接近给定值。(2) 进后，使 PWM 占空比线性上升至最大，即逐渐增大驱动电机两端27第五章算法的平均电压，相当于电机降压启动；当速度即将达到给定值时，启

43、用 PID 闭环控制，对速度进行微调。过弯时，也采用线性减小 PWM 占空比的方式，将达。到给定值时，启用 PID 闭环比较上述两种方法，可以发现，方法(1)的加性能好，但是对电机的冲击大，在启动和进弯道前的一段时间内，甚至相当于电源短接，对电池电量的消耗也较大。方法(2)的加时间为代价的。过程较缓和，对电机和电源的冲击均较小，但却是以延长过渡过程由于智能比赛的特殊性，只要求在赛道上完成两圈巡线，对电池耐用性的要求并不高，而对速度的要求更高。因此，希望过渡过程时间尽可能短，而不必考虑由此对电机和电池带来的冲击。综上所述，在对智能车速度进行最速时，直接采用方法(1)，以加快智能车的响应速度。在智

44、能车驱动电机的中，由于对电机响应速度的要求较高，对减小电流消耗等问题的并不十分注重，即希望电机尽可能快的而不用对电机进行将电压启动，因此，当预期速度与实际速度相差较大时，可以设置 PWM2 的占空比为 100%、PWM3 的占空比为 0%，相当于全电压启动，使在出弯道后能够迅速。本次设计采用 bang-bang方法通过 MC33887 H 桥驱动驱动电机， 此方法需要调节的参数只有两种: (1) 恒定驱动电压占空比 (2)速度给定值。直道以及各种弯道的(1) 恒定驱动电压占空比给定的速度值比当前速度值大很多， 说明需要很大的度， 比如从弯道进的过程， 此时可设定占空比为 100%， 全力。给定

45、的速度值比当前速度值小很多， 说明需要很大的度， 比如从直道进入弯道的过程， 为了保证制动力， 采取反接制动， 但若反向电压占空比设定得太大， 则对电源的消耗会过大， 因此将反向占空比设定为-25%。28第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告给定的速度值比当前速度值大得不多，则不必将设定得过大，此时可将正向占空比设定为 80%。具体算法实现的代码片段如下:/ dspd - 给定速度/ speed - 当前速度spddif = dspd - speed;if (spddif > 4)Set_Speed(188，else if (spddif > 0) Set_Speed(150，else

46、 if (spddif > -4)0);/ 100% 占空比0); / 80% 占空比Set_Speed(0， 0); else Set_Speed(0， -47);其中， Set_Speed 函数的第一个参数是正向占空比值，占空比值。第二个参数是反向(2) 速度给定值由于本次使用的红外光电开关具有良好的前瞻性， 因此给定的速度值完全决定于当前赛道的状态变量 tstatus。switch (tstatus)29第五章算法case TRACK_BEYONDLEFT:dspd = dspeed0;break;case TRACK_REMOTELEFT:/ F0dspd = dspeed1;b

47、reak;case TRACK_FARLEFT:/ F1dspd = dspeed2;break;case TRACK_NEARLEFT:dspd = dspeed3;break;case TRACK_MIDDLE:/ N0 N1dspd = dspeed4;break;case TRACK_NEARRIGHT:dspd = dspeed3;break;case TRACK_FARRIGHT:/ F2dspd = dspeed2;break;case TRACK_REMOTERIGHT:/ F3dspd = dspeed1;30第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告break;case TRACK

48、_BEYONDRIGHT:dspd = dspeed0;break;数组dspeed即为在各个状态下给定的速度值。31第六章 调试工具为了提高调试的效率，加快算法编制的进程，杜绝 bug 的，编制了基于 PC机的调试软件，它的功能如下：(1)通过无线模块或串口，实时义变量等等。智能车的状态如采样，黑线识别和自定(2)将智能车所有的算法在 PC 机上实现并调试完毕，最终实现完全的代码移植。(3)使用物理引擎构建图形场景，使智能车在场景中运行，对智能车上的各个算法进行离线测试。由于场景中的赛道可随意定制，许多识别和算法可以在真实赛道未搭建时得到全面的测试。此调试系统在我校智能车大赛的调试中发挥了重

49、要作用，并将作为智能车的调试的平台并不断继承和发展。下图是调试系统的界面：图 6.132第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告6.1调试平台调试的功能是通过串口或无线模块，将智能车发回的数据以图像直观算法显示，并提供算法调试的接口，它支持如下功能：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)实时智能车采样并回放并分析支持CMOS 传感器和红外光电传感器显示各个象素深度翻转图象以测试算法调节对比度以文本方式保存数据，给其他软件如提供接口调用DLL 进行算法调试，图形方式绘制调试结果给出关于算法性能的评价算法调试的界面如下：33第六章调试工具图 6.26.2 无线无线接口界面的功能如下图：(

50、1) 实时显示智能车运行时传回的黑线信号，舵机转角和自定义变量等。根据传回的数据监测智能车的状态，发现潜在的问题。(2) 可以回放的。(3) 曲线数据可以文本格式导出。34第三届大学生智能汽车邀请赛技术报告图 6.3本次设计使用的无线模块是蓝牙 BlueRS+I/G2，如下图:图 6.435第六章 调试工具此无线模块最大的空中波特率为 38400bps，一帧 CMOS素，每个像素一个字节，即 2745 字节。所以，若要在PC，一帧需要耗费 2745/(38400/8) = 0。572 秒。而有 45 * 61 = 2745 个像运行时信号到频率为 40ms，对应的黑线转向的这将导致响应缓慢而冲

51、出赛道。若传送黑线信号至PC，一帧有 45 字节，加上数据包头尾和其他变量等，设每次传送的数据为 60 字节，一帧只需耗费 60/(38400/8) = 12。5ms。因此，合理的。运行时传送已处理好的黑线信号是比较此外，此界面还能与智能车系统进行交互，即智能车器中的代码只负责视频，黑线识别和硬件驱动，上层的算法全部移交给 Visual C+ 6。0 的动态库完成，运算后的结果直接作为的舵机转向和电机驱动值输出给智能车系统。这样的做法好处是修改参数，修改代码的结构变得十分容易，而不必每次都将智能车从赛道上拿起，放到电脑旁烧写。其功能如下图，反复修改算法库，即可实现无线调试。下图左侧是无线的界面，右侧是其通信原理。图 6.56.3 三维图 6.6调试模块的实现由于智能车比赛的场地变化多样，为了提高的适应性，有必要将赛道各种可能的情况都列举出来以测试智能车的算法。由于场地等种种，不可能搭建太36第三届大学生智能汽车