矿业学院光电二队

本人完全了解第十届“飞思”杯大学生智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究的规定，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、图像资料，并将相关内容编纂收录在集中。日目 第一章引 概 系统总体方案的选 系统总体方案的设 小 第二章智能汽车机械结构调整与优 智能汽车车体机械建 智能汽车传感器的安 线形CCD的安 车模倾角传感 重心高度调 电路板的安 电池安 其他机械结构的调 小 第三 智能汽车硬件部 硬件系统设计总 可靠 高效 简洁 单片机最小系 电源管理模 电机驱动模 线性CCD模 速度检测模 陀螺仪和加速度传感 发车模 PCB电路 第四章智能汽车控制软件设 线性CCD传感器路径精确识别技 新型传感器路径识别状态分 线性CCD传感器路径识别算 弯道的处 弯道策略分 对速度的闭环控 小 第五章开发工具、制作、安装、调试过 开发工 调试过 第六章智能汽车技术参 第七 总 参考文 附 第一章“飞思”杯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分主办的科技竞赛。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探[1]识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的和潜，倡导理联系实际求真务的学风和团协作的人精神。比赛按照车模识别路线方案分成头组、光电组和电磁组。通过道路图像信息进行路径检测的车模属于头组；通过道路少数离散点反射亮度进行路径检测的车模属于光电组；通过感应由道路中心电线产生的交变磁场进行路径检测的车模属于电磁组[2]。其中头组和光电组是历届常规项目电磁组是第五届新设立的比赛项目。赛，8月份进行总决赛。中国矿业大学学院于2009年第一次参加智能车竞赛，共有两支队伍参加，获得分赛区三等奖一项；2010参赛队伍参加，获得分赛区三等奖四项；2011二等奖四项、三等奖两项。2015智能车竞赛得到了学院和电工电子实验中心的大力支持。学院大学生汽车竞赛选拔人才。经过7年参赛实践，逐渐形成了发现、专业培训、能 本届智能汽车大赛光电组比赛对传感器有着严格的规定，使用激光传感器，改为统一线性CCD或LED光学传感器，这对我队是一个全新的。LED灯虽然有信号稳定的特点，但是由于前瞻太小，不适合平衡组的汽车来循迹。相比之下，CCD与传统的光电传感器相比有着信息量大，质量轻，电路简单的特点，但是由于需要镜头成像，所以会带来成像失真，静电干扰严重等问题。由于平衡车的特殊性，车身在循迹前进的过程中，必须保持车身的平衡。根据最基本保持车身平衡的基本原理，我们需要知道车身当前的角度和角速度。因此在保持车身平衡方面，我们确定以加速度计作为角度传感器，陀螺仪作为角速度传感器。另外，车身转向控制方面，也使用陀螺仪作为转向反馈。遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞思的32位微控制器MKL26Z64VLH4单片机作为控制单元用于智能汽车系统的控制。线性CCD赛道明暗信息，返回到单片机作为转向控制的依据。加速度计返回的模拟信号作为车身当前角度的信号，陀螺仪车身转动的角速度。主控输出波控制电机的转速以保持车身的平衡和锁定赛道。同四轮车不同，平衡组需要使用左右轮的差速来转弯。为了控制的准确性和快速性，我们使用编作为速度传感器。编返回的信号可以形成闭环，使用PID控制电机的转速。平衡组加会导致车身的倾角剧烈的变化，这并不利于车身保持平衡。因此整个调试过程就是要保证车身稳定的前提下不断提高车模前进的平均速度。根据以上系统方案设计，共包括六大模块：MKL26Z64VLH4主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下：MKL26Z64VLH4主控模块，作为整个智能汽车的“大脑”，将CCD传感器、陀螺仪，加速度计和光电编等传感器的信号，根据控制算法做第一章出控制决策，驱动两个直流电机完成对智能汽车的控制；前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间，同时使用陀螺仪和加速度计计算车模行进过程中的实时角速度和加速度信息，用以保持车模稳定行进；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汽车的加控制和转向控制；速度检测模块，检测反馈智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制；辅助调试模块，主要用于智能汽车系统的功能调试、状态本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计和总体结构，简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统的各个模块进行详细介绍。智能汽车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识，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优化和提高结构的稳定性。本章将主要介绍智能汽模型车型车的机械结构和调整方案。此次竞赛选用的是东莞市博思电子数码科技生产的智能车竞赛模型车(E型模型车)，智能车的控制采用的是双后轮驱动方案。智能车的外形大致如下：

图2.1E车模中的传感器包括有：速度传感器，车模姿态传感器（陀螺仪、加速度计）以及线形CCD。下面分别介绍这些传感器的安装。速度编我们采用了编，安装方法如下：用十字扳手套筒将车的后轮拆卸后，安装编，固定编的固定件是根据车得尺寸及与编的相对位置手工制作的连接固定件。固定件的尺寸如图2.2所示。图2.2编固定件在安装完后轮后，在利用十字扳手套筒将后轮装上。安装时应注意调整好齿轮间隙。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。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，后轮齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。如图所示。图2.3齿轮固定示意图自行设计了轻巧的铝合金夹持组件并采用了碳纤维管作为安装CCD的主CCDCCD2.4CCD重心的高度是影响智能车稳定性的因一。当重心高度偏高时，智能车为了减轻小车的负担，保证系统能够稳定的运行，我们采用了山外的图 最小系统板原理转换得到，该电源电路简单，性能稳定。5V电源给编、驱动缓④一些数字器件使用直流3.3V，3.3V电源选用高效线性稳压图3.2电池电源滤波模块原理图图3.3施加一个（脉宽调制），其通-断比率对应于所需速度。电机起到一个低通滤波器作用，将信号转换为有效直流电平。驱动信号很常用，因为使用微处理器的控制器很容易产生信号。虽然用精确的脉冲宽度可以调节电机的速度，实际应用中的频率却是可变的，应对其进行优化，以防止EMIICBTS7970H我们采用BTS7970图3.4TS1401CC128流，这是由有源积分电路，与该象素相关的集成。在积分周期期间，采样电容器连接到积分器的输出通过一个模拟切换。在每个像素中累积的电荷量是和光128SI=1SIHoldSI128SI脉冲主通过位存，在样电器的荷顺序连到个V，AOTSL1401CCD量取决于CCD模块所采用的镜头光圈大小和程序所控制的时间。由于镜头光圈大小难以调节，所以设置CCD程序所控制的时间是使得CCD能正智能车的速度达到一定值时就需要对速度部分进行相应的检测构成更加精确地闭环控制系统，使智能车的运行更加稳定。为了使用闭环控制，我们在汽车模型上附加了编。和其它元件相比，选用编可以使电路更加完善，信号更加精确。编功耗低，重量轻，抗冲击抗，精度高，长，非用我心选最用了carMINI编，其输出脉稳定256要1K根据经验，我们直接选用了蓝宙的2轴陀螺仪+3轴模拟加速度传感器MMA7361图3.5陀螺仪模块实物图图3.6今年规则新增加有发车，停车检测，我们学校用的是红外接收模块。其优点是可以稳定、可靠的脉冲信号。其原理图如下图：图 发车、停车红外接收模块原理如下图：图 主板PCB线路图 电机驱动PCB线路4.1CCDLEDLEDCCD由于今年的赛道信息增加了小S虚线规则以及黑色路障规则，并且对光源传感器做出了要求，在使用CCD进行赛道识别，传统的传感器搜索跳变沿算法可取之处不是很大，不过不缺乏借鉴之处。4.2CCD对于我们的模型车，CCD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、小S虚线处、路障处。由于传感器的改变以及规则我们的小车仅采用一路CCD对赛道信息进行识别，一个CCD包含128个像素点，但这128个点并不是所有的点都能够被准确获取灰度值，我们选择采用左右各48个像素点来对赛道信息进行。这些像素点中每个点的灰度值理论上都有0到255这28种状态（实际上我们只能取到不到50的返回值，我们分别把左右各48个像素点记为left16~63和right64~111。在直道时，两侧都会检测到赛道边沿，且大体处于中间位置，左右较对称；在小弯道时，两侧都会检测到赛道边沿，但会有小幅地左右摆动；在其它弯道时，会出现左右侧跳变沿出赛道的状况，这时主要依靠一侧CCD进行巡线；在十字的时候，回旋全白的时候，在传感器稳定的前提下，能出现全白的也只会在十字的时候出现，当然小S虚线位置也不排除会有全白的情况发生，虽说黑白线时左右对称的，但是黑白条的长度固定十公分，内侧长度远不及外侧长度，无可避免的会多次出现单侧全白的情况；终点线依靠CCD返回值具有驼峰形状的赛道信息返回值来测得。路径识别算法是我们使用的是由CCD中心向两侧搜索提取跳变沿的算法，通过提取到的两侧跳变沿相加除二来得到小车转向需要的转向值。具体算法介绍如下：for(i=0;i<=5;i++){box[i]=min;}{if(box[i-2]==max&&box[i-1]==max&&box[i]==min box[i+1]==max&&box[i+2]==max) &&box[i-1]==min &&box[i]==max box[i+1]==min&&box[i+2]==min)}{{zd++;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，向心力将全部由地面的摩擦力提供，因此赛道表面的附着系数将对的运行状态有很大影响。切外道，路径会略长，但是有的调整机会，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。图 PID控制工作原在成熟性和可操作性上都有着很大的优势。所以最后我们选择了PID的控制方PIDTi，TiTi两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。两种调节规律相结合，组成PDPID控制器。本章详细介绍了智能汽车的控制软件的设计和思路。传感器部分重点介绍了CCD传感器的原理和算法。在控制策略上主要介绍了PID控制理论和对弯道信息的处理。 程序的开发是在提供的IAR下进行的，包括源程序的编写、编译和，并最终生成可执行文件。IARSystems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。通过提供的IAR编译软件的调试功能，可以得到大量的信息，为智能汽车的调试提供了很大的帮助。在智能汽车的调试过程中，有针对性的开发一个便于人机交互的上位机系统，通过简单明了的可视化界面直观的显示智能汽车的状态对调试有很大帮助。我们开发了用于监测智能汽车实时状态的实时监测系统，大大提高了调试效率。第六章智能汽车技术参数车模几何尺寸（长/宽/高）（mm）车模重量（带电池）（g）车模轴距车模平均电流（匀速）（mA）陀螺仪、加速度计2伺服电机（个0赛道信息检测精度赛道信息检测频率（次/秒处理器种类及个数 1 第七章速度环节上，我们遇到过一会加速一会的现象，过程中无论怎么调节PD对于光电组，你想跑的好，CCD就得看得宽，看得清，看得准，前提需要[1],,.学做智能车—飞思杯[M].:航空航天大学社,2012[5].汽车理论