太原理工大学信标队技术报告

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：太原理工大学队伍名称：太原理工大学信标队队员：张天鸣 梁冉 任杰带队教师：萧英喆 韩晓明 太原理工大学信标对抗队技术报告目录智能汽车竞赛技术报告1摘要1引言3一、“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛介绍3二、第十四届智能车大赛信标对抗组规则介绍：3三、章节安排5第一章 智能车系统总体设计方案61.1 智能车机械结构整体设计方案61.2 智能车硬件电路整体设计方案71.3 智能车软件整体设计方案81.4 智能车主要技术参数8第二章 机械结构部份的设计及调整102.1 机械结构部分设计102.2 车模机械结构的调整与改装132.3 摄像头的

2、选型和架设152.4 摄像头信息参数172.5 光电编码器的选择和安装172.6 磁标的选择和安装19第三章 硬件电路的设计203.1 电路的整体框架203.2 电源模块设计233.3 驱动电路设计253.4 其他硬件电路261 太原理工大学信标对抗队技术报告第四章 总体理论分析及控制器软件算法实现274.1 系统控制总体设计274.2 路径识别部分274.3 速度控制部分294.4 转向控制29第五章 系统的开发环境与车模调试335.1 IAR 的使用335.2 车模的调试手段33第六章 总结366.1 总结366.2 结束语36致谢38参考文献392 太原理工大学信标对抗队技术报告摘 要

3、本设计以第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景，以大赛组委会指定的车模为平台，制作一辆以恩智浦半导体公司的 Kinetis 系列 32 位微控制器 MK60DN512VLL10 为控制核心的智能车控制系统。 我们以 IAR 为开发环境，利用数字摄像头实现对场地的信息的采集，并对采集的数据进行处理，并产生 PWM 脉冲信号控制驱动电机的速度，使其在信标的导引下做定向运动，并以尽可能快的速度行驶，在最短的时间内完成比 赛。 【关键词】 MK60DN512VLL10，智能车，摄像头，恩智浦，信标对抗 1 太原理工大学信标对抗队技术报告AbstractThis design by the 1

4、4th NXP cup national university studenrs intelligent car race as the background, with competition organizing committee designated models as the background, takes the car model designated by the competition organizing committee as the platform, and makes an intelligent car control system with the MK6

5、0DN512VLL10 of NXP semiconductor companys Kinetis series 32-bitmicrocontroller as the control core.We take IAR as the development environment, use digital camera to realize the information acquisition of the site, and process the collected data, and generate PWM pulse signal to control the speed of

6、the drive motor, make it do directional movement under the guidance of beacon, and drive as fast as possible to complete the race in theshortest time.KeywordsBeaconcar： MK60DN512VLL10 ， smart， camera， NXP ， compete. 2 太原理工大学信标对抗队技术报告 引 言 一、“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛介绍本文以第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景，该比赛受教 育部高等教育司

7、委托，由教育部高等自动化专业教学指导分委员会（以下简称 自动化分教指委）主办全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛以智能汽车为研究对 象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是 教育部倡导的大学生科技竞赛之一，为加强大学生实践、创新能力和团队精神 的培养，促进高等教育教学改革。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，为 优秀人才的脱颖而出创造条件。 该竞赛由竞赛秘书处为各

8、参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术平 台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学 生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的 全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔 的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算 机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观， 坚持公开、公平、公正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。 该竞赛以恩智浦半导体公司为协办方，得到了教育部相关领导、恩智浦公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国 30 个省市自治区近 30

9、0 所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008 年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一（教高函200730 号 文）。 二、第十四届智能车大赛信标对抗组规则介绍：1、车模 使用 H 型车模参加比赛。2、传感器 3 太原理工大学信标对抗队技术报告 允许光电管、摄像头以及超声传感器完成信标的检测定位。 3、比赛赛道 对抗组的比赛场地设置在平整的地面上，并铺设有单一颜色的广告布或者地毯。场地四周铺设 5cm 宽度的黄色胶带。比赛区域约为 5 米7 米。车模发车区域位于比赛场地一角，由 2.5 厘米黑色胶带标记区域。发车区域长 宽都是 50cm。 比赛区域内随机

10、安放由 5 至 10 个左右的信标，它们统一由比赛计时系统控制，如下图所示。 图 1 信标对抗组场地示意图 4、比赛任务 比赛包括排位预赛和对抗决赛两个阶段。 第一阶段是排位预赛。 选手制作的车模开始位于发车区域内，此时所有的信标都是熄灭状态。开始比赛后，比赛系统自动会启动第一个信标，比赛开始计时。此时选手的车模能够识别确定信标的方位并做定向运动。当车模上安放的磁标进入信标附近的感应线圈后，比赛系统会自动切换点亮到下一个信标，车模随机前往第二个点亮的信标。此过程将会进行 10 次左右。最终比赛时间是从当一个信标点亮， 到最后一次信标熄灭为止。 第二阶段是对抗决赛。 4 太原理工大学信标对抗队技

11、术报告 在对抗决赛中，则按照预赛成绩进行配对分组对抗比赛。两个车队的车模 同时在场内，按照熄灭信标的多少决出胜负。 相对于其它赛题组，信标对抗组在完成任务时有它自己的优势和劣势。该组别的优势在于场地内的信标会发出强烈的红色和红外光线，所以车模只需要借助于红外滤光片便可以滤除掉大部分可见光的干扰，便于准确检测到信标的位置。建议采用鱼眼镜头或者全向反射镜来扩大检测范围。 信标组的劣势在于它不像其它组别都是进行局部赛道检测，而是进行全局信息检测，相对检测信息量大，检测精度低。并且在车模运行过程中，还需要对于运行轨迹进行优化，并检测其它信标避免碰撞。 三、章节安排技术报告的章节框架安排如下：引言，大赛

12、介绍和规则介绍。 第 1 章，智能车系统总体设计方案，整体的各个模块的规划。第 2 章，介绍智能车机械调整，主要介绍对小车的机械结构的改装及一些模块的安装方法。 第 3 章，介绍智能车硬件系统设计，主要介绍智能车硬件系统的设计思想， 设计过程和设计结果。 第 4 章，智能车软件系统设计，主要介绍智能车软件系统的理论分析、控制器设计过程和调试。 第 5 章，系统的开发环境与辅助设计软件介绍，主要介绍了 IAR 作为系统的开发环境的使用，还介绍了其它在系统设计过程用到过的计算机辅助设计软件。 第 6 章，结论与展望，总结了在本大赛当中所取得的成绩与不足之处 5 太原理工大学信标对抗队技术报告第一章

13、 智能车系统总体设计方案 智能车作为一个整体系统，主要包括机械设计、硬件电路、软件算法三个主要部分，三部分相互联系，相互影响，只有三个方面齐头并进，全面发展才能调出一辆好车。 对这三个部分统筹设计是贯穿始终的原则，机械部分设计将决定智能车能力的最终极限，硬件电路将为智能车提供实现机械潜能所必需的能源、检测手段及控制能力，软件算法针对输入进行处理最终实现对智能车机械和电路的控制，三个方面相辅相成。 1.1 智能车机械结构整体设计方案我们对机械设计部分总体的设计原则定位在：结构紧凑、连接稳固、减轻重量、合理调整重心四个方面。另外根据经典的机械原理，对智能车的传动结构、轮胎、车轮等进行规则允许范围内

14、的调校。机械部分的制作和调整的具体内容将在第二章中介绍，最终车模整体见图 1.1。 6 太原理工大学信标对抗队技术报告 图 1.1 智能车整体外观 1.2 智能车硬件电路整体设计方案智能车中的电路包括：微处理器最小系统、电源电路、传感器电路、电机驱动电路、测速器以及其他周边电路。主要设计原则是最简、实用、可靠和模块。因为电路复杂就增加了故障几率，只要符合要求，提供足够的应用功能就7 太原理工大学信标对抗队技术报告足够，而智能车最容易出现故障的环节往往是硬件电路部分，这部分出现问题的后果也比较致命，所以可靠的电路设计的重要原则之一，另外，模块化设计便于整个系统的修改、升级、更替，而整体化有利于减

15、小电路板的尺寸，使电路更加的简洁，稳定，可靠。硬件电路的具体内容详见第三章。 1.3 智能车软件整体设计方案软件部分的设计主要是对微处理器 K60 的程序编写，首先通过 IO 口采集摄像头的图像信息，即将传感器获取的电信号通过单片机端口读入，并经过图像处理，进行控制算法，最终通过单片机端口输出给硬件电路相应的控制量， 对速度、方向等硬件电路进行控制，最终实现对车模的控制。 软件的设计原则主要是：效率、结构化、规范、易读、易扩展。因为软件 部分涉及到端口输入输出数据的处理，要对车辆硬件进行控制，因此要提高软 件处理的效率以达到控制的及时性。另外，整个控制环节有紧密的逻辑关系， 因此，软件的结构合

16、理和规范化的设计有助于调理逻辑关系，便于修改、调试、 扩展及拥有较强的适应能力。 程序编写选用 IAR 为编译环境，C 语言为主要程序编写语言。具体软件设计思路，算法详见第四章。编译环境及调试手段详见第五章。具体代码详见附录 A。 1.4 智能车主要技术参数智能车主要技术参数包括物理尺寸、电路指标等，具体参数见表 1.1 所示 8 太原理工大学信标对抗队技术报告表 1.1 智能车主要参数表注：由于设计报告书写期间智能车仍然在进行改进，因此有些数据未能更新。之后的内容中涉及到的参数、程序、图片也有类似情况，不做逐一说明。 9项目 单位 参数 车模尺寸(长宽高)毫米(mm)300200200车模重

17、量(带电池)克(g)1980车模轮距 毫米(mm)200车模平均电流(匀速行驶)毫安(mA)19000传感器(数字摄像头 MT9V032)个 2图像信息检测频率 次/秒 67核心处理器种类及个数 MK60DN512VLL10 2 个 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机个数 个 0 太原理工大学信标对抗队技术报告第二章 机械结构部份的设计及调整 智能车机械部分设计主要包括制作和调整两部分内容，制作部分的内容主要是对车模没有的部分进行设计，包括传感器支架、电路板固定、测速码盘安装、机械避障等。调整部分则主要是针对智能车车模本身已经有的机械部分， 在规则允许范围内进行调整，改装，提高其运动性能

18、，以适应高速行驶和快速控制，这部分主要包括、底盘调整、四轮定位等。本章内容主要对避障装置以及机械调整部分进行介绍。 2.1 机械结构部分设计在第十四届竞赛中，信标组统一采用 H 车模，车模原始尺寸与参数如下：10 太原理工大学信标对抗队技术报告图 2.1H 车模外观及参数由于大赛提供车模是麦克纳姆轮全向运动车模，并没有提供专门为智能车传感器支架、防撞等电路部分的部件，因此这部分机械结构需要自行设计制作并安装。制作部分主要原则为：轻、牢、简，所以我们主要选择玻纤板，尼龙等原材料制作。 2.1.1 电路板的安装 我们采用一块主控板，做前摄像头的采集以及整车的控制，同时设计一块采集板做后摄像头的采集

19、部分，为了降低重心，我们把锂电池尽可能贴近底盘安装，把两块主控电路板安装在摄像头的杆两侧，同时，考虑到主板的散热以及布线问题，我们用塑料螺柱支起一定高度，两块驱动电路板分别安装在两侧的电机上面，用自制的玻纤板支架固定。 图 2.2 主控电路板安装图 11 太原理工大学信标对抗队技术报告 图 2.3 采集电路板安装图 2.1.2 机械防撞 由于车模在行驶过程中是朝着亮着的信标灯行驶，对不亮的信标灯是不易发现的，所以避免直接冲撞信标灯导致对车模及信标灯的损坏，我们决定采用机械避障，在车前安装弧形海绵防撞装置，减少对车身及速度等方面的影响。机械避障效果图如下图 2.4 所示： 图 2.4 机械防撞示

20、意图 2.1.3 红外接收头的安装 作为摄像头寻标的辅助，我们外加了红外接收头 1838B，并自制 3D 打印件来固定安装，如下图所示 12 太原理工大学信标对抗队技术报告 图 2.5 红外接收头安装示意图 2.2 车模机械结构的调整与改装车体重心、电路板放置方案、摄像头及码盘的安装方式等多个方面都对整个智能车系统的稳定运行起着至关重要的作用。因此，为了提高车模的运动性能，对一些机械结构还需要调整等，从而使小车更快更稳定地行驶。车的整体布局以精简、可靠、稳定为前提，尽量保证左右平衡，前后平衡，寻找一个合适的重心，保证小车能够抓牢地面。 2.2.1 麦克纳姆轮的安装 H 车最大的特点就是采用麦克

21、纳姆轮(Mecanum Wheel)，又称“麦轮”，是一种可以进行全方位任意移动的。它由轮毂和围绕轮毂的辊子组合而成, 同时麦克纳姆轮得辊子轴线与轮毂轴线成 45夹角。在轮毂的轮缘上斜向分布着许多小,叫辊子,因此可以横向滑移。辊子又是一种没有动力的小滚子,小滚子的母线十分特殊,当绕着固定的轮心轴转动得时候,各个小滚子 的包络线会为圆柱面,所以该轮能够连续地向前滚动。由四个这种轮加以组合， 便可使设备实现任意方位移动的功能。 13 太原理工大学信标对抗队技术报告 图 2.6 H 车模示意图 麦轮一般是四个一组使用，两个左旋轮，两个右旋轮。左旋轮和右旋轮呈手性对称，安装方式有多种，主要分为：X-正

22、方形（X-square）、X-长方形 （X-rectangle）、O-正方形（O-square）、O-长方形（O-rectangle）。其中 X 和 O 表示的是与四个地面接触的辊子所形成的图形；正方形与长方形指的 是四个与地面接触点所围成的形状。 在 H 车中，我们采用 O-长方形的安装方式, 转动可以产生 yaw 轴转动 力矩，而且转动力矩的力臂也比较长： 图 2.7 麦克纳姆轮安装示意图图 2.8 O-长方形安装方式分析图 采用这样的安装方式，可以灵活的进行前进、后退、旋转、平移等控制。 2.2.2 电机齿轮啮合的调整 车模大齿轮和电机齿轮有时会啮合不好，半圈能啮合上，半圈啮合不上， 这

23、个可能是大塑料齿轮偏心，这时把固定大塑料齿轮的银色固定座的四个螺丝松开后，调整到合适的位置，然后再锁死四个固定螺丝。 14 太原理工大学信标对抗队技术报告2.3 摄像头的选型和架设摄像头可分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。数字摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而储存。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式。 对于摄像头的选择，我们主要考虑以下几个参数： 1. 芯片大小 2. 自动增益 3. 分辨率 4. 最小照度 5. 信噪比 6. 标准功率 7. 扫描方式 与模拟摄像头相比，数字摄像头的外围电路要相对简便，并且不需要额 外的升压电

24、路供电。另外，数字传输性能比较稳定，一般不通过单片机 A/D 端 口采集，只需要直接将信号接入单片机的 IO 口，图像采集工作在单片机就变成了按照一定顺序将外部数据并行读入，程序简单，采集速度快，图像 分辨率优于模拟摄像头。同时，对于信标的追逐，数字摄像头相对动态性好， 去噪能力强。 为了对整个比赛场地进行更全面更及时的信息采集，我们最终选定了广角170镜头的 MT9V032 摄像头，前后各装一个，尽可能减小视野盲区，信标灯检测。由于自己设计电路，可以把摄像头尺寸和重量尽可能的做小做轻。 摄像头选择碳纤维杆，使用 AB 胶固定。另外考虑到摄像头架设偏高，因此要尽可能的制作的轻巧，以免导致车体重

25、心偏高。信标对抗组的比赛场地较大， 对视野较远的场地信息的需求也比较大，这样就需要摄像头的远端图像足够清晰可靠， 我们尽量提高摄像头的架设角度，从而方便准确的定位，同时我 们还要考虑摄像头的畸变问题和镜头的可视角度。最终，我们的摄像头的架 设如图 2.9 所示 15 太原理工大学信标对抗队技术报告图 2.9 摄像头的架设16 太原理工大学信标对抗队技术报告2.4 摄像头信息参数1、摄像头扫描行的选择： 最远端扫描行距离：8 米左右 最近段扫描行距离：车前 10cm 左右 这样选择主要考虑到：首先能看较远，在干扰较小的情况下，在远对角线上也可以准确的检测并定位信标灯的位置，同时，尽可能少的看到场

26、地外的杂物，其次，保证近处的视野可以看到最近的灯。 2、分辨率：MT9V032 的分辨率理论可以达到 752*480，但如果所有点都提取出来，将占用巨大的数据空间，处理速度也会减慢。而我们在控制上所需要的分辨率并没有这么高，最终我们有针对性的挑选出部分扫描行和部分像素点。最终选择的分辨率为 180*150。这样既保证了数据量不要过大又能 保证远处的信息量足够。 3、帧率：为了协调曝光时间与采集周期，我们将帧率大致调整为 67。 2.5 光电编码器的选择和安装测速采用红外光电编码器和 100 线码盘来测量车轮的转速，之后用 DMA进行测速。光电编码器如图 2.10 所示，安装好的光电编码器如图

27、2.11 所示 图 2.10 光电编码器及码盘 17 太原理工大学信标对抗队技术报告 图 2.11 安装好的测速编码18 太原理工大学信标对抗队技术报告2.6 磁标的选择和安装信标对抗组别中的磁标最多允许安装四个。磁标距离车模底盘或者车轮直线距离不超过 5 厘米，距离地面高度不超过 2 厘米。如下图所示。 图 2.12 信标对抗组车模安装四个磁标，距离车模底盘或者车轮不超过 5 厘米 根据规则，车模中可以采用以下几类钕铁硼永磁铁。 图 2.13 用于磁标的钕铁硼永磁铁 第一类扁平的长方磁铁便于直接使用胶水粘贴在车模底板，既牢靠，又距离地面近，便于触发计时系统。 第二类和第三类都属于圆柱形的永磁

28、铁，只是第三类中带有中间孔，方便利用螺丝固定在赛车底盘上。为了可靠触发计时系统，这两类的磁铁的大小 （高、直径）应该在 7 至 10 毫米。太小不利于触发计时系统，太高则不易于安装。为了可靠触发计时系统，要求以上三种磁标安装后距离赛道表面应小 于 2 厘米。一种比较简便的固定方式就是将上述永磁铁吸附在车模电机的下面。 19 太原理工大学信标对抗队技术报告第三章 硬件电路的设计 3.1 电路的整体框架电路是整个系统中相当重要的一部分，是系统运行的基础，所以每一个电容每一个电阻都需要去考究。硬件电路的设计与制作是一个漫长的过程，也是一个充满乐趣的过程，从电路原理的研究到元器件的选择与使用再到电路板

29、的设计与焊接，如果电路效果不佳，或是有改进，则会重复这一过程。 我们的硬件系统主要分为九大模块：MK60DN512VLL10 主控模块、MK60DN512VLL10 采集模块、电源稳压模块、OLED 输入模块、电机驱动模块、 图像采集模块、障碍检测模块、速度检测模块和辅助调试模块。 各模块的总体设计原则是：紧凑、稳定可靠，但根据各模块的不同，又有不同的设计要求，本章对各个模块的设计进行详细描述 各模块的作用如下： 1 .MK60DN512VLL10 主控模块：智能车系统以 MK60DN512VLL10 为控制核心， 将摄像头、码盘、陀螺仪、红外接收头、光电开关等传感器的信号进行数据处理，结合控

30、制算法做出控制决策，驱动直流电机完成对智能汽车的控制并实现了单片机硬件的最优化设计和单片机资源的合理化使用。 2. MK60DN512VLL10 采集模块：用于另一个摄像头采集图像，通过串口通信将数据发送到主控模块参与决策 3. 电源稳压模块：为整个系统提供合适而又稳定的电源。 4. OLED 输入模块：为了便于比赛时调整参数 ，特地加了 OLED 输入模块 5. 电机驱动模块：驱动直流电机完成智能汽车的加减速控制和转向控制。 6. 图像采集模块： 采用双摄像头采集场地的图像信息， 确定信标的坐标位置，以确定电机的控制模式。 7. 障碍检测模块：采用红外漫反射开关检测信标车运行时前方有无障碍，

31、如果有障碍，进行避障处理。 8. 速度检测模块：采用光电码盘检测读取车轮的转速，用于速度的闭环控制。 9. 辅助调试模块：串口等模块、主要用于智能汽车系统的功能调试 20 太原理工大学信标对抗队技术报告3.3V7.4V5V5V5V5V3.3V5V3.3V5V7.4V电源管理 图 3.1 电路系统框图 以下为我们的主控板与采集板电路 图 3.2 (a) 主 控 板 正 面 图 3.2(b) 主 控 板 21测速码盘 采集单片机 后 MT9V032 摄像头红外接收头MPU6050电机输出 红外漫反射开关 5V前 MT9V032 摄像头主控单片机 太原理工大学信标对抗队技术报告 图 3.3 (a)主

32、控板正面图 3.3 (b)主控板这次设计选用的单片机是MK60DN512VLL10 (以下简称K60)，100 引脚封装，这款单片机的运算速度、存储容量以及端口可以满足智能车设计要求。为了使电路板紧凑，减少车重，系统板仅对所用到的必要引脚引出，适当留有备用端口，其中包括 FTM 接口、SD 卡接口、普通I/O 口、JTAG 接口、SCI 接口等。端口作用规划见表 3.1。3.1 单片机端口规划表 22端口 作用 C8 C15摄像头信息读取 C7,C6 行场中断 C3DMA 触发端口 A5,B3,D0,E6DMA 测速 A17,B10,D4,D5测速正反转 B20,B21,B9,A14电机正反转

33、 A12,A13,B18,B19电机驱动控制 D6,D7串口通信 E24,E25红外接收 A16电机使能 太原理工大学信标对抗队技术报告3.2 电源模块设计在今年的竞赛中，允许使用镍镉电池与锂电池两种。出于 H 车模可利用面积与降低重心的考虑，我们选择了 18650 锂电池，并按规则自行设计制作锂电池保护板，以确保锂电池的安全充放。 锂电池的安全性是重中之重，因此我们自行设计了锂电池保护板，对过充过放进行保护，原理图如下： 图 3.4 锂电池保护板原理图电源的指标是可靠性，整个硬件系统的工作完全由电源供电的可靠性决定， 电源供电不稳定会引起电池损耗、单片机复位、传感器损毁等严重问题，因此 电源

34、的设计是最重要的硬件电路设计部分之一。电源设计中主要考虑到需要的 电压和电流。如图 3.5 所示，智能车需要的电源要求包括 3.3V，5V，7.4V 等。 图 3.5 电源分配示意图 根据规划，5V 供电我们选择了 TPS7350 和 LM2940，TPS7350 的优点是输出电压精度高，输出噪声低，压差低，在输出为 100mA 时，最大压差为35mV，这样保证电池在低电压的情况下，仍能使单片机和传感器正常工作， 同时， LM2940 的输出电流可以达到 1A ，足够供应键盘显示电路的工作。设 计原理图如图 所示。 23 太原理工大学信标对抗队技术报告 图 3.6 TPS7350 稳压电路原理

35、图 图 3.7 LM2940 稳压电路原理图 3.3V 供电我们使用了 TPS7333 芯片作为稳压芯片，其电路原理是该芯片 的典型电路，在这里不做赘述。其原理图如 3.8 所示。 24 太原理工大学信标对抗队技术报告图 3.8 7333 稳压电路原理图其中，为了不互相干扰工作，单片机 3.3V 和传感器的 5V 分开供电，单 点共地。为了消除纹波，需要在电源输出位置加入电容滤波，提高供电稳定性。驱动电机供电选择电池直接供电。 3.3 驱动电路设计驱动电路为智能车驱动电机提供控制和驱动，这部分电路的设计要求以能够通过大电流为主要指标。驱动电路的基本原理是 H 桥驱动原理，目前流行的 H 桥驱动

36、电路有：H 桥集成电路，如 MC33886；集成半桥电路，如 BTS7960 等；MOS 管搭建的 H 桥电路，如 IR2104。 我们对三种电路都进行了搭建并测试，最终我们选择了 N 沟道的 MOS 管和专用栅极驱动芯片 IR2104 构成全桥驱动，电路原理图如图 3.9 所示。 25 太原理工大学信标对抗队技术报告图 3.9 IR2104 搭建 H 桥电路原理图3.4 其他硬件电路除了最单片机小系统、电源、传感器和驱动电路这四个主要模块以外，配合智能车调试还有一些周边电路，这些电路对智能车调试起到重要作用，但对智能车解决赛题并没有作用，因此这里不再赘述其原理 26 太原理工大学信标对抗队技

37、术报告第四章 总体理论分析及控制器软件算法实现 4.1 系统控制总体设计 整个系统有二部分，速度控制和方向控制。速度控制和方向控制并不是彼此独立的两个模块，而是相互协同配合的，只有速度控制和方向控制同时调整到最佳状态才能使车模达到最佳状态。 为了使电路板紧凑，减轻车重，系统板仅对所用到的必要引脚引出，适当留有备用端口，其中包括 PWM 接口普通 I/O 口、JTAG 接口、测速接口、视频采集接口等等。 4.2 路径识别部分 路径识别传感器我们选择的是 MT9V032 数字摄像头，高效的软件程序是智能车高速平稳运行的基础，图像采集就成了整个软件的核心内容。在智能车的转向和速度控制方面，我们使用了

38、鲁棒性很好的经典 PID 控制算法，配合使用理论计算和实际参数补偿的办法，使智能车能够稳定快速定位信标。今年信标车的 H 车模前后完全对称，于是我们使用前后两个摄像头，两块单片机处理图像，并采用串口传输数据，最终将信息汇总到一块单片机由一块 单片机进行控制。 4.2.1 采集图像处理信标对抗组的信标灯是铺设在蓝色的广告布上，以 10Hz 的频率发送红色闪烁光和 40KHz 红外闪烁光，信号的波形如下图所示： 27 太原理工大学信标对抗队技术报告 图 4.1 信标灯时序图 摄像头可以看到可见光和红外光，并且对红外敏感，在测试的过程中，我们发现红外漫反射开关会对摄像头判断亮灯产生影响，不利于对信标

39、灯的追踪定位，所以决定在摄像头内部添加红外滤光片，去除红外光，从而在无阳光直射的情况下获得干扰更少的图像。 4.2.2 信标追踪处理在基本图像处理完成后，就要从图像中提取出有效的信息，也就是信标灯的具置。为了使处理速度更快，我们先通过图像寻找全局最亮点，然后在最亮点附近寻找亮灯的详细信息。 4.2.3 方向偏差处理灭灯的方式有从灯侧灭灯和灯前灭灯两种，我们采用从信标灯侧边灭灯的方式，并选取据当前最近的一侧为灭灯路径，由于摄像头的架设角度以及摄像头镜头畸变，采集的图像有桶形畸变和梯形畸变，所以当前的图像是畸变的， 理想的朝信标灯运动的路径是偏移信标左或右 10cm 左右，对信标的期望纵坐标不能是

40、中心线偏几个固定的单位，而是图像上的一条曲线，应先确定这条曲线，即信标此时的行号所对应的列号即为期望列号，方向偏差就是当前的列坐标减去信标此时行号所对应的期望列。 28 太原理工大学信标对抗队技术报告4.3 速度控制部分为了使速度不会随着控制而与期望相差太大，从而引入 I 项，减小静态误差，因此我们速度控制使用 PI 控制.，信标的速度需要猛加猛减，我们将速度期望分为三部分，开始灭灯时给一个大期望，快到达灯时给小期望，灭灯后前 进速度为零开始自转。 4.4 转向控制4.4.1 PID 控制原理PID 控制以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和

41、参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 PID 控制就是根据系统的误差，利用比例(P)、积分(I)、微分(D)计算出控制量进行控制的。目前 PID 控制在工业控制系统中无处不见，随着控制效果的要求不断提高，PID 逐渐向智能化发展，但形形是源自经典 PID 理论。 的现代控制理论最终还 PID 解决了自动控制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，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在 PID 调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，

42、 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。 由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID 的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。因此 PID 参数的确定是 PID 控制中重要的部分之一。10PID 控制的基本原理如式 1 所示：（1） 式中，u(t) - 控制量29 太原理工大学信标对抗队技术报告KP - 比例系数Ti - 积分时间常数 Td - 微分时间常数将式 1 离散化，即将描述连续系统的微分方程代之以等效的描述离散系统的差分方程，就可以得到相应的数字 PID 调节器。当控制周期也就是积分时间足够小的时候，利用矩形法进行数值积分，即以求和代替积分，以差分 代替

43、微分，可得到数字形式的 PID 控制方程如式 2 所示： （2） 式中 T 为控制周期，当 T 足够小时离散化的控制模型可以逼近连续式的PID 控制模型。另外，可以将式 2 中的 T 提取出来，把 Kp 分配进去，分别与1/Ti 和 Td 组成比例项系数 KP，积分项系数 KI 和微分项系数 KD，式 2 可简化为式 3:k（3） 式 3 也就是常说的位置式 PID 控制方程，但是由于积分项累加计算比较复杂，而且在程序计算中极容易出现溢出现象，因此人们考虑每一次不是给 出绝对的控制量，而是根据上一次的控制，给出本次需要增加的控制量即可。 k 1(4)式 4 就是增量式 PID 控制方程，由此可

44、以看出，增量式 PID 消去了积分项的累加部分，这样便于程序编写。 4.4.2 转向控制实现转向的控制通过简单的 PD 控制的方法可以很好的实现最佳路径，为了使转向响应更快，先用图像中获得的偏差并引入陀螺仪的偏航角速度作为 D 项计算出期望角速度，再用计算出的期望角速度与陀螺仪进行 PD 控制达到方向闭 环，经过参数调试，车可以很快响应并且路径笔直。 30 太原理工大学信标对抗队技术报告4.4.3 避障控制实现经过一系列的尝试，我们最终选择红外漫反射开关作为避障传感器，当传感器检测到不亮的灯时，进行减速并平移，控制采用开环控制，平移固定时间后停止。 4.4.3 麦轮速度解算以 O-长方形的安装

45、方式为例，四个的着地点形成一个矩形。正运动学模型将得到一系列公式，让我们可以通过四个的速度，计算出底盘的运动 表示 X 轴运动的速度，即左右方向，定义向右为正； 表示 Y 轴运动的速度，即前后方向，定义向前为正； 表示 yaw 轴自转的角速度，定义逆时针为正。 以上三个量一般都视为四个的几何中心（矩形的对角线交点）的速度。 传统的麦轮解算虽然严谨，但是比较繁琐，我们采用了一种简单的逆运动 学计算方式，全向移动底盘是一个纯线性系统，由于刚体运动又可以线性分解 为三个分量。那么只需要计算出麦轮底盘在沿 X 轴平移、沿 Y 轴平移、 绕几何中心自转时，四个的速度，就可以通过简单的加法，计算出这三种简

46、单运动所合成的平动+旋转运动时所需要的四个的转速。而这三种简单运动时，四个象得出。 的速度可以通过简单的测试，或是推动底盘观察现当底盘沿着 X 轴平移时： 当底盘沿着 Y 轴平移时： 31 太原理工大学信标对抗队技术报告 当底盘绕几何中心自转时： 将以上三个方程组相加，得到的恰好是根据传统方法计算出的结果。 32 太原理工大学信标对抗队技术报告第五章 系统的开发环境与车模调试 在系统的设计制作和调试的过程中，不管是软件的开发还是硬件电路的仿真和电路板的制作都离不开电脑。所以对于电脑上的各种辅助设计软件必须要有一定的熟悉程度。这样可以提高开发的效率。 5.1 IAR 的使用 今年我们选定了恩智浦

47、的 32 位单片机 MK60DN512VLL10，我们选择了用 IAR 来进行软件的开发。IAR 界面简洁，使用方便，支持实时在线仿真， 我们目前拥有 K60 在 IAR 上有比较完整的库函数。IAR 的使用界面如图 5.1所示。 图 5.1 IAR 用户界面5.2 车模的调试手段在后期车模调试的过程中，为了让小车的速度更快，就需要很好了解车模运行的详细状态，而光靠人眼是无法完成对车模很好的监控的，尤其是速度、方向融合在一起之后，这时就需要具体的显示小车的状态，参数。我们主要采取以下两种调试方式： 33 太原理工大学信标对抗队技术报告5.2.1 上位机显示状态我们既可以通过 SD 卡实时记录小

48、车的运行状态，然后通过上位机来了解小车的状态，也可以实时地显示小车的运行状态。那么一个良好的上位机就显得格外重要了。我们选择了 C# 来进行上位机的开发，对数据进行处理，并用波形显示。 如图 5.2 所示为 SD 卡参数图像显示上位机。先通过单片机给 SD 卡记录车模在行进过程中的图像采集以及各种运行状态中的数据，然后通过上位 机进行分析。 图 5.2 C#上位机 34 太原理工大学信标对抗队技术报告5.5.2 IAR 在线调试我们采用 J-link 作为下载器，其还可以在线调试。IAR 具有良好的在线实时显示参数，采用断点调试，不仅可以显示程序中的各个变量的实时值，还可以显示单片机内具体的寄存器的值，更加的方便。图 5.4 为 IAR 在线调试的 界面。 图 5.3 IAR 在线调试界面35 太原理工大学信标对抗队技术报告第六章 总 结 6.1 总结 在这整整的一年备战中，我们体会了很多，遇到挫折长久攻破不下的忧愁， 各种电路板的悲伤，瓶颈突破时的喜悦，收获友谊的快乐，这一年