西南交通大学-四驱兄弟队-室外越野组-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：西南交通大学队伍名称：四驱兄弟参赛队员：贾晨杰董侃王渝淇带队教师：蒋朝根I I II 摘要本文介绍了西南交通大学四驱兄弟队为参加第十四届“恩智浦”杯智能车赛而设计的电磁式智能车的设计原理及制作、调试过程。设计以MK60FX512VLQ15 微控制器为核心，通过分析赛道信息提取的原理，合理选择了适合赛道检测的电感和电容构成谐振回路，对传感器数量、安装和接收方式 进行分析，以此为依据介绍获取智能车与赛道状态信息的方法，以及对信息的 传输、处理，最终通过有效信息采用 PID 理论控制智能车的方向和速度。文中介绍了设计中的硬件电路：单片机系统、

2、电源模块、驱动模块、传感器模块等； 同时介绍了相关算法的原理、软件编写及调试手段。最后对车模存在的问题及 改进思路进行了分析、改进和展望。 关键词：智能车，电磁感应，谐振回路，PID 控制，MK60FX512VLQ15 III 目录 第一章引言41.11.21.3第二章2.12.22.32.4第三章设计背景4主要解决问题5章节安排5智能车系统总体设计方案6智能车机械结构整体设计方案6智能车硬件电路整体设计方案7智能车软件整体设计方案7智能车主要技术参数8机械设计制作及调整93.1 机械结构制作部分设计93.2 转向机构改装优化12第四章电路设计说明144.2.1 电池使用144.2.2 电源管

3、理模块154.3 传感器电路设计与实现174.4 驱动电路设计214.5 通信模块224.6 显示模块22第五章智能车软件设计说明235.1 赛道信息获取235.2 舵机转向控制235.3 速度控制265.4 特殊赛道类型判断26第六章开发环境和调试方法276.1 开发环境276.2 调试工具276.3 调试方法和经验27第七章总结与展望29致谢30参考文献31附录程序源代码32IV 第一章引言1.1 设计背景本设计是为了参加第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛而进行。全国大学生智能汽车大赛是受教育部高等教育司委托，由高等学校自动化专业 教学指导委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。此项大

4、赛至今已成功举办了十三届，参赛学生总规模超过 20 万人次，学生收获和竞赛声誉保持高位，已成为各大高校的热点赛事。本届“恩智浦”杯全国大学生智能车大赛全国总决赛 将于将于 2019 年 8 月 22 日至 25 日在山东大学威海校区举行。 全国大学生智能汽车竞赛是一项以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为指导思想，面向全国大学生开展的具有探索性的工程实践活动。它以在特定赛道上能自主行驶且具有优越性能的智能汽车这类复杂工程问题为任务，鼓励大学生组成团队，综合运用多学科知识，提出、分析、设计、开发并研究智能汽车的机械结构、电子线路、运动控制和经济成本等问题，激发大学生从事工程技术开发和科学

5、研究探索的兴趣和潜能，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。 第十四届大赛共分为小白四轮、变形三轮、断桥相会双车、飞毛腿节能、横冲直闯信标、室外越野电磁、室外光电创意以及室内对弈创意共八个组别。 本文介绍的是针对室外越野电磁组比赛进行的电磁检测式智能车设计，采用委会统一提供的L 车模，单片机选用恩智浦微控制器MK60FX512VLQ15 作为核心控制单元，选用 10mH 电感与 6.8nf 电容构成谐振回路检测赛道 20kHz 交变电磁场的方式作为赛道检测的主要方式，并针对本届比赛规则，设计传感器排布方式、方向控制、速度控制等，最终实现一套能够自主识别路线的智能车控制硬件、软件

6、系统。比赛以准确和速度为主要评判标准，因此，设计主要 以准确稳定提取赛道信息以及快速控制方向和速度为主要设计标准。 1 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告1.2 主要解决问题设计主要针对大赛规则以及室外电磁越野的赛题标准进行。首先，要求能准确检测主要赛道路径；其次，根据规则中的特殊赛道类型，如十字路口、苯环、坡道及终点线检测等进行针对性设计；最后，根据复杂的路面情况，如路障、草坪、沙坑、水坑等进行相应的设计。根据以上三方面提出的要求，对智能车整体系统进行设计，包括机械、各硬件电路模块以及程序的设计。设计中主要解决的问题列表见表 1.1。 表 1.1 设计解决的问题及解决办法概略表 1.3

7、 章节安排本文第二章介绍整体设计思路和设计方案，第三章介绍机械部分的设计和实现，第四章介绍硬件电路的设计与实现，第五章介绍软件设计思路及部分代码举例，第六章介绍开发与调试环境及手段，第七章给出结论和展望。 2主要解决问题 解决方法简述 赛道检测 电感电容构成谐振回路检测 路障、坡道 上下两个TFmin Plus 测距分辨两者，陀螺仪角度变化闭环控制进行避障 十字路口、苯环 电感检测找到赛道相应的特征值 停车 采用检测线圈进行检测终点线 方向控制 舵机 PID 控制以及后轮传动结构改装 速度控制 PID 控制以及编码器获取车速进行反馈 调试手段 拨码开关、OLED 显示、按键操作、上位机观测、软

8、件开发平台 第二章智能车系统总体设计方案智能车作为一个整体系统，包括机械、电路硬件以及软件三个主要部分，三部分互相联系，相互影响。智能车系统框图见图 2.1。 图 2.1 智能车系统框图 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，硬件电路是实现智能车功能以及检测调试的基础，软件设计最终实现对智能车机械和电路的总体控制。 2.1 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为结构稳、连接牢，另外根据经典的机械原理，对智能车的传动结构进行规则允许范围内的改装。具体内容主要有电路板安装排布、支架固定、结构改装、电池位置等，具体内容将在第三章中介绍，

9、最终车模整体见图 2.2。 3 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 2.2 智能车整体外观 2.2 智能车硬件电路整体设计方案智能车中的电路主要包括：微处理器系统、电源模块、传感器电路、电机驱动电路、停车检测等。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。具体设计详见第四章。 2.3 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，通过计

10、算对其各个端口进行读写控制，即将传感器获取的电信号通过单片机端口读入，并经过处理， 进行控制算法，最终通过单片机端口输出给硬件电路，对车速、方向等硬件电 路进行控制，最终实现对车辆机械部分的控制。 4 第二章 智能车系统总体设计方案 软件的设计原则主要是：效率、结构化、规范、易读。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。具体软件设计详见

11、第五章。 2.4 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 2.1。表 2.1 智能车主要技术参数表 5 参数 车模尺寸（长宽高） 900mm270mm270mm车模总体重量（带电池） 2kg车模平均电流(匀速行驶) 300mA电路电容总量 880 mf电磁传感器(电感电容谐振回路) 6 个（6.8nf10mH ） TFmin Plus 2 个 陀螺仪 1 个（ICM-20602） 编码器 1 个（QY1503-CDZ） 新增加伺服电机个数 0 个 赛道信息检测精度 6mm赛道信息检测频率 200 次/秒 核心处理器种类及个数 1 个（MK60FX512VLQ

12、15） 第三章机械设计制作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、防撞、编码器安装等。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，以适应高速行驶和快速控制，这部分主 要为传动结构改装。 3.1 机械结构制作部分设计3.1.1 电磁传感器安装由于大赛提供车模本身是运动型模型车通用车模，并没有提供专门为智能车安装电路、传感器等电路部分的部件，因此这部分机械结构需要自行设计制作并安装。在调试过程中小车免不了各种碰撞，因此支架的稳定性和刚性非常重要， 所以我们

13、主要选择碳纤维杆作为支架的材料，通过钻孔卡扣以及用热熔胶配合来固定支架。经过对支架的方案进行了多次尝试和比较，最终确定了最终的支架结 构。如图 3.1 所示。 图 3.1 电磁感器支架 7 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告3.1.2 TFmin Plus 以及防撞安装我们采用了两个TFmin Plus 测距传感器用以避障，通过 3D 打印合适尺寸的固定件将其分别上下放置在车上。放置时需要非常注意保持两个传感器水平，因为该传感器非常灵敏，稍微倾斜一点都可能导致使用情况不理想。同时为避免智能车高速行驶的过程中将其撞坏，在前面我们还做了防撞。如图 3.2 所示。 图 3.2 TFmin Pl

14、us 以及防撞安装 3.1.3 电路板以及电池安装 我们主要有主控板、驱动板以及电磁运放板三个比较大的板子需要稳定固定在车上，因此我们通过 3D 打印件将其通过铜柱安装在车上。同时我们的两个电池放在底盘固定好。如图 3.3 所示。 8 第三章机械设计制作及调整 图 3.3 电路板以及电池安装 3.1.4 编码器安装编码器通过联轴器与电机轴连接，以获取电机转速。为了避免高速时抖动对 读取数据的影响，需要将编码器固定在车底盘。其安装如图 3.4 所示。 图 3.4 编码器安装 3.1.5陀螺仪安装对于陀螺仪的安装，我们选择了平行焊接在主板下面。如图 3.5 所示。 9 第十四届全国大学生智能汽车邀

15、请赛技术报告 图 3.5陀螺仪安装 3.1.6 停车检测模块安装停车检测模块我们采取了线圈检测，安装如图 3.6 所示。 图 3.6 停车检测模块安装 10 第三章 机械设计制作及调整3.2 转向机构改装优化转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。L 车模的两个后轮是固定的，这就使得他的转弯半径很大，而赛制规定的最小转弯半径会达到 80cm，如果能够将后轮的传动机构进行规则内的改动，会使车模转向性能进一步提升。 改装后轮传动机构不是一件易事，需要计算好力矩等参数，同时掌控好牢固与摩擦力之间的平衡，才能使后轮稳定不晃且阻力不大。我们首先改装的是双后轮，但我们发现随着速度的提高，这种改装方使后

16、轮在直线行驶过程中晃动， 这严重影响了车的运动性能，因此我们采取改装单后轮，另一个后轮固定，这样既能减小转弯半径又能比较稳定地行驶。最终的改装后与舵机连接如图 3.7 所示。 图 3.7 后轮转向机构改装 11 第四章电路设计说明智能车电路部分主要的模块包括：主控系统、电源模块、传感器模块、驱动模块以及其他周边调试模块。各模块的总体设计原则是：紧凑、易于拆换、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。 4.1 主控系统这次设计选用的单片机是MK60FN1M0VLQ15(以下简称 K60)，144 引脚封装，这款单片机的运算速度、存储容量以及端口(AD

17、C, I/O, PWM, SCI 等)足够满足智能车设计要求。为了使电路板紧凑，主板仅对所用到的必要引脚引出，适 当留有备用端口。端口作用规划见表 4.1。 表 4.1 单片机端口规划表 4.2 电源模块设计电源是为智能车各个模块提供动力的能量来源，稳定的电压和合适的电流是电源的首要指标。 4.2.1 电池使用我们采用双电池供电的方法，这样能满足越野车在经过颠簸路段、草坪、沙坪等复杂地段时保持充足的动力。其中两节 18650 锂电池（3.7V、3000mAh）作为主控板的供电，航模锂电池（7.4V、2600mAh、25C）作为驱动电机的供电。同时我们还连接了一个电压显示数码管，时刻监控着电机供

18、电电压，以记录智能 13端口 作用 B2/B3/B4/B5/B6/B7/B10/B11 电磁传感器 AD 转换 D0/D1 电机驱动控制 C2 舵机控制 A10/A11 编码器 E0/E1 陀螺仪 C3/C4/B16/B17 TFmin Plus B22 起跑线检测 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告车最佳运行状态。 4.2.2 电源管理模块根据所选择的芯片、传感器，我们对相应模块所需的供电进行规划，如图4.1 所示。 图 4.1 电源分配规划示意图 根据规划，5V 供电我们选择了TPS5450，其输出电压精确、输出电流大且 电路简单。设计原理图如图 4.2 所示： 图 4.2 5V 供

19、电电路原理图 3.3V 供电我们使用了AMS1117-3V3 芯片作为稳压芯片。其原理图如图 4.3所示。 14 第四章 电路设计说明图 4.33.3V 供电电路原理图 针对舵机，我们单独设计了一个可调电压的电路。原因有二：一是舵机要求的电流较大，电压需要很稳定，若跟其他器件共同使用同一个供电电路，在舵机迅速打角时，5V 供电不足，导致电路无法正常工作；二是舵机的工作电压在4.5V- 6V，仅用 5V 供电，舵机的响应不够快，因此有必要在适当的范围内提高 舵机的供电电压。 我们采用的芯片是LM2596S-ADJ，其输出的电流能够满足舵机，且电压可 调，其原理图如图 4.4 所示。 图 4.4

20、舵机可调供电电路原理图 对于电机驱动，我们选取了 IR2104S 芯片，其额定工作电压为 12V，故我们 采用了芯片MC34063 来进行升压供电工作。其设计原理图如 4.5 所示。 15 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图 4.5 驱动 12V 供电电路原理图 4.3 传感器电路设计与实现本设计中，传感器分为五部分：电磁传感器、避障传感器、停车传感器、速 度传感器和陀螺仪。 4.3.1 电磁传感器电路设计根据竞赛组委会的相关规定，我们选用磁传感器，磁传感器的应用首先在于选型，为了找出适合的磁传感器，我们查阅了许多的产品资料，进行了大量的电感测试，发现只有在 10mH 电感中，得到感应

21、电动势曲线是较为规整的正弦波， 频率和赛道电源频率一致，为 20kHz，幅值较其他型号的大，且随导线距离变化， 规律为近大远小。其他电感得到信号不好，频率幅值变化杂乱，不宜采用。 根据电磁学，我们知道在导线中通入变化的电流（如按正弦规律变化的电流），则导线周围会产生变化的磁场，且磁场与电流的变化规律具有一致性。如果在此磁场中置一由线圈组成的电感，则该电感上会产生感应电动势，且该感应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。由于在导线周围不同位置，磁感应强度的大小和方向不同，所以不同位置上的电感产生的感应电动势也应该是不同。据此，则可以确定电感的大致位置。确定使用电感作为检测导线的传感器

22、，但是其感应信号较微弱，且混有杂波，所以要进行信号处理。要进行滤 波、放大以及检波才能得到较为理想的信号。 1）信号的滤波 16 第四章 电路设计说明比赛选择 20kHz 的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得 20kHz 的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。使用 LC 并联谐振电路来实现选 频电路（带通电路），如图 4.6 所示。 图 4.6 LC 并联电路 其中，E 是感应线圈中的感应电动势，L 是感应线圈的电感值，R0 是电感 的内阻，C 是并联谐振电容。电路谐振频率为： 1f =2 LC （公式 1）已知感

23、应电动势的频率 f =20kHz，感应线圈电感为 L=10mH，可以计算出谐振电容的容量为C=6.3310-9 F 。通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为 6.8nF，所以在实际电路中选用 6.8nF 的电容作为谐振电容。 2）信号的放大及检波 由第一步处理后的电压波形已经是较为规整的 20kHz 正弦波，但是幅值较小，随着距离衰减很快，不利于电压采样，所以要进行放大。我们选择的是使用运算放大器搭成的放大电路，并且选择性能更为出色、抗干扰能力更好的运算放大器OPA2350。检波电路则使用二极管 BAT54S 检波。放大检波电路原理图如图 4.7 所示。 17 第十四届全国

24、大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 4.7 信号放大及检波电路 4.3.2 电感布局我们采用了 3 对电感，每一对关于中间对称摆放。根据电磁感应定律可知， 当电感与导线水平时，其感应电动势最小；当电感与导线垂直时，其感应电动势最大。对于直导线和转弯处，我们将一对电感与支架杆子成水平放置；为了检测十字路口，我们将另一对电感与支架杆子成垂直放置；而针对苯环这一赛道元素， 我们又将一对电感成 30内八摆放。最终电感的布局如图 4.8 所示。 图 4.8 电感布局 4.3.3障碍检测传感器的设计对于障碍物的检测，我们一开始采用了超声波传感器 HC-SR04，但实际使 用中发现超声波工作不稳定，温漂严重，

25、读数不精确，因此我们放弃了这种方案。 18 第四章 电路设计说明而红外测距传感器虽然较超声波精准，但是其受光线影响严重，在室外基本无法 正常返回数据。 综合各种因素，我们选取了激光传感器 TFmin Plus，这个传感器不会受温度和光线的影响，能够精准返回数据。但我们发现该传感器灵敏度非常高，仅靠一个TFmin Plus 无法区分障碍、坡道和锥桶，因此我们采用两个 TFmin Plus，分 别用两个独立的串口进行控制。其原理图如图 4.9 所示。 图 4.9 障碍检测传感器原理图 4.3.4 终点线检测传感器的设计电磁组的终点检测标志的三个永磁铁，我们需要通过检测到终点线处的永磁铁以判断是否到

26、达终点，因此终点检测需要一种可靠的磁感元件检测与电磁线不一样的磁场。 传统的检测方法都是采用干簧管来检测。干簧管是一种磁感元件，受到磁感应即动作。但是L 车模的底盘较高，而干簧管只有在距离 1cm 时才能可靠吸合， 在实际行驶中我们发现确实也不能百分百检测到终点线，因此我们将这种方案仅 作为备用方案。 我们采用的第二种方案是使用全极性霍尔元件 4913B，这是一种线性霍尔， 检测磁场的灵敏度较干簧管要高，检测距离要远。但是我们实际使用中发现，仅在车身比较正对着终点线时才能停车，这也有可能是我们排布不够密集的原因， 但我们也仅将之作为备用方案。 我们采用的第三种方案是使用检测线圈的方法，这种方法

27、检测范围大。我们使用漆包线绕制了大概 10 匝形成检测线圈。当线圈经过磁铁上方时，线圈中的磁通量发生变化产生感应电动势。我们使用运算放大器 LM258 搭建放大以及滤波电路，将处理后的信号输入到单片机进行判断。这种方案我们实际运用准确率 百分百，因此最终选定该项方案。安装如图 4.10 所示。 19 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图 4.10 终点线检测传感器原理图 4.3.5 速度传感器的设计速度传感器模块，采用的编码器 QY1503-CDZ。这是一种非接触式磁阻增量位置编码器，可用于精确测量单圈 360内的任意角度。选择端口则采用 K60 里的FTM 口进行正交解码。原理图如图

28、4.11 所示。 图 4.11 速度传感器原理图 4.4 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。这里我们每个电机驱动采用两个IR2104S 芯片控制四个 MOS 管形成H 桥。通过控制MOS 管的通断实现电机的正反转。输入 PWM 信号调节电机两端的平均电压，达到控制电机转速的目的，具体电路如图 4.12 所示： 20 第四章 电路设计说明 图 4.12 驱动电路原理图 为达到速度和方向可调，单片机对驱动电路进行PWM 控制和DIR 控制， 使用逻辑芯片 74LVC1G04 和 74LVC2G08

29、，而这两个芯片要注意加下拉电阻，否 则芯片逻辑混乱，无法正常工作。设计原理图如图 4.13 所示。 图 4.13 驱动逻辑控制原理图 4.5 通信模块在实际调试参数的过程中，通过人体的感官得到的小车的数据实在有限，所以采用蓝牙无线通信模块，波特率为 115200，传输速度更快，配合上位机观察超调量，有助于调试PID 参数，具体电路图如图 4.14 所示。 21 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图 4.14 蓝牙通信模块 4.6 显示模块在小车调试过程中，需要经常观察赛道上的电感值，偏差大小，以及在比赛的时候，使用 FLASH 更改小车的参数。这些都需要使用OLED 显示模块。具体电路图

30、如图 4.15 所示。 图 4.14OLED 显示模块 22 第五章智能车软件设计说明软件系统是对传感器等输入设备输入的信息进行处理，然后通过一定算法， 得到控制输出，对现有的硬件电路进行调度和控制，从而使智能车按照赛道前进。软件系统要达到的最终目的是让智能车更快更稳的在赛道上行驶，从而真正达到“智能”。 软件主要流程图如图 5.1 所示。 图 5.1 智能车软件主要流程图 5.1 赛道信息获取赛道信息提取部分是最基础的程序，之后的控制程序都源于赛道信息的正确 提取，这部分程序主要包括硬件端口读取、数据处理及分析归类三部分。 首先介绍硬件端口信息读取部分。 获取当前扫描数据后，就要对数据进行处

31、理，提取赛道信息，以便对赛道分类，判断特殊赛道类型。根据传感器测值和23 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告计算，偏差的值和两端传感器电压的比值成正比关系，计算偏差的程序如下： position = weight0 * (adc0 - adc5) / (adc0 + adc5) + weight1 * (adc1 - adc4) / (adc1 + adc4) + weight2 * (adc2 - adc3) / (adc2 + adc3); 丢线处理：尽管我们尽量让他紧跟着中线，但是在转弯或者复杂情况下还是无法避免会出现丢线的情况，此时，传感器读数一般较小，而且利用上述的计算偏差的程

32、序时，也会出现较大的误差。我们就为这种情况专门设置一个标志位。 这样这样就可以帮助我们更好的处理赛道信息，程序如下： if (adc0 + adc1 + adc2 + adc3 + adc4 + adc5 adc_min) flag_lost = 1; 5.2 舵机转向控制5.2.1 PID 控制原理PID 控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I 和微分单元D 组成。PID 控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系 统响应速度以及减弱超调趋势。 传统PID 控制器自出现以来，凭借其结构简单、

33、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点成为工业控制主要技术。当被控对象的结构和参数具有一定的不确定性，无法对其建立精确的模型时，采用 PID 控制技术尤为方便。PID 控制原理简单、易于实现，但是其参数整定异常麻烦。对于小车的速度控制系统而言，由于其为时变非线性系统不同时刻需要选用不同的 PID 参数，采用传统的 PID 控 制器，很难使整个运行过程具有较好的运行效果。 24 第五章 智能车软件设计说明图 5.2 传统 PID 控制流程图 在实际运用中，我们发现，对于室外电磁越野组而言，不同的地面材质对小车的运行影响较大，而传统的 PID 无法自适应调整，每更换一次场地需要重新调整PID。这无疑会

34、浪费巨大的时间。因此我们改采用模糊 PID。 模糊PID 控制，即利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对 PID 的参数进行实时的优化，以克服传统 PID 参数无法实时调整 PID 参数的缺点。模糊 PID 控制包括模糊化，确定模糊规则，解模糊等组成部分。小车通过传感器采集赛道信息， 确定当前距赛道中线的偏差 E 以及当前偏差和上次偏差的变化 Ec，根据给定的 模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出 PID 控制参数。 图 5.3 模糊 PID 控制流程图 模糊控制器主要由三个模块组成：模糊化，模糊推理，清晰化。具体如下图 所示。 25 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图 5

35、.4模糊控制步骤 我们采用的是PD 控制舵机转向，而实际发现只需要对 P 参数进行模糊化即满足小车运行需求。为减少不必要的参数，简化D 参数，我们不进行模糊化。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定。该方法需要依靠一定的数学模型，即通过一定的模型进行理论计算，最后确定控制器参数。但是，理论计算的方法所得到的数据常常是不能够直接运用到实际中的，其必须通过实际工程进行验证，并进行调整和进一步修改。二是工程经验整定。该方法主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易 于掌握，在工程实际中被广泛采用。 本系统的 PID 参数为通过上位机调试得来，具体调试方

36、法为：先将 PID 参数设置为经典参数，然后通过上位机观察速度曲线，不断改变 PID 参数，直至观察速度曲线发现其加减速时间很短，超调量很少，则说明此时的 PID 参数已 经基本比较合适，这样就确定出适合本系统的一组PID 参数。 5.3 速度控制速度控制并不像方向控制那样精确，只要在短时间内达到目标速度即可，而误差是允许的，因为作为智能车这个惯性系统来说，速度不会徒增骤减（与控制周期比较），因此我们使用了 PI 控制，经过调试，选择合适的 P 和 I 系数后，26 第五章 智能车软件设计说明加速可以很快也不会过冲，控制效果较好。 5.4 特殊赛道类型判断5.4.1 障碍检测我们采用了两个上下

37、对齐且水平放置的 TFmin Plus 进行判断，当靠近障碍物时，两个激光传感器会出现同等斜率的下降直线，由此可判断前方具有障碍。而锥桶表面微微倾斜，激光传感器接收到的数据会与障碍物有些许区别，但在某些的情况下可能会出现一两次符合障碍物的条件而误判，因此我们在判断障 碍的时候会进行连续几次判断，以减小误判。 5.4.2 苯环检测苯环入环处与水平线成 30，我们其中一对电感成内八放置，这样进入苯环时其中一个电感能够与苯环边垂直而感应到最大电动势，从而判断是否为苯环以及入环方向。 5.4.3 坡道检测小车在通过坡道时，因为坡道倾斜角大，两个激光传感器的读数差别较大， 与障碍物具有明显的区别。但此时

38、电感因比较靠近线而具有很大的感应值，可能会符合苯环的特征。因此坡道需要激光传感器和电感值同时进行判断以保证安全通过。 27 第六章开发环境和调试方法本章主要介绍设计中所需要用到的开发环境以及智能车制作时的一些调试 方法和经验。 6.1 开发环境开发环境包括硬件开发环境和软件开发环境，硬件开发环境我们主要使用的是 Altium Desiger18.0 版本进行开发。软件开发平台为IAR 开发软件，包括源程序的编写、编译和链接，并最终生成可执行文件。 IAR Embedded Workbench（简称 EW）的 C/C+交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。EW

39、对不同的微处理器提供一样直观用户界面。EW 今天已经支持 35 种以上的 8 位/16 位 32 位 ARM的微处理器结构。 EW 包括：嵌入式C/C+优化编译器，汇编器，连接，库管理员，编 辑器，项目管理器和 C-SPY 调试器中。使用 IAR 的编译器最优化最紧凑的代码， 节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产品竞争力。 6.2 调试工具程序的调试是利用 IAR 有线调试的，此外，我们也通过蓝牙模块将车模运行时的数据实时地发送到电脑上，通过观察小车运行时的各种数据分析小车运行状态。通过自行编写的程序实时查看小车运行数据，能够有效地了解程序对小车的 控制作用，从而准确到位地进行修改程序

40、。 在整个系统中我们主要用了 K60 以下几个模块：时钟PIT 、PWM、IO 模块、AD 模块、串口模块。 6.3 调试方法和经验6.3.1 硬件调试首先，我们要根据需要的技术指标，查阅大量资料，尤其是数据手册，进行元件选型，然后确立硬件制作的标准，对于每一个硬件模块，都有不同的设计要求， 比如单片机要求稳定工作、输入输出端口满足要求并适当备份；电源模块要 求供电稳定；传感器电路则要求几何精度和放大倍数满足要求等。 29 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告为了提高精度，不得不制作电路版，而把实验用电路板送到制板厂加工制作无疑会带来巨大的成本浪费，节约成本是我们制作智能车必须考虑的。因此

41、我们通过在搭建硬件前期，我们是通过做腐蚀板来测试的。在最终测试各个模块都没 问题的情况下，把电路板送到制板厂加工制作。 辅助调试工具：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PC 机。所以对于 PC 机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。 6.3.2 软件调试软件制作前期，做了严谨的理论推导工作，程序编写严格按照规范，先做流 程图，再做代码规划，然后才进行代码编写，最后调试的过程也很规范。 软件调试主要包括：程序在线调试法、逻辑分析法、参数实验和辅助工具法。在线调试通常是用IAR 自带的调试工具，通过加入断点、单步

42、执行等方法进行调试。逻辑分析法通常是把程序多余的计算当部分剔除，只对程序框架进行逻辑 推导，发现逻辑问题进行解决。 参数实验法一般是用于PID 等参数的确定，这种方法通常需要调试经验， 主要的数值确定使用的是两分法原理。利用辅助工具调试是在车速提高以后，对行驶状态进行分析的必要调试手段，我们采用了无线通信，将行驶数据的通过上 位机传回，然后再进一步分析。 30 第七章总结与展望由于我们组的队员都是第一次参加智能车比赛，且室外越野电磁组是一个新项目，所以一开始上手比较吃力。而且今年比赛新增加了路障以及锥桶，在一定程度上增大了竞赛的难度，但是在趣味性上有了很大的提升，对我们来说也是很 大的挑战。

43、今年比赛的规则不同于往年，预赛采取十分钟内无数次发车，决赛采取传统的三次发车。这样规则的制定使我们平时罔顾了稳定的重要性，而一味地追求速度。尽管我们在预赛的时候跑进了前三，但因不够稳定而导致决赛失利。虽然幸运进入国赛，但我们在后面的调车都将重心转至小车的稳定性，在保证稳定性的 基础上来提高车速、优化路径。 在小车的设计、制作和调试过程中，我们也是遇到了很多问题，虽然进入到了全国总决赛，但是还是存在一些缺陷。比如对于锥桶和路障的区分，以及稳定性方面还是存在一些问题等等。电磁组别区别于其他组别，它是靠识别电磁信号来识别道路的，车跑起来容易但是提速很困难，而且赛场上的变数也很多，所以提高赛车的稳定性和适应性非常重要，而且机械要做的精致，硬件电路要做的稳 定，这是小车能够驰骋在赛场上的基础。 从这次参加智能车大赛的经历，我们以后在其他科研工作中能够更加懂得如 何理论与实际结合，科学研发与完善。 31 致谢最后，借着书写技术报告的机会向帮助过