河南大学民生学院龟速越野技术报告

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：河南大学民生学院队伍名称：龟速越野参赛队员：王超李文鹏张广毅带队教师：高伟韩现伟III目录第一章 引言11.1 竞赛概述11.2 室外电磁概况1第二章 方案设计22.1 系统总体方案设计22.2 系统总体方案设计图5第三章 智能车机械部分的设计与调整53.1智能车的整体布局53.23.33.4前瞻的设计与固定5电池及 PCB 板的安装6超声波位置的固定6第四章 硬件电路设计74.1 电源模块74.11 5V 稳压电路84.12 3.3V 稳压电路94.13 舵机稳压电路94.14 电源电路104.15 12V 升压电路104.16 供电管

2、理114.2 电机驱动模块124.21 单 MOS 驱动桥电路124.22 PWM 隔离电路134.3 电感采集模块134.4 终点检测模块14第五章 程序算法设计155.1 归一化方法15III5.2 对速度的闭环控制155.21PID 算法简述155.22 基于位置式算法的方向控制165.23 PID 参数整定165.3 赛道识别算法175.4 程序流程19第六章 开发工具、制作、安装、调试过程206.1 开发工具206.2 OLED 显示屏、按键调试20第七章 智能车的主要技术参数217.17.2智能车的外形参数21电路部分参数217.37.4传感器个数以及种类21除了车模原有的驱动电机

3、、舵机之外伺服电机数量217.5 赛道信息检测精度、频率22结论I参考文献II附录：程序源代码IIIIV第一章 引言1.1 竞赛概述中兴通讯，前车之鉴，历历在目。正如所说：发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。恩智浦智能车比赛已走过了 14 个年头，也将永恒的智能车精神传承了 14 年。 自第一届邀请赛以来，恩智浦智能车比赛始终以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，让上千所大学的学生更加热爱研究，热爱探索, 比赛凭借着理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，让更多优秀的人才的脱颖而出。起初，智能车的比赛组别是以所用传感器分类，例如摄像头组，光电组，电

4、磁组，而近年组别划分更为详细，分为了三轮直立，无限节能， 四轮组等。今年在第十四届智能车比赛上又新设了室外电磁组，室内创意组。随着时代技术的进步和竞赛难度逐年的增加，单一传感器的使用已经不被我们所倡导，摄像头，超声波，红外，激光雷达，陀螺仪等更多传感器的综合运用才让比赛更有观赏性，更加的有实际意义。 1.2 室外电磁概况第十四届恩智浦智能车比赛新增室外电磁组，在室外铺设电磁赛道。作为室外越野的第一年，软硬件都很不成熟，本组所选的 L 型车模也存在舵机不灵活的机械结构弊端，但是时间有限，并未对车模后轮加以改造，据初赛情况来看，改过后轮的车模在过直角时有着显著的优势。对于今年新增设的横断元素，各高

5、校所用避障传感器也不尽相同，超声波，激光雷达，红外三足鼎立。但超声波误判严重，效果及其不理想，红外传感器受阳光影响较大，效果也很不稳定。 本文中，本组将从整体方案设计，车模的结构设计，电路板电路设计，PID 及其他软件算法，参数整定及车模相关参数几个方面展开详细的论述，系统的阐述本组在车模机械结构搭建的创意和软件算法的创新之处，展现出对于闭环控制的一些自我理解1。 1第二章 方案设计2.1 系统总体方案设计第十四届恩智浦智能汽车竞赛，室外越野为新设组别，往届经验微乎其微， 无论从硬件的电路设计还是到参数的整定，完全是一个自我探索的过程。本组以飞思卡尔推出的 ARM-CORTEX-M4 为内核的

6、 32 位 MCU 作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。针对 L 型车模的结构，设计主控板，驱动板，采集板，停车检测板及超声波等传感器的放置及固定位置。此外，我们利用 k60 单片机的蓝牙，OLED 显示，独立按键等模块作为调试工具，还用上位机显示波形来进行 PID 调节2。 在方向控制上，用 10mH 电感和 6.8nF 电容谐振检测 20kHZ 电流产生的交变磁场，车体前瞻的六路电容传感器采集信号，信号经处理之后输入 K60 主控模块，再经 K60 内部 AD 进行模数转换后，控制算法计算输出 PWM 波控制舵机的转速以保证锁定赛道。 在速度控制上，通过编码器来检测车速，采用 K60

7、的输入捕捉功能进行脉冲计数来计算速度和路程；采用 PID 控制电机转速，输出 PWM 控制驱动电路调整电机的转速，完成智能车速度的闭环控制。 在停车控制上，通过霍尔元件来检测终点磁铁。利用全极性霍尔元件信号端遇磁变为低电平的特性，对车体进行停车控制。设计中处理元素列表见表 2.1。 表 2.1 圆环终点 速度控制赛道检测 车速获取 电感返回特征值 霍尔元件高低电平判断PID 控制 电感电容构成谐振回路电路 编码器 2赛道元素及相关问题处理方式简述 第二章 方案设计OLED 参数显示、上位机调试、按键调整 调试方式2.2 系统总体方案设计图 智能车作为一个整体系统，大致由机械结构、电路硬件、软件

8、算法三个主要部分组成，三个部分相互协作，才构成了一个完整的系统，三个部分的基本联系见系统总体方案框图 2-2。 AD 模块K60 微控制器单电机模块蓝牙模块直流电机测速 图 2.2 系统总体方案框图 智能车基本包括 K60 主控模块、电源电路、集成运放、电机驱动、蓝牙通信、OLED 显示、编码器、停车检测八大模块。各模块基本功能如下： K60 主控模块：智能车的核心模块，将采集前瞻六路电感、编码器，超声波的信号，由控制算法做出反映，驱动直流电机输出不同 PWM 波对智能车进行速度和方向的控制。 集成运放：将六路电感采集的电磁信号滤波放大，提前感知赛道的路径信息，为 K60 做出反映提供理论数据

9、。 电源电路：为各个电路模块提供稳定的直流电源，保证各个模块稳定工作。 电机驱动：驱动直流电机完成智能车的加减速控制和转向控制。 3上位机OLED电感值独立按键集成运放霍尔元件电平第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告编码器：对智能车的实时速度检测并反馈，实现对智能车速度的闭环控 制，以便调整智能车在直道和弯道上的行驶速度，使能够平稳的完成赛道个元素。 蓝牙通信：通过蓝牙将智能车的相关信息发送到上位机上，便于调试。OLED 显示：使用 OLED 显示屏显示超声波检测到物体的距离和六路电感采集到的数值，并通过独立按键和拨码开关实时调节参数。 停车检测：使用 6 个等间距的霍尔元件进行对终点磁铁

10、的检测，用 6 个霍尔元件使检测成功率接近 100%。 4第三章 智能车机械部分的设计与调整3.1 智能车的整体布局室外电磁作为第一年参赛，组委会并未规定车身的长度，宽度与高度限制， 也并未规定唯一的车模类型，使得我们设计与组装车时具有了很大灵活性。本组选择 L 型四驱越野车模，该车模采用 LS-540SM 马达，动力强，用仿真车差速设计，操作性更强，前轮采用中置四驱结构，舵机为 S-D5 模拟升级款，力矩 7.5 公斤，控制车模转向更精确、更快捷。车模整体布局见图 3.1。 图 3.1 智能车的整体布局图 3.2 前瞻的设计与固定关于前瞻的设计，本组采用质量较轻的碳素杆作为支架固定六路电感，

11、对于 前瞻的长度，起初为 30cm,但舵机打角慢，难以进入圆环，后来不断加长，但因为前瞻越长，电感地面越高而使采集到的信号微弱，最终将前瞻长度确定为 47cm。前瞻固定方式及电感固定位置见图 3-2。关于前瞻长度： （1） 短前瞻： 10-30cm。短前瞻,舵机臂的负载小，车身转向会非常稳定,但极大限制了速度。 5第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告（2） 中距离前瞻： 30-50cm。电磁组普遍选择的长度。此方案有效提高了车的检测距离，抵消舵机等延迟机构产生的滞后效应，大大提高了速度。（3） 长前瞻：50cm。适用于直道多、弯道少的赛道，极大提高车速。太长的前瞻可能 会造成系统超前调整，

12、舵机负载加重，由于转动惯量过大引起严重的侧滑等弊端。 图 3.2 前瞻和电感的固定图 3.3电池及 PCB 板的安装本组采用的是龙邱的香山红叶蓝色小型电池，体积小，充电快，便于安装与替换。车上所固定的有主控板，采集板，驱动板和停车控制板。根据 L 型车模的机械结构，主控板和驱动板采取上下两层固定，空间得到了充分利用，既降低了车的重心，又使外形美观，采集板放置在车身前部的上方，既缩短连接线的距离， 又便于调节滑动变阻器的阻值来改变放大倍数。由于霍尔元件检测磁铁距离的限制，为了使检测准确率高，我们将停车控制板固定于车模的底部的中前方。电池的安装位置见图 3.3.1,主板和驱动板的安装位置见图 3.

13、3.2，采集板的固定位置见图 3.3.3，停车控制板的安装位置见图 3.3.4。6第三章智能车机械部分的设计与调整 图 3.31 电池的安装位置图 图 3.32 主板和驱动板的安装位置图 7第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 3.33 采集板的固定位置图 图 3.34 停车控制板的安装位置图 3.4 超声波位置的固定第十四届恩智浦智能车竞赛新增设了横断这一赛道新元素，本组采用超声波作为识别横断的传感器，虽然误判几率很高，效果不如红外和激光雷达，但在算法上对超声波进行处理也可以作为识别横断的传感器。在华北省赛，本组采取固定于前方和侧面两个超声波进行判断。超声波固定位置见图 3.2。8第

14、四章 硬件电路设计4.1 电源模块主控板为 5V 稳压电路，3.3V 稳压电路，驱动板为 12v 升压电路。 4.11 5V 稳压电路采取 LM2940 作为稳压芯片，电路中电容起到一定滤波作用，防止震荡和稳压性能下降，使其输出为稳定的 5V 电压，如图 4.1 所示。 图 4.11 主板 5V 稳压电路图 4.12 3.3V 稳压电路常用转 3.3v 芯片为 AMS1117，本组采用 LM2937 芯片。如图 4.12 所示， C17 为一个滤波电容，防止电流过大而烧坏芯片，C18 为普通电容，并联在输出端，起到滤波作用，防止震荡和稳压性能下降，使其输出为稳定的 3.3v 直流电压。图 4.

15、12 主板 5V 稳压电路图9第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4.13 舵机稳压电路采用 AS1015 芯片进行稳压，如图 4.13 所示，输入输出端电解电容都是为了防止电流过大，对电路起保护作用，电感隔离滤波，也起分压作用，通过调节 VR1 电位器，使输出电压改变，同时发光二极管亮度也会发生变化。D0 为肖恩特IN5819 稳压二极管，利用其反向击穿，2 端电压不变特性，作为稳压器件使用。当输入电压或其他原因造成电路各点电压变动时，舵机输入电压基本不变。 图 4.13 主控板稳压可调稳压电路图 4.14 电源电路 图 2-15 电源电路图 如上图所示，当钮子开关 S5 与 3 连接时

16、，电源接通，与 1 连接，电源短接，电阻 R8 和 R9 和电解电容防止电源短接，烧坏 pcb。10第四章 硬件电路设计4.15 12V 升压电路采取 MC34063 芯片，电路如图 4.15 所示，其输出电压值是通过改变 R18 和R20 电阻值来调整的，其输出电压符合以下的公式： Vout=(1+R18/R20)*1.25V 公 式 1 电路中限流电阻取值为 0.22，因此，输入电流限制公式 Iin=V/R 公 式 2 MC34063 在不加三极管扩展电流的情况下其输出最大电流 1.5A，增加三极管可以使 MC34063 的输出电流得到很大提高，可以通过接大功率三极管来扩流。3 脚所接电容

17、为定时电容，改变其容量，可以调整内部电路的震荡频率，此电容容量越小，震荡频率越高。电解电容 C11，C12 为滤波电容来保证输出电压有较小的纹波输出。 图 4.15 12V 升压电路图 4.16 供电管理表 4.16 单片机舵 机 电 机 编码器OLED GPIO 超声波 3.3V 稳压电路 可调稳压（最高 7.2V） 12V 升压电路 3.3V 稳压电路 3.3V 稳压电路 5V 稳压电路 5V 稳压电路 11PCB 板所需电源模块供电电源模块 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告数模转换 蓝牙 5V 稳压电路 3.3V 稳压电路 4.2 电机驱动模块4.21 单 MOS 驱动桥电路IC

18、 是一个高压驱动芯片,驱动 1 个半桥 MOSFET。此半桥电路的上下桥臂是交替导通的,每当下桥臂开通,上桥臂关断时 Vs 脚的电位为下桥臂功率管 Q3 的饱和导通压降,基本上接近地电位,此时 Vcc 通过自举二极管 D6 对自举电容 C1 充电使其接近 Vcc 电压。当 Q3 关断时 Vs 端的电压就会升高,由于电容两端的电压不能突变,因此 Vb 端的电平接近于 Vs 和 Vcc 端电压之和,而 Vb 和 Vs 之间的电压还是接近 Vcc 电压。当 Q3 开通时,C1 作为一个浮动的电压源驱动 Q3;而 C1 在 Q3 开通其间损失的电荷在下一个周期又会得到补充,这种自举供电方式就是利用 V

19、s 端的电平在高低电平之间不停地摆动来实现的. 其中D1 是一个重要的自举器件,应能阻断直流干线上的高压,其承受的电流是栅极电荷与开关频率之积,为了减少电荷损失,应选择反向漏电流小的快恢复二极管，芯片内高压部分的供电都来自图中自举电容 C1 上的电荷;为保证高压部分电路有足够的能量供给，本组选取 C1 的大小为 1.5uf3。 图 4.21 单 MOS 驱动桥电路图 12第四章 硬件电路设计4.22 PWM 隔离电路由于驱动电路可能会产生较大的回灌电流，为防止对采集板产生影响，用隔离芯片进行隔离，隔离芯片选取 74lvc245，芯片常做控制总线驱动器，作用是提高驱动能力，满足一定条件后，输出与

20、输入相同，可进行数据单向传输，即单片机信号可以到驱动芯片。 图 4.22 PWM 隔离电路原理图 4.3 电感采集模块如图 4-3 所示，R7 为量程为 100k 的可调电位器，通过改变 R7 的阻值来改变放大倍数，该放大电路的放大倍数4: AU=(R7+R5)/R5公式 3最大放大倍数约为 330。输入端电容与 10uH 电感会产生谐振。比赛要求谐振频率为 20khz,频率5： f=1/2pi LCC3 的值约为 6.8nf。输出端稳压管起到整流作用。 公式 413第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图 4.3 采集板放大电路模块图 4.4 终点检测模块74HC30D 为 8 个输入端

21、2 个输出端的与非门，即当 6 个霍尔传感器任意一个引脚输出低电平，都会使 74HC30 芯片输出为高电平，对应的 2 极管就会显示发光。 该电路原理主要利用了霍尔效应，即当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。霍尔电位差 UH 的基本关系为：UH=RHIB/d。本车所用为全极性霍尔元件。磁场的任意一个磁极靠近它，输出低电位电压（低电平）或关的信号，磁场磁极离开它输出高电位电压（高电平）或开的信号。我们将 3 个磁铁间隔 2cm 放在终点用以停车控制7。 图 53 霍尔元件检测原理图14第五章 程序算法设计5.1 归一化方法室外电磁车会受到诸多因素

22、的干扰，来自外界因素包括幅值变化、电流频率变化，自身因素包括：电感值的差异性、电路不对称。因此，在采集传感器的返回值之前，要先对六路电感和其他电磁传感元件进行归一化处理，即通过软件调整权重使它们在相同的物理环境下得到同样的返回值。本组使用的归一化方法：（当前值-最小值）*100/（最大值-最小值）。代码如下： void uniformization(void)/归一化if(AD1 adc_1.max) AD1=adc_1.max; else if(AD1adc_2.max) AD2=adc_2.max; else if(AD2adc_3.max) AD3=adc_3.max; else if(

23、AD3adc_4.max) AD4=adc_4.max;else if(AD4adc_5.max) AD5=adc_5.max; else if(AD5adc_6.max) AD6=adc_6.max; else if(AD6160&AD390&AD2-AD570&AD5-AD20)/根据竖直电感判断是左进环还是右进环cross_right_flag=1; /左转else if(AD5-AD2)0)cross_right_flag=3; /右转else if(abs1(sub3)=30)/直道left_right_flag=2;cross_counter=1; cross_right_flag

24、_old=cross_right_flag;else if(AD1+AD6=0;i-) /必须是递减的distence_storei+1=distence_storei; distence_store0=distence_old;distence_sum_weight=distence_store0*15/25+distence_store1*4/25+distence_store2*3/25+distence_store3*2/25+distence_store4/25;void speed_analy(void)int i=0;int distence_abs;int32 distence

25、_abs_sum4=0,0,0,0;/绝对之和，前 10，中 10,后 10 清零故在内部定义distence_abs 每 次 =distence; distence_abs_sum0=distence_abs;for(i=0;i30;i+)distence_abs_sum0=distence_abs_sum0+abs1(distence_storei);distence_abs_sum0=distence_abs_sum0/30; if(distence_abs_sum030|AD630)/确保在赛道上if(hengduan_jin=1)/绕出赛道标志位hengduan=1;if(hengd

26、uan_chu=1)/绕进赛道标志位hengduan=0;/横断路障标志位hengduan_chu=0;/绕进赛道标志位，清零说明重新驶入赛道if(AD1+AD2+AD5+AD6)50&dis130|AD630)/太小的话有些直角会误判，数值电感达到拐弯条件但是水平电感阻止拐弯angle90=0; if(AD180|AD680)/直道left_right_flag=0;/直道标志位else if(abs1(sub3)20)left_right_flag=3;/右转else if(AD1-AD6)20)left_right_flag=1; /左转left_right_flag_old=left_right_flag;else if(AD215|AD515)IV/直角十字方向修正，根据斜电感，垂直电感，水平电感，差，和，值综合处理angle90=1;/直角标志位if(AD2-AD5)5)/利用竖直电感判别直角angle90_fl