南强至远-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：厦门大学 队伍名称：南强至远 参赛队员：缪麓杰 邹杜娟 梁启慧 带队教师：罗锦才 朱 锐 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第十三届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和恩智浦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视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论中。 参赛队员签名：缪麓杰 邹杜娟 梁启慧 带队教师签名：罗锦才 朱 锐 日期：2019 年 8 月 19 日星期一 摘 要 本文以

2、全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了四轮 C 型智能车系统的硬件结构及软件开发流程。基于历年的智能车比赛情况，我们以 32 位单片机K66P144M180SF5V2 为核心控制单元，搭配 MT9V022 CMOS 摄像头、电感，红外等传感器进行智能车的设计。其中包括硬件设计和软件设计，硬件设计包括车模整体布局、传感器的选择安装、机械调整、电路板设计等，软件方面则包括采集与分析赛道信息、规划运行路径、合理控制速度等。 在设计过程中硬软件相互配合测试不同的传感器的优劣，比较不同设计方案的可行性以及优缺点，在经过蓝牙收集数据，MATLAB 进行数据分析以及上位机的设计调试，确定了现有的设计方案。 关键

3、词：恩智浦，智能车，K66P144M180SF5V2 目录第一章 引言1 第二章 机械设计2 2.1 舵机安装2 2.2 前轮定位2 2.2.1 主销后倾角2 2.2.2 主销内倾角3 2.2.3 前轮外倾角4 2.3 阿克曼角4 第三章 硬件电路设计6 3.1 单片机系统设计6 3.2 电源模块设计7 3.3 电机驱动电路8 3.4 电磁运放电路8 3.5 传感器的选择9 3.5.1 摄像头9 3.5.3 编码器9 3.6 主控-驱动一体板9 3.7 电磁运放10 第四章 软件系统设计11 4.1 磁场检测11 4.2 磁场信息获取与处理12 4.3 巡线原理12 4.4 圆环算法12 4.

4、5 PID 控制算法13 4.6 图像处理算法14 第一章 引 言 为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，教育部举办了以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨的全国大学生智能车竞赛，是一项鼓励创新的科技竞赛活动。智能车设计内容涵盖了多个领域和不同学科的知识，通过该比赛能很好的拓展大学生的知识面，培养大学生的综合素质，提高大学生的动手能力和创新能力。 在智能车开发过程中，大学生需要对已有的车模进行组装改装，完成智能小车的制作，在此过程中对嵌入式系统及单片机开发环境会有深入了解，对机械硬件、电路模块也能有清晰的认识。在智能车制作过程中基于 32 位单片机K66P144M180SF5

5、V2 我们需不断加入摄像头、红外发射等传感器以满足智能小车对复杂赛道信息的采集，通过编码器实时监控电机速度实现 PID 速控。在此过程中硬软件配合，团队协调，队员之间的交流合作显得尤为重要。 为了响应教育部号召，本校积极组队才加第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛。从 2018 年 9 月开始着手准备，经过一年学习与制作，在历经几代智能车发展设计出的智能车开发、调试平台上进行方案设计与算法优化，最终完成智能车的设计与组装。 本次报告主要介绍智能车硬件电路及车模机械的设计方案，以及相应软件控制系统建立的方式方法。 第二章 智能车机械设计 2.1 舵机安装 根据大赛组委会规定，本届比赛小白四

6、轮组使用 C 型车模，由于 C 型车模的原装舵机支架与车模地盘的距离太小，影响了智能车的转弯半径和车模的后续机械调整，限制了 C 车的运行速度，因此采用铜柱固定舵机，增加舵机与车模地盘的间距。其结构如下图所示。 2.2 前轮定位调整 四轮智能车在直线行驶时，转向轮若偶然受来自路面的外力作用，或舵机稍作转动而偏离直线行驶方向时，转向轮有自动恢复直线行驶的能力。转向轮的这种自动回正作用一般称为转向轮的稳定效应。转向轮的这种稳定效应是由转向轮轮的正确定位来保证的，也就是转向轮、主销和前轴之间的安装应具有一定的相对位置，这些转向轮的定位参数包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束等参数。 2.

7、2.1 主销后倾角 从侧面看车轮，转向主销(车轮转向时的旋转中心)向后倾倒，称为主销后倾角。 图 1 从侧面看车轮，转向主销(车轮转向时的旋转中心)向后倾倒，称为主销后倾角。后倾角对于车辆的转向有着重要的意义，一方面它决定车辆直线快速行使时的稳定性，另一方面它又决定着转向时方向盘的回正力度。相比之下，后倾角较小时，转向更为轻便，但是高速稳定性略差；而更大的后倾角则意味着低速转向比较沉，回正明显，但是高速稳定性好。 图 2 如图 2 主销后倾角用表示，规定向后为正，向前为负。正的主销后倾角能形成回正的稳定力矩。如图 2 所示，当主销具有后倾角时，主销轴线与路面交点 a 将位于车轮与路面接触点 b

8、 的前面， 当智能车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转（例如向右偏转如图中箭头所示），将使智能车行驶方向向右偏离。这时，由于车本身离心力的作用，在车轮与路面接触点 b 处，路面对车轮作用着这个侧向反作用力Fy。反力 Fy 对车轮形成绕主销轴线作用的力矩 FyL，其方向正好与车轮偏转方向相反。在此力矩作用下，将使车 到原来中间的位置，从而保证小车稳定直线行驶，故此力矩称为稳定力矩。 但此稳定力矩也不宜过大，否则在转向时为了克服该稳定力矩，舵机会受到较大的牵引力（即所谓转向沉重)。因稳定力矩的大小取决于力臂 L 的数值， 而力臂 L 又取决于后倾角的大小，因此应选择适当的后倾角。 2.

9、2.2 主销内倾角 从车前后方向看轮胎时，主销轴向车身内侧倾斜，该角度称为主销内倾角。当车轮以主销为中心回转时，车轮的最低点将陷入路面以下，但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个车模前部向上抬起一个相应的高度，这样车模本身的重力有使转向车应，因而车模容易回正。 复到原来中间位置的效此外，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而减小转向时舵机上的力，使转向更加轻便，同时也可减少从转向轮传到舵机上的冲击力。 主销内倾与主销后倾都有使转向轮自动回正、保持车辆直线行驶的作用， 二者的区别是：主销后倾的回正作用与车速有关，而主销内倾的回正作用几乎与

10、车速无关。因此，车在高速行驶时后倾的回正作用大，而低速行驶时主要靠内倾起回正作用。此外，直线行驶时，转向轮偶尔受到冲击而发生偏转时，也主要靠主销内倾起回正作用。2.2.3 前轮外倾角 当转向车轮安装在车桥上时，其旋转平面上方略向外倾斜，这种现象称为前轮外倾。车轮旋转平面与纵向垂直平面之间的夹角，叫前轮外倾角。前轮外倾角一般都很小，只有 1 度左右。前轮外倾角的作用是提高前轮工作的安全性和转向操纵轻便性、防止车轮出现内倾、减少轮毂外侧小轴承的受力防止轮胎向外滑脱以及便于与拱形路面接触等。车模一般将外倾角设定得很小，接近垂直。若设定大外倾角会使轮胎磨偏，降低轮胎摩擦力。 2.3 阿克曼角 阿克曼原

11、理的基本观点是汽车在行驶线行驶和转弯行驶过程中每个车轮的运动轨迹都必须完全符合它的自然运动轨迹，从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象。因此阿克曼转向要求前轮在转向时左右轮转角满足一定关系，此外调整出车模的阿克曼角可以保证车模转弯时两轮运行的轨迹是同心圆，减小轮胎的磨损，此外还可以使左右转弯半径相同。通过调整舵机的拉杆长度得到阿克曼角。 图 3 阿克曼角转向示意图第三章 硬件电路设计 硬件是基础，只有一个良好、稳定的硬件环境才能保证车能平稳快速的行驶。我们在整个系统设计过程中严格按照规范进行。本着可靠、高效的原则，在满足各个要求的情况下，尽量使设计的电路简单。 3.1 单片机系统设计 单片

12、机最小系统是智能车系统的核心控制部件。我们采用了 M4 内核 32 位的 K66 芯片。原理图如图 3.1 所示： 图 3.1 单片机系统原理图 3.2 电源模块设计 电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 全部硬件电路的电源由配发的标准车模用 7.2V 2000mAh Ni-cd 镍镉充电提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的

13、电压。为满足需要，本车模上存在 4 种供电电压： (1) 智能车使用镍镉充电电池，充满时电压在 7.88.2V。可直接用于电机以及舵机驱动供电。 (2) 使用稳压芯片 TPS 76850 输出电压 5V，用于红外、陀螺仪、蓝牙模块，舵机等供电。原理图如图 3.2.1 所示 图 3.2.1 稳压电路 7.2V-5V 原理图(3) 使用稳压芯片 TPS 76833 输出电压 3.3V，用于 OLED、蜂鸣器、编码器、摄像头、单片机等供电。 图 3.2.2 稳压电路 5V-3.3V 原理图 (4) 使用稳压芯片 MC34063 输出电压 12V，用于半桥驱动器 IR2104 的供电。 图 3.2.3

14、 稳压电路 5V-12V 原理图 3.3 电机驱动电路 在栅极驱动芯片选择方面，我们选择 IR2104 芯片，IR2104 芯片可以驱动高端和低端两个沟道 MOSFET，提供较大的驱动电流，并有硬件死区，防止同桥臂导通。使用两片 IR2104 可以构成一个 MOS 管全桥驱动电路，如图 3.5 所示。 3.4 电磁运放电路 运放我们采用了 OPA2350 芯片来实现一级放大电路 3.5 传感器的选择 3.5.1 摄像头 比赛所用的摄像头可以分为两类：一类为 CCD 摄像头，另一类为 CMOS 摄像头。CCD 摄像头图像对比度高、动态特性好，但供电电压比较高，需要 12V 的工作电压。在智能车的

15、实际运行中，电机加减速时会产生很大的冲击电流， 会对 12V 的升压模块造成冲击。同时 CCD 摄像头的耗电也比较严重，这会使拍摄的图像稳定性不高。 CMOS 摄像头，体积小，图像稳定性较高，只需 3.3V 供电，耗电量低，但动态性能不如 CCD 摄像头好。智能车高速运行时，摄像头拍摄的图像可能会变得模糊。但为了保证系统的稳定性，最终决定选用 CMOS 摄像头。 3.5.2 编码器 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器, 这也是目前应用最多的测速传感器之一。其获取信息准确、精度高、应用简单。 采用增量式 512 线光电编码器，其供电电压为 3.3V，

16、输出为小幅值的正弦信号。为了将此信号放大整形，设计了信号调理电路，其基本原理是使用一个运放做成比较器电路，调节参考电压，使输出变为 0V-3.3V 的方波信号，送入单片机进行运算。 3.6 主控-驱动一体板 在本系统中我们的电路板选用主控-驱动一体板，便于电路板的拆卸等工作。主要由电源稳压电路，电机驱动电路，OLED 屏与按键交互电路，单片机系统以及各个传感器接口等组成。实物图如图 3.6 所示 图 3.6 主控-驱动一体板 3.7 电磁运放 在本系统中我们采用前部安置运放模块 图 3.7 电磁运放模块 第四章 软件系统设计 完善的软件控制系统是智能车高速稳定运行的核心。通过使用数字式摄像头采

17、集赛道信息，并对采集的图像进行矫正处理，以获取准确的道路信息。通过电感电容构成谐振回路电路，采集电感值，根据电感值变化判断十字和圆环。通过分析采集到的图像数据，对智能车的转向和速度进行控制，使用经典PID 控制算法，并结合实际情况不断完善修改，实现对摄像头智能车的精确控制。 4.1 软件控制流程 初始化参数整定图像采集传感器采集数据处理舵机控制电机控制 4.1 磁场检测 根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。智能汽车竞赛使用路径导航的交流电流频率为 20kHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间，为 3kHz30kHz，波长为 1

18、00km10km。如下图所示： 图 1：电流周围的电磁场示意图 导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，这正是我们进行电磁导航的目的。由于赛道导航电磁线和小车尺寸 l 远远小于电磁波的波长，电磁场辐射能量很小（如果天线的长度 l 远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射功率正比于天线长度的四次方），所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此，我们将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，从而进行位置检测。 4.2 磁场信息获取与处理 在小车运动过程中我们不可避免的会遇到干扰，所以我们需要对

19、采集回来的信号进行滤波处理。我们既要滤除干扰信号减少误判又要防止滤除有效信号导致信息缺失反应迟缓，由此进行了以下操作： 每次中断采集 5 个数据，将这些数据进行冒泡排序，除去最大值和最小值，最后算得中间三个数据的平均值，就是我们计算需要的电感值。 为了使计算更加方便和增强场地适应性，我们还对采集的电感值进行了归一化处理，具体操作为： 归一化值=（采集的电感值-电感最小值）/（电感最大值-电感最小值） 4.3 巡线原理 巡线部分是软件系统的核心，本系统一共使用了五个电感，三个水平电感，两个竖直电感，我们利用水平电感(左电感、中间电感、右电感)进行差比和计算出误差 error，具体计算公式为： E

20、rror = ( left right ) / ( left + middle + right ); 再利用竖直电感（左边竖直电感、右边竖直电感）识别出十字和圆环，利用位置式 PD 算法，根据不同的赛道信息配合不同的 PD 值得到舵机输出，控制巡线。 4.4 圆环算法 在环岛处电感变化特别明显，但是如何判断大小环岛，把握入环岛时机实际操作比较困难，过往经验是竖直电感和圆环电磁线相切，相较于在其他赛道元素近乎于 0 的值，圆环处竖直电感的值（已归一化）会超过 0.5,此时便可以判断为进入圆环，且若左边竖直电感大于右边竖直电感，则判断圆环在赛道左边；右边竖直电感大于左边竖直电感，则判断圆环在赛道右

21、边。至于什么时候拐入环岛，则根据中间电感值，在环岛过程中，中间电感由于长直赛道和圆环赛道中电磁场的叠加，电感值会达到平时的两倍还多，但是如果小车由弯道拐入圆环，车身没有摆正，进入圆环范围，小车在赛道上内切或者外切，不在赛道正中央，测得的中间电感值由于偏离中线，实际也不会很大且最大值不一定处于圆环和长直道的切点处，或者当要左拐时，小车内切，左电感检测到圆环磁场，长直道磁场几乎没有，而右数值电感可能处于长直道中电磁线正上方或附近而获得很大的电感值，由此误判方向，向右拐入圆环。对此我们提出了另一种改进算法： 只靠某一刻的电感值来判断容易出现误判，所以我们使用了一个新的变量导数。在进入圆环的过程中，中间电感值持续增加，我们计算出这一刻值和上一刻值的变化，实际就是计算出中间电感的导数，当为正时，电感值持续增加，当为负时，电感减小，当导数值增大，电感变化率变大，数值减小，电感变化平缓。当检测到持续一段时间中间电感