技术报告-三轮组-联大一队

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：淮南联合大学队伍名称：一队参赛队员：刘家祥 郑鹏 苏安心蒋慧带队教师: 李娟4 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 14 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：刘家祥 郑鹏 苏安心带队教师签名：李娟 蒋慧 日期：2018/8/12 目录第一章引 言1第二章 机械结构32.1 电池位置、整体结

2、构32.2 传感器位置52.2.1 电感安装52.2.2 陀螺仪 &加速度计安装62.2.3 编码器的安装72.2.4 红外测距模块的安装82.2.5 漫反射激光传感器的安装92.2.6 系统电路板的固定及连接10第三章 硬件电路的设计123.1 电源管理模块123.2 驱动电路设计13第四章 算法理论154.1 直立控制174.2 PID 控制算法174.3 串级控制204.4 车模速度控制21第五章 开发工具、制作、安装、调试225.1 开发工具226 5.1.1 硬件开发工具225.1.2 软件开发工具225.2 软硬件调试245.2.1 硬件调试245.2.2 软件调试24第六章 模型

3、车的主要参数256.1 车模参数信息25第七章 总结26参考文献27附录281.电路板详细设计原理图282.程序部分代码30 第一章 引 言第十四届全国大学生“恩智浦” 杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越” 的指导思想，鼓励创新的一项科技竞赛活动，竞速组别不再划分比赛大类。相比于以往的规则，比赛组别中不再按照传感器进行划分，即不再区分电磁类、光电类的 组别了。具体包括有：A. 小白四轮组； B. 变形三轮组；C. 断 桥相会双车组；D. 飞毛腿节能组；E. 横冲直闯信标组；F.室外越野 电磁组。变形三轮组要求在规定的汽车模型平台上，使用恩智浦 半导体公司的微控制器作为核

4、心控制模块，通过增加姿态传感器、道 路识别传感器、电机驱动模块以及编写相应的控制程序，制作完成一 个既可以保持两轮直立姿态，能够自主识别道路的平衡车，又能改变 为三轮姿态。智能汽车竞赛的赛道路面为宽度不小于 45c m 的白色 面板，赛道中间有一根通有 100MA、20KHZ 的交流电的导线作为引导 线，参赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短的时间完成单圈 赛道。本次比赛中，我们使用大赛组委会统一提供的 D 车车模，采用山外 MK60DN 为核心控制器，驱动电机是原车模电机，MPU6050 作 为姿态传感器，自主构思姿态控制，速度控制和转向控制方案，引导 车模按照规定路线识别行进。在报告中

5、，我们通过对整体方案、机械、 硬件、算法等方面的介绍，详细阐述了我们在此次智能汽车竞赛中的 1 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告思想和创新。包括电路设计、算法及辅助调试模块、机械结构等等。2 第二章 机械结构对于变形三轮由三轮车改变姿态成为的平衡车，要想实现高 速稳定的运行，机械结构应当做到使重心保持在一定的位置，不宜过 高或者过低，过高会导致在高速转弯时出现抬轮甚至翻车，过低会导 致车模角度变化带来的重心变化过小，从而无法很好的控速，要想转 弯灵活，机械结构应当使重心尽可能的集中，以减少车模转动惯量。2.1 电池位置、整体结构为了使重心降低，我们将电池放置在了车模后方的位置，并把器件

6、集中在车模电机正上方，在车模运行过程中尽量使电池和车的底盘和电机质量关于车轴对称，让车模的平衡位置尽量上仰，这样可以使车模运行时重心更低，更稳定。同时使用合金制作了电池支架。车模结构、电池安装如图 2.1 所示：3 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 2.1 图 2.1 4 第二章 机械结构2.2 传感器位置2.2.1 电感安装为了能更加细致操作，我们用了 6 个电感器件，了电感是小车 获取路径信息的传感器，需要一个稳定的安装方式以获得更稳定的数据，我们采用碳纤维杆做主支架和前瞻，以能减小前面的重量。另外我们还使用可调节前瞻的塑料器件，这样一方面使前瞻更简洁，另一方面也使前瞻的灵活性

7、增强，并且相对于使用碳纤维杆三角形固定的方法这种能很好的减轻前瞻重量。我们的主杆使用车底板留下的孔进行固定，并且用热熔胶加强固定，这样能使主杆与车模完全固定在一起。下面是图 2.2.1： 图 2.2.1 5 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2.2.2 陀螺仪 &加速度计安装陀螺仪和加速度计用于测量车模姿态，需要和小车紧密相连，对于加速度计，为了减少运动产生的噪声，需要安装的尽可能靠近车轴，对于陀螺仪，则需要保证完全水平安装，否则转弯时会产生竖直方向的分量，形成加减速的现象，陀螺仪同时也测量了车模转弯时的角速度用来进行转向微分控制。由于我们使用MPU6050 为陀螺仪，加速度计以及磁力计

8、一体的。最终我们决定将它放在两个电机中间，并且垂直于车模正常跑时的角度，安装图 2.2.2 如下： 图 2.2.2 6 第二章 机械结构2.2.3 编码器的安装小车选用编码器进行速度的测量。D 车模具有双电机，需要两 个相同的编码器对两个电机分别进行速度的测量，以便获得精确的小车运行状态。根据编码器的形状，选择合适的支架，将编码器用螺钉通过支架固定在后轮支架上，这样固定好之后，就有了较高的稳定性。然后调节编码器齿轮，使其与电机输出齿轮紧密咬合，增大测速的精确性。但是齿轮咬合过紧也增大了摩擦，减小了对电机做功的利用率，影响小车的快速行驶，因此减小摩擦同时增强齿轮间的咬合是我们主要考虑的因素。下图

9、 2.2.3 是安装位置： 图 2.2.3 7 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2.2.4 红外测距模块的安装今年赛道上加入路障这一道具的规则，于是我们在车的前端加入了红外测距模块，有“兵来将挡，水来土掩”的意味，以便能检测到路障，并且去完美的避开它，由于今年是变形三轮组，所以一个红外测距模块是不够的，所以在我们的车模调至两轮平衡之后，我们找准角度安装，使得不管是三轮模式还是两轮模式都会有一个模块是与地面是水平的，为了使前端减轻重量，采用了热熔胶来固定 下图 2.2.4 所示： 图 2.2.48 第二章机械结构 图 2.2.4 2.2.5 漫反射激光传感器的安装今年有了要在断路区改变形

10、态的规则，三轮改两轮，两轮改三轮，因为断路区和赛道的地面的颜色有很大差别，我们采用了漫反射激光传感器模块来应对，为了重心和重量集中于车轴，我们把此模块放在右侧车轮的前端，如图 2.2.5 所示：9 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 2.2.5 2.2.6 系统电路板的固定及连接为了使车模尽可能地重量尽可能地减轻，我们的电路板相对紧凑， 没有用来打孔安装的地方，所以采用了用热熔胶固定，牢固性在我们 考虑范围之内。下图 2.2.6 所示：10 第二章机械结构图 2.2.611 第三章 硬件电路的设计3.1 电源管理模块稳定的电压和合适的电流是电源的首要指标，它是整个硬件系统的心脏，电源

11、模块的布线应该特别设计，7.2V 大电流应用足够宽的线布线。相应 5V 线可略微细些，最细的是信号线。电源的波动 会带来很多问题，比如电池没有必要的损耗、单片机复位、电机反应迟钝、比较电压的不稳定等问题，因此即使和周边硬件电路做在和了一起，也必须优先考虑。智能车所需的电源电压有 3.3V、5V7.2 V。下图 3.1 为智能车所需要的模块及其供电。 图 3.1根据规划，5V 和 3.3V 供电我们选择了TPS7350，比起 7805，2940 的优点是低压差稳压，它的稳压压差可以小于 500mV，这样12 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告保证电池在低电压的情况下，仍能使单片机和传感器正

12、常工作，同时，TPS7350 的输出电流可以达到 500mA 足够供应放大电路和键盘显示电路的工作。设计原理图如图 4.2 所示。我们使用的 5V 稳 压芯片是TPS7350，TPS7350 相比于其他芯片（7805，2940 等）最显著的特点就是低压差稳压，稳压压差可以小于 100mV，这样的 设计可以是我们的智能车在低电压情况下仍可以正常工作，而TPS7350 的输出电压非常精确，可达 5.0V2 。这样可以避免因 为不及时检测电压，使得小车不稳定从而发生复位、碰撞等不必要危险。下图 3.12 为我们所使用的TPS7350 的原理图。3.12 3.2 驱动电路设计驱动电路为智能车驱动电机提

13、供控制和驱动，这部分电路的设13 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告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 桥驱动电路有：H 桥集成电路，如MC33886；集成半桥电路，如BTS7970 等；MOS 管搭建的H 桥电路。据测MC33886 的优点是电路简单，外围元件少，但缺点是内阻较大，通过电流有限，可以通过两片MC33886 并联的方式进行改善。MOS 管搭建的H 桥电路，通过全桥HIP4082 来控制MOS 管的通断来控制电机。虽然MOS 管的体积相对较大，但是可以通过很大的电流。该MOS 管驱动电路主要是基于HIP4082 芯片设计，支持

14、最大电流值150A。最终我们选择了用两片HIP4082 来控制两个电机。MOS 管采用的低压大功率150AMOS 管，电流不会出现不足的情况，远远大于智能车电机需求。电路原理图如图3.2所示。 图3.214 第四章 算法理论变形三轮车车模控制部分主要有传感器信息采集预处理、姿态速度两轮直立车模控制部分主要有传感器信息采集预处理、姿态速度两轮直立车模控制部分主要有传感器信息采集预处理、姿态速度以及特殊赛道的处理 。车模姿态控制包括直立环、速度环和方向环三个闭环，这三个环相互影响，相互制约，为了使车模高速稳定运行，需要综合考虑很多因素，确定这三个环的控制方法，下面将介绍我们的控制方式。软件系统是对

15、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”。下图 4 是程序流程图：15 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图 416 第四章 算法理论4.1 直立控制车模直立控制包括姿态检测、直立 PD 控制，姿态检测使用加速 度计和陀螺仪互补滤波完成，通过 PD 控制使车模直立。 使用卡尔曼滤波对陀螺仪测得的角速度信息和加速度计信息进行融合，获得较为准确抗干扰的姿态角。 陀螺仪测得的角速度，可提供瞬间动态角度变化，动态特性极好且不受干扰。对

16、陀螺仪测得的角速度在时间上积分，可以获得较为准确的实际角度变化。但是由于陀螺仪容易受温度产生漂移，同时c 语言实现的积分为离散数学积分，长时间运行后积分得到的角度会有累计漂移。加速度计可以测得重力加速度向量R 在x、y、z 轴分别的分量Rx、Ry、Rz。 但是由于加速度计受动态噪声影响极大，在小车运行时本身运动 加速度及齿轮震动的干扰下，解算出的角度会产生极大的噪声。为了 获得最佳角度，应将两种传感器数据融合，消除陀螺仪角度的温漂和 加速度计角度的动态噪声，为控制系统获得最优姿态输入。卡尔曼滤 波使用预测值和测量值以及过程噪声测量噪声，优化出当前最优预测 值。简言之，陀螺仪和加速度计哪个值得相

17、信，我们就更相信哪个。4.2 PID 控制算法PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，他是根据被控 17 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告过程的特性确定 PID 控制器的比例系数（Kp）、积分系数（Ki）和微分系数（Kd）的大 小。PID 控制器整定的方法很多。我们采用上位机示波器观察各参数变化的软件观察曲线法来整定 PID 参数，以 先比例后积分再微分的调整顺序。先整定比例部分，去掉积分和微分 项，使之成为纯比例调节，比例系数由 0 开始，观察示波器图像， 直至系统出现振荡；加入积分控制，先置积分系数一较大值，并将第 一步整定得到的比例系数略微缩小，然后减小积分系数，使在

18、保持系统良好动态性能的情况下，静态误差得到消除；加入微分控制。在 第二步的基数上继续的增大 Kd，同时相应地改变比例系数和积分系 数，观察示波器图像， 以获得满意的调节效果和控制参数。 单位反馈代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到控制 器，控制器算出误差信号的积分值和微分值，并将它们与原误差信号 进行线性组合，得到输出量： dedti u = K e + Kedt + K（4-2 1 ） pd其中， Kp、 Ki 、 Kd 分别称为比例系数、积分系数、微分系数，U 接着被送到了执行机构，这样就获得了新的输出信号 ，这个新的输出信号被再次送到感应器以发现新的误差信号，这个过程就这样周

19、 而复始地进行。数字控制系统中， PID 控制器是通过计算机 PID 控 制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。进入计算机的连续-时间信号，必须经过采样和整量化后，18 第四章 算法理论变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中 的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。用矩 形数值积分代替上式中的积分项，对导数项用后向差分逼近，得到数 字 PID 控制器的基本算式（位置算式）： nk =1e - e 1Ti（4-22 ） n + U n= K (epT + Te nn-1T)kd其中 T 是采样时间， Kp、 Ki 、 Kd 为三

20、个待调参数。 对位置式加以变换，可以得到 PID 算法的另一种实现形式（增量式）： + TdDU = U -U= K (e - e) + 1 e(e - 2e+ e)（4-2 3 ） nTnn-1n-2nnn-1pnn-1Ti因为增量式 PID 具有以下优点： （1）由于计算机的输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法关掉。 （2）手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算 机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能 保持原值。 （3）算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定仅与最近 k 次的采 样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效

21、果。但增 量式 PID 也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。使用时，常选择带死区、积分分离等改进 PID 控制算法。 19 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 4.3 串级控制串级控制系统是指两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。 采用串级控制方案的优点有以下几点： 1.对负荷或操作条件的变化具有一定

22、的自适应能力。 2.由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及时。 3.对二次干扰具有很强的克服能力，对克服一次干扰的能力也有一定的提高。 20 第四章 算法理论4.4 车模速度控制由于速度环是对直立环的一个干扰，传统方案是速度环输出直接叠加到最终 PWM 输出，但是这种方法容易对其他环造成干扰，因 此采用直立速度串级效果会好点，也就是把速度环的输出直接叠加到直立环角度上即可，这种方法通俗易懂，简单好用。但是我们考虑到全程车速以及车本身没有机械零点的情况下决定速度开环，直接给定直立环一个固定角度，如果直立环比较稳定的情况下全程速度也是可以大概控制住的，不会超速太多

23、。如果超速太多我们可以在直道稍微控速，最简单的办法就是在直道改变角度偏移抑制过快的加速。 21 第五章 开发工具、制作、安装、调试5.1 开发工具5.1.1 硬件开发工具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 Desiger16.1.12 版本进行开发。对于某些 需要仿真的地方，我们选用了protues 进行简易的仿真。下图： 5.1.2 软件开发工具程序的开发是在组委会提供 IAR 下进行的，包括源程序编写、 译和 链接，并最终生成可执行文件。IAR Systems 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

24、的产品和服务涉及到 嵌入式系 统的设计、开发和测试每一个阶22 第七章 总结段，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、开发套硬仿真器以及状态机建模 工具。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 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，项目管理器和 C-SPY 调试器中。使用 IAR

25、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。下图 5.1.2 是软件开发界面： 图 5.1.223 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告5.2 软硬件调试5.2.1 硬件调试我们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。5.2.2 软件调试根据资料对当前行驶状态分析，然后按照理论进行调整，调整的 原则是尽量固定其他环节包括测试环境，只改变

26、一个环节，然后进行 试跑，记录下状态，然后反复调整，试跑，总结规律。图 5.2.2 24 第六章 模型车的主要参数6.1 车模参数信息车长：298mm； 车宽：247mm； 车高：140mm； 传感器种类及数量 ： 电感*6、陀螺仪*1、编码器*2、红外测距模块*2、漫反射激光传感器*1 电 池 容 量 ：2000mAh 赛道信息检测 ：5ms/次 赛道信息检测精度 ：5mm 增加的伺服电机：无所有电容总容量：1500uF25 第七章 总结总结下来，我们做的主要工作有：单片机各功能模块的学习和深 入了解；调试设备和手段的完善；机械调校的理论学习和实践；控制 方法的理论学习和深入研究；赛车的稳定

27、性；软件设计的完善。我们克服了各种困难，在艰苦的条件下，取得了现在的成绩是所 有参与成员努力的结果。另外，我们还获得了宝贵的经验，树立了科 学的思维方式和工作方法，个人能力也得到了极大的锻炼，大学生活 也变得充实。在这个过程中，每个人都结下了深厚的友谊，留下了难 忘的记忆。在收获的同时，我们也看到了不足。首先，我们在某些基 础实验上下的功夫还不够，在机械方面还有明显的不足。从目前的状 态来看，我们的小车还有巨大的潜力可以发掘。为此，我们还需要做 的具体工作主要包括：仪表放大电路的设计及参数确定；电磁传感器 电路的设计及参数确定；机械部件的设计、加工与制作；各种电路的 实验与设计；控制算法和程序

28、设计的研究及编写、调试；大量理论研 究和基础测试。26 参考文献1 关于举办第十四届全国大学生“恩智浦”智能汽车竞赛. 2 第十四届全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛竞速比赛规则与赛场纪律. 3 电子技术基础模拟部分北京, 高等教育, 2014 4 邵贝贝. 单片机嵌入式应用的在线开发方法. 北京, 清华大学, 2001 5银, 龚光华, 王云飞等. Motorola(Freescale)微控制器 MC68HC08 原理及其嵌入式应用(新版). 北京, 清华大学,1993 6 卓晴, 黄开胜, 邵贝贝等. 学做智能车. 北京, 北京航空航天大学, 2001 7 潘新民, 王燕芳. 微型计算机控

29、制技术. 北京, 高等教育, 2001 8 何立民. 单片机应用系统设计. 北京, 北京航天航空大学, 1997 9 谭浩强. C 程序设计(第二版). 北京, 清华大学10 S9KEAZ128ACLK datasheet , 2001 11 TP37350 datasheet12 HIP4082datasheet13电子技术基础数字部分北京, 高等教育, 201414 胡寿松.自动控制原理（第五版）.科学，2007. 15 卓 晴.电磁组直立行车参考设计方案，2012 27 附录1.电路板详细设计原理图主板原理图驱动原理图28 附录29 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告运放原理图2.

30、程序部分代码void main(void) 30 附录 / led_init(LED0); / led_init(LED1); uint8 var4; adc_init(AMP1); adc_init(AMP2); adc_init(AMP3); adc_init(AMP4); Site_t site ; lcd_init(GREEN); ASSERT(enter_init(); site.x = 0; 31 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 site.y = 0; lcd_str(site, P, WHITE, BLUE); site.y = 20; lcd_str(site, PD

31、, WHITE, BLACK); /英文显示 8*16 site.y = 40; lcd_str_ch(site, 大学, WHITE, BLACK); ftm_pwm_init(FTM3, FTM_CH0,10*1000,0,FTM3_CH0_PIN); ftm_pwm_init(FTM3, FTM_CH1,15*1000,30,FTM3_CH1_PIN); ftm_pwm_init(FTM3, FTM_CH2,15*1000,30,FTM3_CH2_PIN); ftm_pwm_init(FTM3, FTM_CH5,10*1000,0,FTM3_CH5_PIN); /printf(n*FTM

32、 正交解码 测试*n); ftm_quad_init(FTM1,FTM_PS_1,FTM1_QDPHA_PIN,FTM1_QDPHB_PIN); /左编码器，输出负数前进 ftm_quad_init(FTM2,FTM_PS_1,FTM2_QDPHA_PIN,FTM2_QDPHB_PIN); /右编码器，输出正数前进 32 附录 pit_init_ms(PIT0, 5); set_vector_handler(PIT0_VECTORn ,PIT0_IRQHandler); enable_irq (PIT0_IRQn); port_init(PTD2, ALT1 | IRQ_FALLING | P

33、ULLUP ); set_vector_handler(PORTD_VECTORn ,PORTD_IRQHandler); enable_irq (PORTD_IRQn); while(1) led(LED0, LED_ON); led_turn(LED1); DELAY_MS(500); led(LED0, LED_OFF); led_turn(LED1); DELAY_MS(500); 33 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 var0 = adc_once (AMP1, ADC_8bit); var1 = adc_once (AMP2, ADC_8bit); var2 = adc_once (AMP3, ADC_8bit); var3 = adc_once (AMP4, ADC