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文档简介

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:山东大学(威海) 队伍名称:山威创意一队参赛队员:徐裕隆 袁广野徐家骏 韩植 李高铠带队教师:王小利 董晓舟目录目录3引 言1第二章 系统方案制定2第三章 机械结构制定23.1 平台的大小及材料选定23.2 抓取棋子机构的设计.- 4 -3.3 放置障碍机构的设计.- 4 -4.1 电路构成.- 6 -4.2 电路调试遇到的问题.- 7 -第五章智能车控制软件设计说明.- 8 -5.1 底层初始化.- 8 -5.2 寻线行驶算法实现.- 8 -5.2.1 定位算法 .- 8 -5.2.2 寻迹算法 .- 8 -5.2.3 基于位置式

2、 PD 的方向控制.- 9 -5.3 八皇后最优解算法实现.- 10 -第六章 测试结果. - 11 -总 结I引 言全国大学生智能车竞赛是一项以“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。该竞赛分竞速赛和创意赛两类比赛。竞速

3、赛是 在规定的模型汽车平台上,使用恩智浦半导体公司的8位、16位、32位微控制器作为核心控制模块,通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件, 制作一部能够自主识别道路的模型汽车,按照规定路线行进,以完成时间最短 者为优胜。创意赛在统一比赛平台上,充分发挥参赛队伍想象力,以特定任务 为创意目标,完成研制作品,以完成时间最短者为优胜。 在本次比赛中,本组采用恩智浦的K66芯片作为核心控制模块,imx8芯片作为平台,采用F摄像头和灰度传感器模块对赛道信息进行采集,通过PID算法实现方向控制,采用舵机、连杆机构和电磁铁实现棋子和障碍的抓放。 技术报告介绍了本车的机械结构设计、软硬件设计,以及控

4、制算法研究等, 共分为八章。其中,第一章为引言部分;第二章主要介绍了小车的系统方案制定;第三章对小车的机械结构进行了详细的介绍;第四章主要介绍了电路的设计;第五章描述了小车的软件设计和相关算法;第六章中叙述了小车的调试工具;第七章是我们小车主要参数;第八章是对我们小车的制作过程的总结。 1第二章 系统方案制定K66微控芯片IMX8芯片为满足比赛要求,需采用比赛规定范围内的芯片,NXP i.MX.RT 采集图像信息,用于循迹和特征识别。本组采用了图 1.1 所示的小车系统结构。NXP i.MX.RT 通过图像采集棋盘信息,得到小车当前位置。编码器用于测量小车当前的速度, 同时得到小车行驶距离。这

5、些数据通过 FTM 正交解码,NXP i.MX.RT 通过 UART 将图像处理之后的数据传输到 K66 中进行处理,微控制器将速度和方向控制量分别加在四个电机上,四个全向轮转动控制小车完成相应操作。完成棋子,障碍搬运到指定位置的任务。 编码器灰度传感器NXP i.MX.RT摄像头LCD电机与舵机驱动图 2.1 车模系统方案示意图 第三章 机械结构制定3.1 平台的大小及材料选定关于平台材料的选择由于抓取棋子以及摆放障碍的需要,对平台的尺寸与材料有一定的要求,所以我们选择了航空铝合金材料,在重量稍有增加的情况下I换来了极高的结构强度。底盘的尺寸为长 353mm 宽 353mm 高 155mm,

6、板材厚度5mm,其中平台与四个支柱之间设计了接插结构,保证了定位的准确和结构的牢固。为了使平台具有较好的稳定性,本平台还设计有悬挂机构,其原理是用一根轴将平台的两部分连接在一起,同时平台的两部分可以相对旋转,这样当平台的车轮遇到障碍时便可以进行攀越,此时由于悬挂机构的存在,平台的四个车轮可以始终保持在有附着面的情况,不会出现车轮悬空的情况,保证了平台的稳定性在确定了航空铝合金搭制的车模的大致结构后,我们对传感器的安装位置进行了合理分配,为了在正常的直行,旋转时更平稳的运行,我们对重量进行了合理的分配。图 3.1全车的结构图33.2 抓取棋子机构的设计由舵机、连杆机构和电磁铁组成,其中连杆机构的

7、结构参考了电力机车单臂式受电弓的结构,这种“之”字形连杆机构只需一个原动件则可以实现功能, 并且可以节省很多空间,同时这种结构即使在舵机旋转较小角度时机构末端也能获得较大的行程,电磁铁依靠继电器控制驱动,当电磁铁下降后继电器控制电磁铁通电,从而吸起装有铁片的棋子和障碍板。抓取机构的连杆部分采用了3D 打印技术,在保证结构强度的同时也使整个机构的质量变轻,这样对舵机的负担就会变小。抓取机构还被放置在平台下方,在符合规则的同时留出更多的上部空间用于放置电路板和摄像头,这样也能使平台的重心保持稳定进一步提高了平台的稳定性。 图 3.2 摆放旗子的“之”字型结构 3.3 放置障碍机构的设计借鉴抓取棋子

8、机构的设计,放置障碍的机构同样是由舵机、连杆机构和电磁铁组成。不过具体在实现时根据实际情况的需要有所不同。根据比赛的要求设计了同时放置两个障碍的装置。 - 12 -图 3.3 抓取障碍的结构 第四章电路设计4.1 电路构成我们的平台需要四个电机和三个舵机来完成任务,因此我们选用恩智浦公司的 K66 微控制器作为主控芯片,并使用了山外的核心子板。供电部分选用了LM2941S 和 AMS1117-3.3 来为芯片、舵机、继电器、编码器、灰度传感器、蓝牙、LCD 液晶屏等部分供电,选用这些芯片是因为它们的外围电路相对简单可以节省电路板空间。 图 4.1 电源模块 电机驱动部分我们选用了 BTN797

9、1B 芯片,由于创意组不强调竞速,因此可以忽略 BTN 芯片反应慢的缺点,从而带来节省空间的优点,这得益于其简单的外围电路。继电器电路参考了网上的原理图,如图所示 图 4.2 继电器模块 光耦芯片用于隔离芯片引脚和继电器控制电路,三极管作为继电器线圈的开关,二极管构成线圈的放电回路,发光二极管作为接通指示灯。 本平台还采用米尔科技公司的恩智浦 imx8 芯片开发板作为图像处理及算法运行平台,开发板采用 12V 电压供电,因此我们将其电源与主控板相连,与主控板使用相同电源,解决了需要双电源的问题。 4.2 电路调试遇到的问题我们的平台采用 12V 的锂电池作为电路板的电源输入,但是 LM2941

10、S 芯片的输入端使用的是耐压值 16V 的 47uF 钽电容,由于钽电容不能经受瞬间的大电流充放电,同时在电路板布局时把钽电容放得离电源输入太近,钽电容在没有隔离的情况下直接接通电源,电容发生爆炸,之后我们查阅了 2941 芯片的数据手册,得知输入端电容只在离电源较远时才需要。 图 4.3 LM2941S 原理图 因此没有再焊新的电容上去。继电器部分在调试时,我们发现光耦存在问题, 并不能像预期的那样工作,因此我们对电路进行改造,拆掉光耦与限流电阻, 短接上拉电阻让芯片直接控制三极管的基极,经过试验,电路可以正常工作, 改造后电路如图。 图 4.4 电路板背面钽电容 第五章智能车控制软件设计说

11、明5.1 底层初始化在程序开始时,对用到的模块进行初始化,如下uart_init(UART3,115200);/uart 初始化Ftm_pwm_init();/ftm 初始化 Gpio_init();/引脚初始化 5.2 寻线行驶算法实现5.2.1 定位算法因摄像头进行识别速度较慢,而灰度传感器识别率较高,所以我们采用车身周围的灰度传感器进行定位,而用摄像头进行寻线,以免走歪。先在最开始发车的地方定一个起始位置,当行进方向第一排的灰度传感器检测到白线时,立一个标志位,当第二排和第三排灰度传感器依次检测到白线时,记为行走过一个格子,用这种方法进行格子 x 与 y 数值的加减,以达到预期的位置。5

12、.2.2 寻迹算法本平台的寻迹采用 NXP i.MX.RT 模块,寻找赛道的直线进行寻迹,当需要转弯时,转动摄像头,节省了平台转动,提高了稳定性。 否灰度传感器读取信息是否到达目标点取放棋子确定坐标输出偏差根据白线计算中线找出图中白线摄像头读取图像图 5.1 循迹算法流程图 5.2.3 基于位置式 PD 的方向控制在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称 PID 控制,又称 PID 调节。 单位反馈的 PID 控制原理框图如下图: PlantControllerReuY图 5.2 单位反馈的 PID 控制原理框图 单位反馈 e 代表理想输入与实际输出的误差,这个误

13、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 u。 u = kp e + k i edt+ k dde (公式 1) dt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,这个过程就这样周而复始地进行。 将模拟 PID 控制规律进行适当变换后,以微控制器或计算机为运算核心, 利用软件程序来实现 PID 控制和校正,就是数字(软件)PID 控制。由于数字控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量,因此需

14、要 对连续 PID 控制算法进行离散化处理。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): 1 ne - e u n= k p(en +Ti e k k =1T + Td nn -1 ) ( 公 式 2) T其中 T 是采样时间,Kp、Ki 、Kd 为三个待调参数,在实际代码实现算法时, 处理成以下形式: 5.3 八皇后最优解算法实现由于预赛是排位赛设计,在车模速度一定的情况下,好的路径设计,可以使车模完成任务的时间得到一定程度上的缩短。八皇后问题:即任何两个板块都不能够处于同一行、同一列或者同一斜线上。 深度优先找出最优移动方案针

15、对此规则,我们编写程序,采用了状态压缩 dp 算法和递归找出八皇后最优解,然后通过 DPS 找出最短路径。这样在实际应用中,当知道识别出棋盘上棋子的坐标时,计算出最合适的 92 种八皇后方案中的一种,并得到行走路径(不含进棋盘和出棋盘路径,从拾起第一个棋子,到把最后一个棋子放到指定位置的所有路径)。然后通过 imx8 芯片计算出结果传给 k66 单片机。 记忆搜索和递归找出最优解读取棋子位置输出移动方案图 5.3 八皇后最优解流程 第六章智能小车主要参数及其测试结果一、主要参数车长(CM) 47 车宽(CM) 42 车高(CM) 50 车重(kg) 5 传感器种类及个数(个) NXP i.MX.RT 摄像头模块 1 个、灰度传感器 12 个 赛道信息检测频率(次/秒) 200 表 7-1 智能汽车技术参数表 二、测试结果经过实际测试,该算法可以成功找出八皇后的最优解,并设计一条最优路径减少行走步数。其测试结果如图6-1所示,其中红色加粗为棋子起始位置,黑色加粗为棋子应放置位置,箭头为车行进方向。图6-1 八皇后测试结果总 结参加“恩智浦”杯智能汽车竞赛之后,我们小组积极准备,一起讨论方案, 查找相关资料,设计机构,组装车模,编写程序,分析问题,最后初步完成了目标。 在此份技术报告中,我们主要介

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