飞思卡尔智能车光电组技术报告.doc

1、1第 十 届 全 国 大 学 生 “飞 思 卡 尔 ”杯 华北 赛智 能 汽 车 竞 赛技 术 报 告目 录目 录 .1第 一 章 方 案 设 计 11.1 系 统 总 体 方 案 的 选 定 .11.2 系 统 总 体 方 案 的 设 计 .11.3 小 结 1第 二 章 智 能 汽 车 机 械 结 构 调 整 与 优 化 22.1 智 能 汽 车 车 体 机 械 建 模 .22.2 智 能 汽 车 传 感 器 的 安 装 32.2.1 速 度 传 感 器 的 安 装 32.2.2 线 形 CCD 的 安 装 42.2.3 车 模 倾 角 传 感 器 .52.3 重 心 高 度 调 整 52

2、.3.1 电 路 板 的 安 装 52.3.2 电 池 安 放 .52.4 其 他 机 械 结 构 的 调 整 52.5 小 结 6第 三 章 智 能 汽 车 硬 件 电 路 设 计 .73.1 主 控 板 设 计 73.1.1 电 源 管 理 模 块 .73.1.2 电 机 驱 动 模 块 83.1.3 接 口 模 块 .143.2 智 能 汽 车 传 感 器 153.2.1 线 性 CCD 传 感 器 153.2.2 陀 螺 仪 .153.2.3 加 速 度 传 感 器 163.2.3 编 码 器 .173.3 键 盘 ， 数 码 管 .183.4 液 晶 屏 203.5 小 结 20第

3、四 章 智 能 汽 车 控 制 软 件 设 计 .214.1 线 性 CCD 传 感 器 路 径 精 确 识 别 技 术 214.1.1 新 型 传 感 器 路 径 识 别 状 态 分 析 2234.1.2 线 性 CCD 传 感 器 路 径 识 别 算 法 234.2 弯 道 的 处 理 244.2.1 弯 道 策 略 分 析 .244.3 对 速 度 的 闭 环 控 制 .244.4 障 碍 的 处 理 264.5 小 结 .26第 五 章 开 发 工 具 、 制 作 、 安 装 、 调 试 过 程 275.1 开 发 工 具 .275.2 调 试 过 程 .27第 六 章 模 型 车 主

4、 要 参 数 .296.1 智 能 汽 车 外 形 参 数 .296.2 智 能 汽 车 技 术 参 数 .29结 论 30参 考 文 献 321第 一 章 方 案 设 计本 章 主 要 介 绍 智 能 汽 车 系 统 总 体 方 案 的 选 定 和 总 体 设 计 思 路 ， 在 后 面 的章 节 中 将 整 个 系 统 分 为 机 械 结 构 、 控 制 模 块 、 控 制 算 法 等 三 部 分 对 智 能 汽车 控 制 系 统 进 行 深 入 的 介 绍 和 分 析 。1.1 系 统 总 体 方 案 的 选 定本 届 智 能 汽 车 大 赛 光 电 组 比 赛 对 传 感 器 有 着

5、严 格 的 规 定 ， 用 到 了 线 性ccd,但 是 由 于 需 要 镜 头 成 像 ， 所 以 会 带 来 成 像 失 真 ， 静 电 干 扰 严 重 等 问 题 。由 于 平 衡 车 的 特 殊 性 ， 车 身 在 循 迹 前 进 的 过 程 中 ， 必 须 保 持 车 身 的 平 衡 。 根据 最 基 本 保 持 车 身 平 衡 的 基 本 原 理 ， 我 们 需 要 知 道 车 身 当 前 的 角 度 和 角 速 度 。因 此 在 保 持 车 身 平 衡 方 面 ， 我 们 确 定 以 加 速 度 计 作 为 角 度 传 感 器 ， 陀 螺 仪 作为 角 速 度 传 感 器 。 另

6、 外 ， 车 身 转 向 控 制 方 面 ， 我 们 组 没 有 使 用 陀 螺 仪 作 为转 向 反 馈 。 这 样 会 让 车 转 弯 不 连 续 和 平 滑 ， 最 重 要 的 是 限 制 了 车 模 的 速 度 ，不 用 转 向 陀 螺 仪 车 模 的 极 限 速 度 大 概 率 在 一 米 三 左 右 。 有 了 转 向 的 陀 螺 仪 可以 2 米 以 上 。1.2 系 统 总 体 方 案 的 设 计遵 照 本 届 竞 赛 规 则 规 定 ， 智 能 汽 车 系 统 采 用 飞 思 卡 尔 的 32 位 微 控 制 器MK60DN256ZVLL10 单 片 机 作 为 核 心 控

7、制 单 元 用 于 智 能 汽 车 系 统 的 控 制 。线 性 CCD 采 集 赛 道 明 暗 信 息 ， 返 回 到 单 片 机 作 为 转 向 控 制 的 依 据 。 加 速 度计 &陀 螺 仪 返 回 的 模 拟 信 号 作 为 车 身 当 前 角 度 的 信 号 。 主 控 输 出 PWM 波控 制 电 机 的 转 速 以 保 持 车 身 的 平 衡 和 锁 定 赛 道 。 同 四 轮 车 不 同 ， 平 衡 组 需 要使 用 左 右 轮 的 差 速 来 转 弯 。 为 了 控 制 的 准 确 性 和 快 速 性 ， 我 们 使 用 编 码 器 作为 速 度 传 感 器 。 编 码

8、器 返 回 的 信 号 可 以 形 成 闭 环 ， 使 用 PID 控 制 电 机 的 转速 。 平 衡 组 强 烈 的 加 减 速 会 导 致 车 身 的 倾 角 剧 烈 的 变 化 ， 这 并 不 利 于 车 身保 持 平 衡 。 因 此 整 个 调 试 过 程 就 是 要 保 证 车 身 稳 定 的 前 提 下 不 断 提 高 车 模 前进 的 平 均 速 度 。根 据 以 上 系 统 方 案 设 计 ， 赛 车 共 包 括 六 大 模 块 ： MK60DN256ZVLL10主 控 模 块 、 传 感 器 模 块 、 电 源 模 块 、 电 机 驱 动 模 块 、 速 度 检 测 模 块

9、 和 辅 助 调试 模 块 。 各 模 块 的 作 用 如 下 ：MK60DN256ZVLL10 主 控 模 块 ， 作 为 整 个 智 能 汽 车 的 “大 脑 ”， 将 采集 CCD 传 感 器 、 陀 螺 仪 ， 加 速 度 计 和 光 电 编 码 器 等 传 感 器 的 信 号 ， 根 据 控制 算 法 做 出 控 制 决 策 ， 驱 动 两 个 直 流 电 机 完 成 对 智 能 汽 车 的 控 制 ；传 感 器 模 块 ， 是 智 能 汽 车 的 “眼 睛 ”， 可 以 通 过 一 定 的 前 瞻 性 ， 提 前 感知 前 方 的 赛 道 信 息 ， 为 智 能 汽 车 的 “大

10、脑 ”做 出 决 策 提 供 必 要 的 依 据 和 充足 的 反 应 时 间 ， 同 时 使 用 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 计 算 车 模 行 进 过 程 中 的 实 时 角 速度 和 加 速 度 信 息 ， 用 以 保 持 车 模 稳 定 行 进 ；电 源 模 块 ， 为 整 个 系 统 提 供 合 适 而 又 稳 定 的 电 源 ；电 机 驱 动 模 块 ， 驱 动 直 流 电 机 和 伺 服 电 机 完 成 智 能 汽 车 的 加 减 速 控 制 和转 向 控 制 ；速 度 检 测 模 块 ， 检 测 反 馈 智 能 汽 车 轮 的 转 速 ， 用 于 速 度 的 闭 环 控 制

11、 ；辅 助 调 试 模 块 ， 主 要 用 于 智 能 汽 车 系 统 的 功 能 调 试 、 赛 车 状 态 监 控 。1.3 小 结本 章 重 点 分 析 了 智 能 汽 车 系 统 总 体 方 案 的 选 择 ， 并 介 绍 了 系 统 的 总 体 设计 和 总 体 结 构 ， 简 要 地 分 析 了 系 统 各 模 块 的 作 用 。 在 今 后 的 章 节 中 ， 将 对 整个 系 统 的 各 个 模 块 进 行 详 细 介 绍 。第 二 章 智 能 汽 车 机 械 结 构 调 整 与 优 化智 能 汽 车 各 系 统 的 控 制 都 是 在 机 械 结 构 的 基 础 上 实 现

12、的 ， 因 此 在 设 计 整个 软 件 架 构 和 算 法 之 前 一 定 要 对 整 个 模 型 车 的 机 械 结 构 有 一 个 全 面 清 晰 的 认识 ， 然 后 建 立 相 应 的 数 学 模 型 ， 从 而 再 针 对 具 体 的 设 计 方 案 来 调 整 赛 车 的机 械 结 构 ， 并 在 实 际 的 调 试 过 程 中 不 断 的 改 进 优 化 和 提 高 结 构 的 稳 定 性 。 本章 将 主 要 介 绍 智 能 汽 模 型 车 型 车 的 机 械 结 构 和 调 整 方 案 。2.1 智 能 汽 车 车 体 机 械 建 模此 次 竞 赛 选 用 的 智 能 车

13、竞 赛 专 用 模 型 车 (D型 模 型 车 )， 配 套 的 电 机 型 号为 RN260-CN-2875。 智 能 车 的 控 制 采 用 的 是 双 后 轮 驱 动 方 案 。 智 能 车 的 外 形大 致 如 下 ：图 2.1 智能汽车外形图第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2.2 智 能 汽 车 传 感 器 的 安 装车 模 中 的 传 感 器 包 括 有 ： 速 度 传 感 器 ， 车 模 姿 态 传 感 器 （ 陀 螺 仪 、 加 速 度 计 ）以 及 线 形 CCD。 下 面 分 别 介 绍 这 些 传 感 器 的 安 装 。2.2.1 速 度 传 感 器 的 安 装速

14、度 编 码 器 我 们 采 用 了 编 码 器 ， 安 装 方 法 如 下 ：用 十 字 扳 手 套 筒 将 车 的 后 轮 拆 卸 后 ， 安 装 编 码 器 ， 固 定 编 码 器 的 固 定 件 是 根据车 得 尺 寸 及 与 编 码 器 的 相 对 位 置 手 工 制 作 的 连 接 固 定 件 。在 安 装 完 后 轮 后 ， 在 利 用 十 字 扳 手 套 筒 将 后 轮 装 上 。安 装 时 应 注 意 调 整 好 齿 轮 间 隙 。 齿 轮 传 动 机 构 对 车 模 的 驱 动 能 力 有 很 大 的 影响 。 齿 轮 传 动 部 分 安 装 位 置 的 不 恰 当 ， 会

15、大 大 增 加 电 机 驱 动 后 轮 的 负 载 ， 会 严 重影 响 最 终 成 绩 。 调 整 的 原 则 是 ： 两 传 动 齿 轮 轴 保 持 平 行 , 齿 轮 间 的 配 合 间 隙 要 合适 ， 过 松 容 易 打 坏 齿 轮 ， 过 紧 又 会 增 加 传 动 阻 力 ， 浪 费 动 力 ； 传 动 部 分 要 轻 松 、顺 畅 ， 不 能 有 迟 滞 或 周 期 性 振 动 的 现 象 。 判 断 齿 轮 传 动 是 否 良 好 的 依 据 是 ， 听 一下 电 机 带 动 后 轮 空 转 时 的 声 音 。 声 音 刺 耳 响 亮 ， 说 明 齿 轮 间 的 配 合 间

16、隙 过 大 ， 传动 中 有 撞 齿 现 象 ； 声 音 闷 而 且 有 迟 滞 ， 则 说 明 齿 轮 间 的 配 合 间 隙 过 小 ， 或 者 两 齿轮 轴 不 平 行 ， 电 机 负 载 变 大 。 调 整 好 的 齿 轮 传 动 噪 音 很 小 ， 并 且 不 会 有 碰 撞 类 的杂 音 ， 后 轮 减 速 齿 轮 机 构 就 基 本 上 调 整 好 了 ， 动 力 传 递 十 分 流 畅 。 如 图 所 示 。第二章 智能汽车机械结构调整与优化5编 码 器 安 装 完 毕2.2.2 线 形 CCD 的 安 装为 了 降 低 整 车 重 心 ， 需 要 严 格 控 制 CCD镜 头

17、 的 安 装 位 置 和 重 量 ， 我 们 自 行 设计 了 轻 巧 的 铝 合 金 夹 持 组 件 并 采 用 了 碳 纤 维 管 作 为 安 装 CCD的 主 桅 ， 这 样 可 以 获得 最 大 的 刚 度 质 量 比 ， 整 套 装 置 具 有 很 高 的 定 位 精 度 和 刚 度 ， 使 CCD镜 头 便 于 拆卸 和 维 修 ， 具 有 赛 场 快 速 保 障 能 力 。 CCD镜 头 的 安 装 如 图 2.4所 示 。图 2.4 CCD的 安 装 2.2.3 车 模 倾 角 传 感 器车 模 倾 角 传 感 器 包 括 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 。 它 们 都 是 表

18、 贴 元 器 件 ， 单 独 固 定 在一 块 小 电 路 板 上 ， 然 后 与 车 身 相 固 定 ， 从 而 保 证 检 测 数 据 的 可 靠 性 。2.3 重 心 高 度 调 整重 心 的 高 度 是 影 响 智 能 车 稳 定 性 的 因 素 之 一 。 当 重 心 高 度 偏 高 时 ， 智 能车 在 转 弯 过 程 中 会 发 生 抬 轮 现 象 ， 严 重 时 甚 至 翻 车 。 因 此 ， 从 小 车 稳 定 性 出发 ， 我 们 尽 量 降 低 重 心 高 度 ， 从 而 保 证 小 车 可 靠 稳 定 。第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2.3.1 电 路 板 的

19、安 装为 了 使 小 车 具 有 较 好 的 稳 定 性 及 转 向 性 能 ， 我 们 在 搭 建 小 车 时 尽 量 选 择 降 低重 心 ， 因 此 也 将 电 路 板 安 装 在 了 电 机 上 方 ， 从 而 实 现 降 低 重 心 ， 提 高 小 车 的 稳 定性 。2.3.2 电 池 安 放同 样 为 实 现 降 低 重 心 ， 提 高 小 车 稳 定 性 的 目 的 ， 学 长 3D打 印 了 符 合 参 赛 规 则的 电 池 支 架 ， 然 后 固 定 在 电 机 下 方 ， 进 而 用 于 固 定 电 池 ， 最 大 程 度 的 降 低 了 小 车的 重 心 。2.4 其

20、他 机 械 结 构 的 调 整另 外 ， 在 模 型 车 的 机 械 结 构 方 面 还 有 很 多 可 以 改 进 的 地 方 ， 比 如 说 车 轮 、 传感 器 的 保 护 等 方 面 。 由 于 直 立 小 车 的 直 立 行 驶 及 转 向 都 是 通 过 后 轮 实 现 的 ， 因 此当 小 车 在 转 向 时 ， 模 型 车 的 轮 胎 与 轮 毂 之 间 很 容 易 发 生 相 对 位 移 ， 可 能 导 致 在 加速 时 会 损 失 部 分 驱 动 力 ， 而 且 使 小 车 的 状 态 不 稳 。 因 此 ， 我 们 在 实 际 调 试 过 程 中对 车 轮 进 行 了 粘

21、 胎 处 理 ， 可 以 有 效 地 防 止 由 于 轮 胎 与 轮 毂 错 位 而 引 起 的 驱 动 力 损失 的 情 况 。为 了 保 护 模 型 车 传 感 器 支 架 ， 在 车 模 机 械 设 计 的 时 候 ， 我 们 增 添 了 防 撞 保 护装 置 ， 使 一 旦 车 模 倾 倒 或 者 失 控 ， 防 撞 保 护 装 置 可 保 护 车 模 机 械 的 安 全 性 ， 保 证小 车 状 态 的 稳 定 性 。2.5 小 结模 型 车 的 性 能 与 机 械 结 构 有 着 非 常 密 切 的 联 系 。 良 好 的 机 械 结 构 是 模 型车 提 高 速 度 的 关 键

22、基 础 。 在 同 等 的 控 制 环 境 下 ， 机 械 机 构 的 好 坏 对 其 速 度 的影 响 十 分 显 著 。 我 们 非 常 重 视 对 智 能 汽 车 的 机 械 结 构 的 改 进 ， 经 过 大 量 的 理第二章 智能汽车机械结构调整与优化7论 研 究 和 实 践 ， 我 们 小 车 的 大 部 分 质 量 都 集 中 在 两 轮 前 后 ， 达 到 降 低 重 心 的目 的 ， 从 而 提 高 了 小 车 整 体 的 稳 定 性 和 可 靠 性 。第 三 章 智 能 汽 车 硬 件 电 路 设 计3.1 主 控 板 设 计3.1.1 电 源 管 理 模 块首 先 了 解

23、 一 下 不 同 电 源 的 特 点 ， 电 源 分 为 开 关 电 源 和 线 性 电 源 ， 线 性电 源 的 电 压 反 馈 电 路 是 工 作 在 线 性 状 态 ， 开 关 电 源 是 指 用 于 电 压 调 整 的 管 子工 作 在 饱 和 和 截 至 区 即 开 关 状 态 的 。 线 性 电 源 一 般 是 将 输 出 电 压 取 样 然 后 与参 考 电 压 送 入 比 较 电 压 放 大 器 ， 此 电 压 放 大 器 的 输 出 作 为 电 压 调 整 管 的 输 入 ，用 以 控 制 调 整 管 使 其 结 电 压 随 输 入 的 变 化 而 变 化 ， 从 而 调 整

24、 其 输 出 电 压 ， 但开 关 电 源 是 通 过 改 变 调 整 管 的 开 和 关 的 时 间 即 占 空 比 来 改 变 输 出 电 压 的 。 从 其 主 要 特 点 上 看 ： 线 性 电 源 技 术 很 成 熟 ， 制 作 成 本 较 低 ， 可 以 达 到 很高 的 稳 定 度 ， 波 纹 也 很 小 ， 而 且 没 有 开 关 电 源 具 有 的 干 扰 与 噪 音 ， 开 关 电源 效 率 高 、 损 耗 小 、 可 以 降 压 也 可 以 升 压 ， 但 是 交 流 纹 波 稍 大 些 。电 源 模 块 对 于 一 个 控 制 系 统 来 说 极 其 重 要 ， 关 系

25、 到 整 个 系 统 是 否 能 够 正常 工 作 ， 因 此 在 设 计 控 制 系 统 时 应 选 好 合 适 的 电 源 模 块 。 竞 赛 规 则 规 定 ， 比赛 使 用 智 能 汽 车 竞 赛 统 一 配 发 的 标 准 车 模 用 7.2V 2000mAh Ni-cd 供 电 ， 而单 片 机 系 统 、 路 径 识 别 的 CCD 传 感 器 、 陀 螺 仪 和 加 速 度 传 感 器 均 使 用 的 是3.3V 的 电 源 。 编 码 器 需 要 5V 电 源 ， 伺 服 电 机 工 作 电 压 范 围 为 4V 到6V（ 为 提 高 伺 服 电 机 响 应 速 度 ， 采

26、用 7.2V 供 电 ） ， 直 流 电 机 可 以 使 用7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄 电 池 直 接 供 电 ， 智 能 汽 车 电 压 调 节 电 路 示 例 见 图3.1。第三章 智能汽车硬件电路设计9图 3.1 电源管理模块原理图电 源 的 纹 波 将 影 响 传 感 器 的 性 能 。 减 小 电 源 的 纹 波 的 大 小 可 以 保 证 传 感器 的 可 靠 性 。3.1.2 电 机 驱 动 模 块第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告我 们 自 己 用 软 件 划 了 驱 动 的 图 ， 并 根 据 此 焊 接 了 4 路 PWM 驱 动 ，利 用 BTS7960

27、 可 以 大 大 提 高 电 的 驱 动 能 力 。3.1.3 接 口 模 块1 CCD 接 口 。CCD 的 外 围 器 件 很 少 ， 输 出 信 号 经 过 滤 波 等 处 理 后 就 可 以 直 接 连 接 到K60 的 AD 端 口 上 。 接 口 极 其 简 单 ， 电 路 如 下 所 示 。图 3.7 CCD 接口2 陀 螺 仪 接 口陀 螺 仪 在 保 持 车 身 的 平 衡 方 面 极 其 重 要 ， 为 了 方 便 更 换 ， 我 们 并 未 将 陀 螺 仪直 接 画 在 主 板 上 。 由 于 使 用 的 是 单 片 机 本 身 的 AD， 所 以 陀 螺 仪 的 接 口

28、 很 简 单 。电 路 如 下 所 示 。第三章 智能汽车硬件电路设计11图 3.8 陀螺仪接口3.2 智 能 汽 车 传 感 器由 于 今 年 比 赛 规 则 对 光 电 平 衡 组 的 传 感 器 有 明 确 的 规 定 ， 所 以 我 们 在 传感 器 的 选 择 上 没 有 花 费 时 间 。 对 于 的 传 感 器 的 优 化 ， 我 们 也 主 要 是 传 感 器 对环 境 的 适 应 性 方 面 。3.2.1 线 性 CCD 传 感 器线 性 CCD 内 部 包 含 128 个 光 电 二 极 管 ， 相 关 的 放 大 电 路 。 其 基 本 单 元 如 图图 3.9 CCD

29、内部感光单元光照射到光电二极管上，产生光电流，光电流被积分电路积分。在采样期间，积分电容的一端被连接到输出端，积分后的输出电压与该点的光强和积分时间成正比。因此为了适应场地，CCD 的积分时间应该是可变的。3.2.2 陀 螺 仪大 赛 规 定 了 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 的 选 用 范 围 。 经 过 挑 选 ,陀 螺 仪 使 用 ENC-03M，加 速 度 计 使 用 MMA7361。 我 们 小 组 直 接 选 用 了 大 家 常 用 的 陀 螺 仪 &加 速 度 计 成 品 ，第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告效 果 一 般 。 经 过 和 获 得 一 等 奖 的 大 神 交

30、 流 ， 其 实 选 用 相 应 的 标 贴 原 件 并 自 己 焊 接效 果 会 更 好 。 其 实 是 这 样 的 ， 希 望 之 后 的 学 弟 学 妹 可 以 自 己 探 索 不 断 超 越 。3.2.3 编 码 器为 了 使 用 闭 环 控 制 ， 我 们 在 汽 车 模 型 上 附 加 了 编 码 器 。 和 其 他 元 件 相 比 ， 选用 编 码 器 可 以 使 电 路 更 加 完 善 ， 信 号 更 加 精 确 。 编 码 器 功 耗 低 ， 重 量 轻 ， 抗 冲 击抗 震 动 ， 精 度 高 ， 寿 命 长 ， 非 常 实 用 。 编 码 器 内 部 无 上 拉 电 阻

31、， 因 此 编 码 器 接 口出 需 要 设 计 上 拉 电 阻 。 同 时 为 了 保 证 波 形 的 稳 定 ， 主 控 板 上 使 用 了 74HC14 非 门 隔离 。 K60 自 身 具 有 正 交 解 码 功 能 ， 因 此 这 里 无 需 使 用 任 何 外 围 计 数 辅 助 器 件 ， 只需 要 将 接 口 连 接 到 单 片 机 上 相 应 的 接 口 即 可 。 接 口 如 图 3.11 和 图 3.12 所 示 。图 3.11 编 码 器 的 接 口 部 分图 3.12 上 拉 电 阻 和 非 门第三章 智能汽车硬件电路设计13、 3.4 液 晶 屏液 晶 屏 相 对

32、于 数 码 来 说 具 有 显 示 内 容 直 观 ， 可 显 示 图 像 和 汉 字 的 优 点 。 在 车身 添 加 液 晶 屏 模 块 可 以 使 调 试 更 加 方 便 ， 因 此 本 次 车 身 上 我 们 添 加 了 液 晶 屏 模 块 。由 于 模 块 是 直 接 购 买 的 成 品 。 所 以 电 路 在 这 里 不 做 介 绍 了 。3.5 小 结硬 件 电 路 是 模 型 汽 车 系 统 的 必 备 部 分 。 只 有 稳 定 的 硬 件 电 路 才 能 保 证 程序 的 正 确 控 制 。 为 此 ， 我 们 在 设 计 电 路 之 时 ， 考 虑 了 很 多 问 题 ，

33、 采 用 了 模 拟部 分 与 数 字 部 分 隔 离 等 措 施 。 我 们 的 硬 件 电 路 的 设 计 思 想 是 在 保 证 正 确 检测 信 号 的 前 提 下 ， 尽 可 能 精 简 电 路 。第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第 四 章 智 能 汽 车 控 制 软 件 设 计主 程 序 流 程 图 ：图 4.1 程 序 流 程 图4.1 线 性 CCD 传 感 器 路 径 精 确 识 别 技 术在 本 届 大 赛 中 ， 光 电 组 的 规 则 发 生 了 翻 天 覆 地 的 变 化 ， 不 仅 由 传 统 的 四 轮 小车 变 成 了 两 轮 直 立 车 ， 而 且 对

34、于 光 电 传 感 器 也 做 出 了 新 的 要 求 ， 不 允 许 使 用 传统 的 激 光 头 传 感 器 ， 而 要 求 选 择 使 用 线 性 CCD 以 及 LED 作 为 新 一 代 的 光 电 车 的传 感 器 ， 但 由 于 LED 的 前 瞻 距 离 十 分 有 限 ， 所 以 线 性 CCD 自 然 成 为 了 较 好 的 方案 选 择 。第四章 智能汽车控制软件设计154.1.1 路 径 识 别 状 态 分 析在 使 用 CCD 进 行 赛 道 识 别 ， 传 统 的 传 感 器 搜 索 跳 变 沿 算 法 可 取 之 处 不是 很 大 ， 不 过 不 缺 乏 借 鉴

35、之 处 。图 4.2 CCD 传感器返回值波形图对于我们的模型车，CCD 在赛道上 可 能 的 状 态 有 ： 在 普 通 的 赛 道 处 、 在起 点 处 、 在 十 字 交 叉 线 处 、 小 S 虚 线 处 、 路 障 处 。 由于传感器的改变以及规则的变更，使得今年对于赛道识别的工作量变得更加复杂，难度大大增加，情况也显得错综复杂，矛盾点层出不穷。我 们 的 小 车 仅 采 用 一 路 CCD对 赛 道 信 息 进 行 识 别 ， 一 个 CCD包 含 128个 像 素 点 ，但 这 128个 点 并 不 是 所 有 的 点 都 能 够 被 准 确 获 取 灰 度 值 ， 我 们 选

36、择 采 用 左 右 各 48个像 素 点 来 对 赛 道 信 息 进 行 采 集 。 这 些 像 素 点 中 每 个 点 的 灰 度 值 理 论 上 都 有 0到 255这 28种 状 态 （ 实 际 上 我 们 只 能 取 到 不 到 50的 返 回 值 ） ， 我 们 分 别 把 左 右 各 48个 像 素点 记 为 left 1663和 right 64111。在 直 道 时 ， 两 侧 都 会 检 测 到 赛 道 边 沿 ， 且 大 体 处 于 中 间 位 置 ， 左 右 较 对称 ； 在 小 弯 道 时 ， 两 侧 都 会 检 测 到 赛 道 边 沿 ， 但 会 有 小 幅 地 左

37、右 摆 动 ； 在 其它 弯 道 时 ， 会 出 现 左 右 侧 跳 变 沿 出 赛 道 的 状 况 ， 这 时 主 要 依 靠 一 侧 CCD进 行 巡 线 ； 在 十 字 的 时 候 ， 回 旋 全 白 的 时 候 ， 在 传 感 器 稳 定 的 前 提 下 ， 能 出现 全 白 的 也 只 会 在 十 字 的 时 候 出 现 ， 当 然 小 S 虚 线 位 置 也 不 排 除 会 有 全 白的 情 况 发 生 ， 虽 说 黑 白 线 时 左 右 对 称 的 ， 但 是 黑 白 条 的 长 度 固 定 十 公 分 ， 内侧 长 度 远 不 及 外 侧 长 度 ， 无 可 避 免 的 会 多

38、 次 出 现 单 侧 全 白 的 情 况 ； 终 点 线第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告依 靠 CCD 返 回 值 具 有 驼 峰 形 状 的 赛 道 信 息 返 回 值 来 测 得 。4.1.2 线 性 CCD 传 感 器 路 径 识 别 算 法路 径 识 别 算 法 是 我 们 使 用 的 是 由 CCD 中 心 向 两 侧 搜 索 提 取 跳 变 沿 的 算法 ， 通 过 提 取 到 的 两 侧 跳 变 沿 相 加 除 二 来 得 到 小 车 转 向 需 要 的 转 向 值 。 具体 算 法 介 绍 如 下 ：(1)通 过 CCD 返 回 的 像 素 值 ， 利 用 17 阈 值

39、来 找 到 跳 变 沿 ， 计 算black_center；(2)当 传 感 器 检 测 到 黑 线 时 相 应 的 传 感 器 返 回 中 线 值 。(3)对 于 直 立 车 来 说 ， 在 控 制 过 程 中 ， 不 仅 要 考 虑 双 电 机 差 速 转 向 问 题 ，还 要 考 虑 直 立 与 速 控 问 题 ， 这 三 个 重 要 的 量 都 是 在 两 个 车 轮 上 完 成 ， 复 杂 度极 高 ， 我 们 采 用 线 性 相 加 的 方 式 将 其 拟 合 在 一 起 ， 并 对 其 上 下 限 做 出 限 制 ，当 超 出 这 个 限 制 时 ， 强 制 到 限 制 的 最

40、大 值 处 。 4.2 弯 道 的 处 理4.2.1 弯 道 策 略 分 析其 中 ， 切 弯 路 径 主 要 决 定 了 车 辆 是 选 择 内 道 过 弯 还 是 外 道 过 弯 。 切 内 道 ，路 经 最 短 ， 但 是 如 果 地 面 附 着 系 数 过 小 会 导 致 车 辆 出 现 侧 滑 的 不 稳 定 行 驶 状态 ， 原 因 是 切 内 道 时 ， 曲 率 半 径 过 小 ， 同 时 速 度 又 很 快 ， 所 以 模 型 车 需 要 的向 心 力 会 很 大 ， 而 赛 道 本 身 是 平 面 结 构 ， 向 心 力 将 全 部 由 地 面 的 摩 擦 力 提供 ， 因

41、此 赛 道 表 面 的 附 着 系 数 将 对 赛 车 的 运 行 状 态 有 很 大 影 响 。 切 外 道 ， 路径 会 略 长 ， 但 是 有 更 多 的 调 整 机 会 ， 同 时 曲 率 半 径 的 增 加 会 使 得 模 型 车 可 以拥 有 更 高 的 过 弯 速 度 。第四章 智能汽车控制软件设计174.3 对 速 度 的 闭 环 控 制图 4.9 PID 控制工作原理PID 控 制 策 略 其 结 构 简 单 ， 稳 定 性 好 ， 可 靠 性 高 ， 并 且 易 于 实 现 。 其 缺 点 在于 控 制 器 的 参 数 整 定 相 当 繁 琐 ， 需 要 很 强 的 工 程

42、 经 验 。 相 对 于 其 他 的 控 制 方 式 ，在 成 熟 性 和 可 操 作 性 上 都 有 着 很 大 的 优 势 。 所 以 最 后 我 们 选 择 了 PID 的 控 制 方 式 。在 小 车 跑 动 中 ， 因 为 不 需 要 考 虑 小 车 之 前 走 过 的 路 线 ， 所 以 ， 我 们 舍 弃 了 I 控制 ， 将 小 车 舵 机 的 PID 控 制 简 化 成 PD 控 制 。 本 方 案 中 通 过 双 电 机 的 差 速 控 制 采 用位 置 式 的 PD 控 制 ， 速 度 闭 环 控 制 采 用 了 增 量 式 PID 控 制 。 在 本 方 案 中 ， 使

43、 用 试凑 法 来 确 定 控 制 器 的 比 例 、 积 分 和 微 分 参 数 。试 凑 法 是 通 过 闭 环 试 验 ， 观 察 系 统 响 应 曲 线 ， 根 据 各 控 制 参 数 对 系 统 响 应 的大 致 影 响 ， 反 复 试 凑 参 数 ， 以 达 到 满 意 的 响 应 ， 最 后 确 定 PID 控 制 参 数 。 试 凑 不是 盲 目 的 ， 而 是 在 控 制 理 论 指 导 下 进 行 的 。 在 控 制 理 论 中 已 获 得 如 下 定 性 知 识 ：比 例 调 节 （ P） 作 用 ： 是 按 比 例 反 应 系 统 的 偏 差 ， 系 统 一 旦 出 现

44、 了 偏 差 ， 比例 调 节 立 即 产 生 调 节 作 用 用 以 减 少 偏 差 。 比 例 作 用 大 ， 可 以 加 快 调 节 ， 减 少 误 差 ，但 是 过 大 的 比 例 ， 使 系 统 的 稳 定 性 下 降 ， 甚 至 造 成 系 统 的 不 稳 定 。积 分 调 节 （ I） 作 用 ： 是 使 系 统 消 除 稳 态 误 差 ， 提 高 无 差 度 。 因 为 有 误 差 ，积 分 调 节 就 进 行 ， 直 至 无 差 ， 积 分 调 节 停 止 ， 积 分 调 节 输 出 一 常 值 。 积 分 作 用 的强 弱 取 决 与 积 分 时 间 常 数 Ti， Ti

45、越 小 ， 积 分 作 用 就 越 强 。 反 之 Ti 大 则 积 分 作 用 弱 ，加 入 积 分 调 节 可 使 系 统 稳 定 性 下 降 ， 动 态 响 应 变 慢 。 积 分 作 用 常 与 另 两 种 调 节 规律 结 合 ， 组 成 PI 调 节 器 或 PID 调 节 器 。第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告微 分 调 节 （ D） 作 用 ： 微 分 作 用 反 映 系 统 偏 差 信 号 的 变 化 率 ， 具 有 预 见 性 ， 能预 见 偏 差 变 化 的 趋 势 ， 因 此 能 产 生 超 前 的 控 制 作 用 ， 在 偏 差 还 没 有 形 成 之 前 ，

46、已被 微 分 调 节 作 用 消 除 。 因 此 ， 可 以 改 善 系 统 的 动 态 性 能 。 在 微 分 时 间 选 择 合 适 情况 下 ， 可 以 减 少 超 调 ， 减 少 调 节 时 间 。 微 分 作 用 对 噪 声 干 扰 有 放 大 作 用 ， 因 此 过强 的 加 微 分 调 节 ， 对 系 统 抗 干 扰 不 利 。 此 外 ， 微 分 反 应 的 是 变 化 率 ， 而 当 输 入 没有 变 化 时 ， 微 分 作 用 输 出 为 零 。 微 分 作 用 不 能 单 独 使 用 ， 需 要 与 另 外 两 种 调 节 规律 相 结 合 ， 组 成 PD 或 PID

47、控 制 器 。4.4 障 碍 的 处 理在 第 八 届 智 能 车 竞 赛 中 ， 规 则 中 增 加 了 黑 色 路 障 这 一 规 则 ， 路 障 的 出 现 给 直立 小 车 带 来 了 非 常 大 的 影 响 ， 如 若 盲 目 的 冲 撞 上 去 ， 必 然 会 导 致 翻 车 儿 无 法 继 续进 行 本 圈 的 比 赛 ， 因 此 ， 我 们 不 得 不 对 其 进 行 检 测 ， 当 CCD 检 测 到 连 续 4 场 全 黑的 情 况 下 ， 我 们 便 默 认 为 小 车 前 方 出 现 了 路 障 ， 并 对 速 控 以 及 转 向 进 行 处 理 ， 进而 达 到 平

48、稳 过 路 障 得 效 果4.5 小 结本 章 详 细 介 绍 了 智 能 汽 车 的 控 制 软 件 的 设 计 和 思 路 。 传 感 器 部 分 重 点 介绍 了 CCD 传 感 器 的 原 理 和 算 法 。 在 控 制 策 略 上 主 要 介 绍 了 PID 控 制 理 论和 对 弯 道 信 息 的 处 理 和 控 制 上 。19第 五 章 开 发 工 具 、 制 作 、 安 装 、 调 试 过 程5.1 开 发 工 具程 序 的 开 发 是 在 组 委 会 提 供 的 IAR 下 进 行 的 ， 包 括 源 程 序 的 编 写 、 编译 和 链 接 ， 并 最 终 生 成 可 执

49、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 的 产 品 和 服 务 涉 及 到嵌 入 式 系 统 的 设 计 、 开 发 和 测 试 的 每 一 个 阶 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 件 、 硬 件仿 真 器 以 及 状 态 机 建 模 工 具 。5.2 调 试 过 程通 过 组 委 会 提 供 的 IAR 编 译 软 件 的 在 线 调 试 功 能 ， 可 以 得 到 大 量 的 信息 ， 为 智 能 汽 车 的 调 试 提 供 了 很 大 的 帮 助 。在 智 能 汽 车 的 调 试 过 程 中 ， 有 针 对 性 的 开 发 一 个 便 于 人 机 交 互 的 上 位 机系 统 ， 通 过 简 单 明 了 的 可 视 化 界 面 直 观 的 显 示 智 能 汽 车 的 状 态 对 调 试 有 很 大帮 助 。第 六 章 模 型 车 主 要 参 数6.1 智 能 汽 车 外 形 参 数经 过 改 装 后 ， 智 能 汽 车 的 外 形 参 数 为 ：车 长 ： 300mm； 车 宽 ： 200mm；