1、第五届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技 术 报 告 附 ：关于舵机臂长和智能车转向性能的关 系的研究学 校：电子科技大学 队伍名称： 成 电 轻 扬 参赛队员：卜 大 鹏 刁 双 林 孙 星 海 带队教师：程 玉 华 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第五届“飞 思卡尔”杯全国大学生智能汽 车邀请赛关保留、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 飞思卡尔半导 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
2、收录在组 委会出版论文集中。 参赛队员签名：带队教师签名：日 期：52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 本文详细介绍了我们队为第五屇系统方案。 摘要 Freescale 智能汽车大赛而准备的智能车该方案以 Freescale 公司的 MC9S12XS128 单片机作为系统的控制核心，采用 CMOS 摄像头采集赛道信息，根据采集到的数据分析行驶路径以及对起跑线进行检测。采用 PID 算法对赛车的舵机和直流电机进行闭环控制，并根据跑道的弯曲 程度采用不同 的控制策略。 在机械结构方 面，通过对 赛车前轮定位 参数的优化 ，和对舵机 输出力臂的改 造，进一步提 高了赛车的性 能。在赛车的 调试
3、方面，通过采用无线蓝牙模块、SD 卡、LED 状态指示灯等，大大方便了算法调试和加 快了调试进度 。经过实际测 试，整个赛车 系统能在规 定的跑道上高 速稳定地行 驶。在文中将 介绍系统的整 体方案，具体 模块的软硬 件设计，机械 改造，以及调试等内容。 关键词：智能车、寻线、起始线、S12 单片机、图像采集、PID、路径拟合 2 ABSTRACT ABSTRACT In this paper we will demonstrate the smart car system schemefor the Fifth national smart car contest. Based on mic
4、rocontrollers,MC9S12XS128, as control unit, thesmart car system run in the specified road swiftly and stead y. CMOS image-sensor, are applied to obtain lane image information .Thenbase on the information from the sensor, obtaining an optimizedby certain algorithm and the information of Start lane an
5、dtrigonum. PID feedback algorithm is applied to control the an gle and speed. In the process of debuggin g ， we adopt the wireless serial port, the SD and the denoting LED, which made the pr ogram debugging easier and more effectual. In another hand, by optimizing the parameter of th e machine of sy
6、stem, the smart car has an excellence perform. In the later article, we will demonstrate the system scheme, the modules of system in hardware and software and the change in machinery of car. Keyword: Intelligent Car, Search Lane, Start lane, S12 Microcontroller, Image Sampling, PID, Lane Strategy 52
7、 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 第一章 目录 引言 . 1 1.1 背景介绍 1 1.2 文献综述 5 1.3 本文结构 6 第二章 系统方案 . 7 2.1 总体策略 . 7 2.2 系统设计方案 7 2.2.1 路径检测总体方案 . 7 2.2.2 速度控制总体方案 . 8 2.2.3 转向控制 . 9 2.3 本章小结 . 9 第三章 机械结构的系统设计与实现 . 10 3.1 车模安装与机械结构改造. 10 3.1.1 车模安装 . 10 3.1.2 机械结构调整 . 11 3.2 电路板的安装 . 14 3.3 传感器的安装 15 3.4 本章小结 . 17 第四章 硬件系统
8、设计与实现 . 18 4.1 硬件系统框图 18 4.2 电路板的设计与制作 . 18 4.3 电源模块 19 4.3.1 5V 稳压模块 20 4.4 图像采集模块 . 21 4.4.1 摄像头简介 . 21 4.4.2 电路设计 . 21 4.5 速度采集模块 . 23 4.6 电机驱动 . 23 4.7 本章小结 . 24 第五章 软件系统设计与实现 . 25 5.1 软件系统设计 25 5.2 资源分配 27 5.3 摄像头安装对软件调试的影响. 27 5.4 图像处理 28 5.4.1 黑白阈值提取 . 28 5.4.2 图像滤波 . 28 5.5 软件系统框图 30 5.5.1 图
9、像采集模块 . 31 1 目录 5.5.2 图像处理模块 . 32 5.2.3 转向控制模块 . 34 5.5.4 PID 调节器 . 35 5.5.5 速度采集模块 . 37 5.5.6 速度控制模块 . 37 5.6 特殊标记识别 37 5.3.1 起跑线识别模块 . 37 5.7 本章小结 38 第六章 系统调试 . 39 6.1 开发调试工具 39 6.1.1 软件开发平台 . 39 6.1.2 智能车上位机设计 40 6.1.3 无线调试模块 . 40 6.1.4 状态指示灯 . 41 6.1.5 手动设置装置 . 41 6.1.6 蜂鸣器声音指示 . 42 6.2 转向 PID 参
10、数整定 . 42 6.3 本章小结 43 第七章 总结 . 44 7.1 赛车整体技术指标 44 7.2 总结 . 44 7.2.1 赛车制作 . 44 7.2.2 问题与解决 . 44 7.2.3 亮点与特色 . 45 7.2.4 展望与改进 . 46 致谢 . 47 参考文献 . 47 附 1：程序代码 47 附 1：关于舵机臂长和智能车转向性能的关系的研究 . 109 52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 第一章 引言 1.1 背景介绍 “飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五
11、大竞赛之一。第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛总决赛将于今年八月份在杭州电子科技大学举行。该项赛事已成功举办过四届，其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。 参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的 8 位、16 位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格
12、后，参加全国总决赛的场地比赛。参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术报告、制作工程质量评分为辅来决定。大赛根据车模检测路径方案不同分为电磁、光电与摄像头三个赛题组。车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路径检测的属于电磁组；车模通过采集赛道图像（一维、二维）进行路径检测的属于摄像头组；车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路径检测的属于光电组。 竞赛秘书处制定如下比赛规则适用于各分赛区预赛以及全国总决赛，在实际可操作性基础上力求公正与公平。 一、器材限制 规定1. 须采用统一指定的车模。本届比赛指定采用两种车模：A 型车模：广东博思公司提供。限定电磁组比赛使用。
13、 B 型车模：北京科宇通博科技有限公司提供。限定光电组、摄像头组使用。 细节及改动限制见附件一。1 第一章 引言2. 须采用飞思卡尔半导体公司的 8 位、16 位处理器(单核)作为唯一的微控制器。有关细节及其它电子器件使用的限制见附件二；3. 参加电磁赛题组不允许使用传感器获取道路的光学信息进行路径检测。 参加光电赛题组中不允许传感器获取道路图像信息进行路径检测。参加摄像头赛题组可以使用光电管作为辅助检测手段。4. 其他事项 如果损毁车模中禁止改动的部件，需要使用相同型号的部件替换；车模改装完毕后，尺寸不能超过：250mm 宽和 400mm 长。 二、有关赛场 的规定1. 赛道基本参数（不包括
14、拐弯点数、位置以及整体布局）见附件三；2. 比赛赛道实际布局将在比赛当日揭示，在赛场内将安排采用制作实际赛道的材料所做的测试赛道供参赛队进行现场调试； 三、裁判及技 术评判竞赛分为分赛区和全国总决赛两个阶段。其中全国总决赛阶段是在全国竞赛组委会秘书处指导下，与决赛承办学校共同成立竞赛执行委员会，下辖技术组、裁判组和仲裁委员会，统一处理竞赛过程中遇到的各类问题。 所有竞赛组织委员会工作人员，包括技术评判组及现场裁判组人员均不得参与任何针对个别参赛队的指导或辅导工作（提供微控制器培训除外） ，不得泄露任何有失公允竞赛的信息。 在分赛区预赛阶段中，裁判以及技术评判由各分赛区组委会参照上述决赛阶段组织
15、实施。 四、分赛区、 全国总决赛比赛规则分赛区和全国总决赛的比赛规则相同，都具有电磁组、光电组和摄像头组比赛。三个赛题组在同一个场馆同时进行比赛，所遵循的比赛规则是相同的。三个赛题组分别独立进行成绩排名。 分赛区和全国总决赛的现场比赛均包括预赛与决赛两个阶段。下面列出的52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 现场预赛、决赛阶段的比赛规则适用于各分赛区及全国总决赛的三个赛题组。 1预赛与决赛规则 1) 预赛阶段规则 i. 比赛场中有三条赛道。ii. 参赛队根据比赛题目分为三个组，并以抽签形式决定组内比赛次序。iii. 比赛分为两轮，三组同时在三个赛道上进行比赛，每支参赛队伍可以在每轮比赛之前
16、有 10 分钟的现场调整时间。在此期间，参赛队伍只允许对赛车的硬件（不包括微控制器芯片）进行调整。第二轮比赛在同一赛道沿逆向进行。 iv. 在每轮比赛中，选手首先将赛车放置在起跑区域内赛道上，赛车至少静止两秒钟后自动启动。v. 每辆赛车在赛道上跑一圈，以计时起始线为计时点，跑完一圈后赛车需要自动停止在起始线之后三米之内的赛道内，如果没有停止在规定的区域内，比赛计时成绩增加 1 秒。 vi. 每辆赛车以在两 个单轮成绩中较好的 一个作为赛车最终预 赛成绩；计时由电子计时器完成并实时显示。 vii. 根据参赛队伍数量，由比赛组委会根据成绩选取一定比例的队伍晋级决赛。 viii. 晋级决赛的赛车在决
17、赛前有 10 分钟的调整时间。在此期间，参赛队伍只允许对赛车的硬件（不包括微控制器芯片）进行调整。技术评判组将对全部晋级的赛车进行现场技术检查，如有违反器材限制规定的(指本规则之第一条)当时取消决赛资格，由后备首名晋级代替。 ix. 由裁判组申报组织委员会批准公布决赛名单。x. 全部车模在整个比赛期间都统一放置在车模的展示区内。2）决赛阶段规则 i. 参加决赛队伍按照预赛成绩进行排序，比赛顺序按照预赛成绩的倒序进行。 3 第一章 引言ii. 决赛的比赛场地使用一个赛道。决赛赛道与预赛赛道形状不同，占地面积增大，赛道长度增加。 iii. 每支决赛队伍只有一次比赛机会，在跑道上跑一圈，比赛过程与要
18、求同预赛阶段。 iv. 计时由电子计时器完成并实时显示。v. 预赛成绩不记入决赛成绩，只决定决赛比赛顺序。没有参加决赛阶段比赛的队伍，预赛成绩为最终成绩，参加该赛题组的排名。 2比赛过程规则 按照比赛顺序，裁判员指挥参赛队伍顺序进入场地比赛。同一时刻，一个场地上只有一支队伍进行比赛。 在裁判员点名后，每队指定一名队员持赛车进入比赛场地。参赛选手有 60秒的现场准备时间。准备好后，裁判员宣布比赛开始，选手将赛车放置在起跑区，赛车应在起跑区静止两秒钟以上，然后自动出发。赛车应该在 30 秒之内离开出发区，沿着赛道跑完一圈。由计时起始线两边传感器进行自动计时。赛车跑完一圈且自动停止后，选手拿起赛车离
19、开场地，将赛车放回指定区域。 如果比赛完成，由计算机评分系统自动给出比赛成绩。3比赛犯规与失败规则 比赛过程中，由比赛现场裁判根据统一的规则对于赛车是否冲出跑道进行裁定。赛车前两次冲出跑道时，由裁判员取出赛车交给比赛队员，立即在起跑区重新开始比赛。选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。 比赛过程中出现下面的情况，算作模型车冲出跑道一次。裁判点名后，60 秒之 内，参赛队没有能够 进入比赛场地并做 好比赛准备；比赛开始后，赛车在 30 秒之内没有离开出发区；赛车在离开出发区之后 60 秒之内没有跑完一圈；比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败：赛车冲出跑道的次数超过两次；比赛开始后未经裁判
20、允许，选手接触赛车；决赛前，赛车没有通过技术检验。52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 如果比赛失败，则不计成绩。比赛禁止事项：不允许在赛车之外安装辅助照明设备及其它辅助传感器等；选手进入比赛场地后，除了可以更换电池之外，不允许进行任何硬件和软件的修改；比赛场地内，除了裁判与 1 名队员之外，不允许任何其他人员进入场地；不允许其它干扰赛车运动的行为；不允许车模设计方案抄袭，参赛队伍的车模设计的硬软件需要相互之间有明显的不同。 4比赛组织说明：1) 现场正式比赛前，每个参赛队伍都有现场环境适应性调试阶段。调试跑道与比赛跑道形状不一样。 2) 比赛开赛之前，所有车模都由比赛组委会收集并存放在
21、同一保管区域，直到比赛结束。3) 在比赛期间，大赛组委会技术处将根据情况对参赛车模进行技术检查。如果违反了比赛规则的禁止事项，大赛组委会有权取消参赛队伍的成绩。 4) 为了便于进行技术交流全国总决赛之后，获得全国总决赛特等奖、一等奖的车模将由全国竞赛组委会代为保管两年。 五. 其他 1.比赛过程中有其他作弊行为的，取消比赛成绩； 2.参加预赛并晋级决赛的队伍人员不允许改变。 3.本规则解释权归竞赛秘书处和比赛组织委员会所有。 1.2 文献综述在模型车制作之前我们主要参考了学做智能车 HCS12 微控制器原理及应用 Visual C+6 从入门到精通 Freescale 9s12 十六位单片机原
22、理及嵌入式开发技术等书，同时我们在清华大学的 FTP 上下载了第四届比5 第一章 引言赛的一些学校的技术报告，熟悉了 S12 单片机的资源和开发方法，借鉴往届比赛的经验。在模型车制作期间，我们在网上搜索并参考了关于汽车理论方面的相关论文，为模型车的机械调整提供了理论依据。在硬件和软件的设计中主要参考了各芯片的 PDF 文档。 在算法方面参考了自动控制和数字图像处理方面的一些书。如数字图像处理 、 CCD 传感器检测技术等等，我们参考过的所有书籍跟文档将会在附录里一一罗列。 1.3 本文结构本报告是对参赛的智能汽车制作技术方案、设计思路、制作调试过程以及相关技术研究内容形成的总结性报告。报告采用
23、总分总的结构，先对总体方案进行阐述，再分别阐述系统各个模块的实现，最后结合我们实际测试结果对整个智能车系统进行了总结。 全文共分七章。第一章为引言，介绍了比赛背景、比赛规则、研究意义和全文的安排。第二章论述了系统的总体方案，对智能车设计原理，思想进行了总的概括。第三章论述了对车模机械结构的一些探索性调整。第四章主要阐述各个模块的原理、实现和调试。第五章主要阐述了系统的软件设计，包括设计中用到的单片机的各种资源和各种控制算法。第六章主要阐述了系统的调试和相关的各种工具。第七章进行了总结，包括我们在制作和调试中得出的一些结论和存在的一些问题及进一步改进的方向。 全文穿插了我们制作模型车过程中的一些
24、探索体会，每一章还有一个小结， 总结了我们在制作和探索过程中所得出的一些结论。52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 第二章 系统方案 2.1 总体策略经历过四届比赛的发展，本届比赛的赛车总体速度有了很大的提高，而且增加了对三角区的要求。为了使赛车沿着赛道的黑线更快更稳地行驶，我们把系统分为高精度路径检测模块、高精度速度控制模块、转向控制模块。通过超频提高 CPU 的运行频率，合理的处理控制算法，同时加上各高精度模块的检测与控制，赛车能够很好地完成比赛任务。 2.2 系统设计方案2.2.1 路径检测总体方案透镜成像组用摄像头识别路径，同时也可以结合红外传感器辅助摄像头检测路径，从而有两种方
25、案： 方案一：单独采用摄像头进行路径检测。 摄像头通过面成像，可以对车前方足够的赛道信息进行采集，有利于赛车行驶时对前方赛道进行有效的预测，实现最优路径的选择。摄像头采集图像的这个优点尤其在赛车高速行驶准备入弯时表现得突出，它可以精确判断出不同的弯道从而赛车可采用不同的行驶策略，这对于舵机反应的滞后性有很大的改进。单独采用摄像头检测路径的缺点是摄像头采集路面信息的频率较低，容易受到光线和赛道外物体的干扰，尤其是对起跑线检测时处理算法要进行优化。 方案二：采用摄像头和红外传感器进行路径检测。 红外传感器的电路和软件设计简单，使用红外传感器对路径的检测受光线的干扰较少而且采集的信息可靠，还可以获得
26、很高的检测频率，弥补了摄像头检测频率不高、易受干扰的缺点，在检测路径和起跑线时可以得到比较可靠的信息。但是对 黑线的检测精度有限而且红外传感器的作用距离有限，其前瞻距离不可能很远，同时红外传感器的功耗大，电路的重量也不小，严重影响了赛车的启停能力和速度。 通过理论论证和现场测试，我们发现只要我们在起跑线对算法进行优化，完全可以解决起跑线的问题，在其他地方我们只要在算法里进行去干扰处理，可以解决干扰问题，没有必要再用到红外传感器。 最终我们采用方案一。 7 第二章 系统方案摄像头方案的选择： 1.采用 CCD 摄像头。CCD 摄像头优点是成像质量好，特别是动态效果比CMOS 摄像头的效果要好很多
27、。但是 CCD 摄像头的功耗比 CMOS 摄像头要高，工作电流有 100mA 左右。 2.采用 CMOS 数字摄像头。CMOS 摄像头功耗较低，工作电流只有 10mA 左右。并且 CMOS 摄像头出来直接是数字信号，弥补了 XS128 单片机 AD 采样率慢的缺点。 综上所述，我们采用 CMOS 数字摄像头。 2.2.2 速度控制总体方案 在保证赛车稳定性的前提下，提高速度是获胜的关键，也是我们设计的重 点。同时赛车的重量和重心的调整也是我们设计时要考虑的问题。对赛车速度 的控制主要有两种方案。即：开环控制和闭环控制。 方案一：开环控制 开环控制是指没有反馈的控制。即通过预先设定的方案，没有外
28、部反馈地进行操作。优点在于操作和控制比较简单，只需要提供理论运行的过程然后编程调整即可实现。缺点在于理论和实际始终有一定的误差，实践证明开环控制的精度不高，无法切实有效的提高速度。 方案二：闭环控制 闭环控制是指具有反馈的控制。在系统运行过程中，需要不断检测赛车速度的状态， 与预期的状态进行比较， 当相差到一定程度时， 修正误差， 精度很高。但是缺点在于电路的搭建和程序的编制都比开环控制要复杂。实现电机的闭环控制传感器主要是采用旋转编码器，在电机转动一定角度的时候形成脉冲，由外部器件捕获这些脉冲，得出与实际运行的差异。 开环速度控制实现起来比较简单，但速度会随着电池电压的变化而变化，不能实现对
29、速度的精确控制。为了使小车能以不同的速度通过不同的弯道，精确的速度控制是关键。而且由于赛道上有斜坡，赛车安全通过斜坡的关键是控制上坡和下坡的速度，所以对于采用速度闭环控制的赛车来说通过斜坡就像是通过普通的直道一样的简单，不需要对斜坡进行专门的检测。 综上所述，采用速度闭环控制方案。 52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 2.2.3 转向控制 转向模块主要由舵机实现，舵机的响应速度和舵机臂长决定了转向控制的实时性。舵机的响应速度与驱动电压和控制舵机的 PWM 波周期有联系，通过查阅相关资料得知，在电压允许条件下，驱动电压越高舵机的响应速度越快。调试过程中我们发现直接使用电池电压供电舵机也可
30、以正常工作，我们把控制舵机的 PWM 波周期调整为 16ms，把舵机臂长加长，舵机的响应速度有了很大提高，实现了对赛车的快速转向控制。 2.3 本章小结由以上的分析确定系统的总体方案：采用 CMOS 摄像头进行路径检测，舵机实现小车的转向控制，速度闭环控制方式对小车的速度实施精确控制。系统的整体框图如图 2-1 所示： CMOS 摄像头 舵机输出MC9S12XS128编码器电机驱动电路电机输出图 2-1 系统的整体框图 本章通过论证和比较，确定了系统的整体方案。在以下章节中我们将对这套方案进行详细介绍。9 第三章 机械结构的系统设计与实现第三章 机械结构的系统设计与实现 为了让赛车能在直道和弯
31、道上高速稳定的通过，而且转弯比较灵巧，快速，除了有相应的软件和硬件电路的设计之外，赛车的机械结构对其也有很重要的影响。所以我们对赛车的机械结构也做了一些相应的调整。本章的将主要介绍赛车车模的机械特点和调整方案。 3.1 车模安装与机械结构改造 要使赛车跑出好成绩，除了算法的优化，还要调整赛车的机械结构。机械结构的调整是一个需要通盘考虑的问题，赛车的机械性能对小车行驶性能有很大的影响。安装时需要考虑的要点是： （1）符合组委会规定的赛车的尺寸要求 （2）安装的可靠性 （3）安装的轻便性 （4）方便摄像头准确快速的检测 （5）车体各部分重量的分配。质心问题，保证赛车转弯、加速在安装车模与车模结构改
32、造过程中， 通过不断的调试摸索， 经过对比之后，我们对小车的机械结构进行了改进，提高了小车的过弯性能和行驶的稳定性，达到了满意的效果。下面分别进行介绍。 3.1.1 车模安装从拿到车模开始，车模安装便是第一项很重要的工作，车模零件比较多并且很繁琐，安装时要有细心和耐心。 首先，认真阅读车模安装说明书，从中了解各零件的编号和作用，安装步骤，车模的基本结构蓝图等。 其次，根据说明书安装。找一个比较宽敞得桌面并在上铺上一块比较大的抹布，把各零件袋和安装工具准备齐全，还可以把比较小且常用的零件放在桌面上，这样既可以提高安装效率，也可以防止安装过程中零件的滑落，丢失。 52 第五届全国大学生智能汽车竞赛
33、技术报告 安装结束后，对小车各部分进行检查和调整，主要是以下几个方面： （1） 驱动电机齿轮传动机构，确保齿轮咬合紧密，顺畅。 （2） 前轮转向机构，传动杆与舵机连接可靠，舵机工作时无晃动。 （3） 轮胎，胎内海绵垫平铺无褶皱，轮胎轮毂与表面橡胶可靠固定。 （4） 前后轮主轴合适固定，减少车轮滚动阻力。 3.1.2 机械结构调整 在比赛规则允许范围内，通过对小车机械结构进行改造，可以减少软件的复杂性，也可以提高小车行驶稳定性和过弯性能。 3.1.2.1 舵机的安装和改进 （1）舵机竖直安装。如图所示： （2）舵机水平安装。如图所示： 11 第三章 机械结构的系统设计与实现（3）加长并加工舵机输
34、出力臂。其原因主要是舵机转动一定角度有时间延迟，时间延迟正比于旋转过的角度。舵机的响应速度直接影响模型车的过弯的最高速度，加长输出力臂，舵机转动很小的角度便可使前轮转动比较大的转角，提高了舵机的响应速度。这时，两前轮的连杆水平，舵机在转动时有最大的输出力矩，转向很轻便。 3.1.2.2 前轮的调整 在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等 4 个项目决定，反映了转向轮、主销和
35、前轴等三者在车架上的位置关系。主销后倾角是前轮主销与前轮垂直中心线之间的夹角，也就是主销上端向后倾斜的角度。主销内倾角是前轮主销在赛车水平面内向内倾斜的角度，虽然增大内倾角也可以增大回正的力矩，但增大内倾角会在赛车转向的过程中，增大赛车与路面的滑动，从而加速轮胎的磨损，由于轮胎对地的附着力对防止侧滑有很重要的影响，所以如果轮胎磨损则得不偿失，所以内倾角调整为 1，前轮外倾角是前轮的上端向外倾斜的角度，如果前面两个轮子呈现“V” 字形则称正倾角，呈现 “八”字则称负倾角。由于前轮外倾可以抵消由于车的重力使车轮向内倾斜的趋势，减少赛车机件的磨损与负重，所以赛车安装了组委会配备的外倾角为 1，前轮前
36、束52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 是前轮前端向内倾斜的程度，当两轮的前端距离小后端距离大时为内八字，前端距离大后端距离小为外八字。由于前轮外倾使轮子滚动时类似与圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。但由于拉杆的作用使车轮不可能向外滚开，车轮会出现边滚变向内划的现象，从而增加了轮胎的磨损。前轮外八字与前轮外倾搭配，一方面可以抵消前轮外倾的负作用，另一方面由于赛车前进时车轮由于惯性自然的向内倾斜，外八字可以抵消其向内倾斜的趋势。外八字还可以使转向时靠近弯道内侧的轮胎比靠近弯道外侧的轮胎的转向程度更大，则使内轮胎比外轮胎的转弯半径小，有利与转向。 3.1.2.3 后轮距及后轮差速的调整 差
37、速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。当车辆在正常的过弯行进中(假设：无转向不足亦无转向过度) ，此时 4 个轮子的转速( 轮速)皆不相同，依序为：外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高 以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。 由于速度高，赛车在转弯时容易翻倒，为了增加整车的平衡能力，通过改装后轮连接臂上的螺孔位置来调节轮距，从而增加的小车的稳定性。 3.1.2
38、.4 齿轮传动机构的调整 车模后轮采用 RS-380SH-4045 电机驱动，由竞赛主办方提供。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，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。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，白白浪费动力;传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象。齿轮传动机构的调整就是调整电机输出轴的齿轮与后轮轴上齿轮之间的耦合程度。当耦合比较松时由于两齿轮之间存在较大的缝隙，齿轮转动时会产生很大的两齿轮之间的碰撞声音，这样会大大增加齿轮的磨损。当耦合的比较紧时齿轮之间的摩
39、擦力变大，这样就会使电机分出一部分驱动力克服齿轮之间的摩擦力做功，电机的负载无形中就增强，从而减小了电机对后轮的驱动能力。 为了使齿轮的调整比较适当，经过多次的调试，我们发现用听齿轮之间的13 第三章 机械结构的系统设计与实现声音的办法来调整其耦合程度效果不错。当齿轮耦合较松或两齿轮之间不平行时的声音很响，也就是齿轮之间撞击的声音很大，当齿轮耦合比较紧时声音很沉闷并且迟滞，最佳状态是基本上没有撞击的声音，声音清脆并且没有迟滞现象。 3.1.2.5 底盘和重心的调整 按照常规，车辆底盘高度越低，车辆重心越低，后轮抓地力越好，前轮转越敏感。因此在很多赛车比赛中，提高速度有效方法就是降低底盘高度。
40、另外，我们将电路板做得非常小，刚好能放在舵机和电池架中间的底板上，这样，不但可以压低模型车的重心，防止高速过弯时翻车，也可以使纵向重心前移，增加转弯性能。同时也可以减轻模型车的质量，让赛车能在最短时间内加到最大速度。原始车模得重心大概在车的中后部，在电池架的中间。我们在调试的过程中发现模型车过弯时，转向往往不足，不够灵敏。我们加工了一个舵机支架和摄像头支架，铝合金材料既有足够的刚性，质量也比较轻，让模型车的重心前移至模型车的中部。除此外，我们在装旋转编码器时也把其装的很低，以降低赛车的重心，提高赛车行驶的稳定性。除了对车辆重心纵向的调整之外，车辆重心的前后方向调整，对赛车行驶性能，也有很大的影
41、响。根据车辆运动学理论，车身重心前移，会增加转向，但降低转向的灵敏度（因为大部分重量压在前轮，转向负载增大） ，同时降低后轮的抓地力；重心后移，会减少转向，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加。因此，调整合适的车身重心，让车模更加适应比赛赛道很关键。为了保证赛车足够的转向和防止在高速入弯时出现甩尾现象，我们让重心大概在赛车的中心，在过弯时，使其前后轮的侧向摩擦力大体相当，从而提高过弯性能和稳定性。 3.2 电路板的安装 52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 电路板是模型车上的核心部分，在安装时，考虑到电路板的稳定性和模型车的重心等问题，我们把电路板做的比较小，安装在舵机和电池支架中间的底
42、板上。我们在底板上打 2 个螺孔，分别将电路板的 2 个固定孔固定在底板上，保证电路板的牢固性，同时还可以压低重心并使重心前移，提高模型车的过弯性能和稳定性。安装图如下： 3.3 传感器的安装3.3.1 摄像头的安装 安装摄像头时，要考虑的因素很多。安装过高时视野比较宽，黑线变得很细甚至在图像的远端根本采集不到黑线。同时受到的干扰和抖动都很强烈，过弯时也容易翻车。安装过低，视野变小，图像变形严重，而且容易反光。在过急弯时“丢线 ”现象比较严重。摄像头支架安装在模型车的前与后也有不同的效果，安装在前面，过弯时赛车甩的很严重，摄像头抖的厉害，模型车高速行驶时，稳定性能不是很好。安装在中间时，摄像头
43、比较稳定，转弯时几乎不丢线，能正确把握路面信息，提高小车行驶的稳定性和过弯性能。 15 第三章 机械结构的系统设计与实现考虑到以上因素，我们将摄像头安装在模型车的中间稍微靠前一点，用铝合金的材料做支架，质轻且刚度较好，抖动不强烈。安装的高度大概在距底板 15cm的位置，这样能够满足前瞻性好，图像变形不是很严重，视野足够宽的要求。 安装支架 AutoCAD 图片如下图所示： 实物图如下： 3.3.2 旋转编码器的安装 旋转编码器在安装时主要考虑其能否和电机齿轮很好的咬合，不至于速度较快时，出现速度检测不准的现象。我们把旋转编码器齿轮通过一个大齿轮传动和电机齿轮直接咬合，减小误差，同时把其安装在靠
44、近底板位置以降低重心位置，增强后轮的抓地能力。 52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 实物图如下： 3.4 本章小结 本章主要介绍了我们对赛车机械结构进行的安装和改进。根据汽车动力理论将主销后倾角设为度，使车轮具有自动回正的功能。为了缓解前轮的松动影响，设定了一定的主稍内倾和前轮前束。将舵机力臂加长了 2cm,提高了舵机的响应速度。舵机采用竖直安装的方案，使前轮的左右连接杆相等，保证左右转向相同。连接杆和角度调节头几乎垂直，使得转向时舵机有最大的输出力矩，赛车过弯的性能也有了很大的提高。通过调整底盘前部的高度，使赛车的底盘呈现前高后低的姿态，提高了赛车过斜坡的性能。重心的调整，加宽后轮距
45、和前轮的调整，大大的减少了赛车转向不足，侧滑等严重问题，使赛车后轮的抓地力和前轮转向力之间有了一个很好的均衡。对前轮、后轮、和舵机的一系列调整，提高了赛车的行驶性能。17 第四章 硬件系统设计与实现第四章 硬件系统设计与实现 4.1 硬件系统框图硬件系统主要包括电源模块、单片机模块、升压模块、视频采集模块、速度传感模块和驱动模块。为了使得电路更加紧凑、外部引线更少，我们独立设计了一块核心控制电路板。各硬件模块之间的拓扑框图如图 4-1。 5V 稳压 摄像头 FIFO电池 编码器 XS128舵机 BTS7960B 电机驱动 电机图 4-1 硬件系统框图 4.2 电路板的设计与制作 为了使得电路更
46、加紧凑、外部引线更少，我们独立设计了一块核心控制电路板，尺寸为 50mm*56mm。电路板上包括了 S12 单片机工作所必需的稳压模块、时钟模块和复位模块，同时还包括了电机驱动电路、 BDM 调试接口、以及其他一些52 第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 电路的接口等。PCB 图如下所示： 42 23211 11221212021 1201212 11 211234567121 22221118 01211211 21203 222112132432651187222221111212341876521 12122 34567121232180110221357342 2 124683133
47、11224 32 1231221142121135792468101111122222222221154221231541413121110982765432101123006 4 21 1 2 2122 1 121 21 21 2 04.3 电源模块电源是模型车各电器部分的动力来源，我们根据各部分的具体情况，对电源电压进行了分配。其中，考虑到舵机是个滞后性元件，为了提高其转动灵敏性，用电源直接给舵机供电。电源分配如图 4-2。 电池舵机 5V 稳压 电机驱动XS128 摄像头 编码器19 1第四章 硬件系统设计与实现图 4-2 电源管理 4.3.1 5V 稳压模块 智能车系统采用配发的标准的
48、车模用的 7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄电池进行供电，但各个模块所需要的电压不同，因此需要进行电压调节。电源系统的好坏直接关系到整个系统的稳定性。 4.3.1.1 稳压芯片选择 稳压芯片主要有线性稳压芯片和开关稳压芯片两种。 电机和舵机的突然启停会使电池电压骤变，一般会把电源电压拉低 1V 多，会对系统电源造成干扰。所以系统的电源必须有一定的抗干扰能力。鉴于开关电源纹波比较大，而线性稳压电源纹波很小，我们选择了使用线性电源，其中我们选择 LM2940 线性稳压芯片。LM2940-5.0，为单片线性稳压芯片，输出电压5.0V,最大输出电流 31A，且具有很小的压差功能，模型车突然加减速时不会发生复位，可以满足系统的供电要求。 4.3.1.2 电路设计 为了减少电机部分加减速导致电池电压下降对稳压芯片的影响，我们专门在 2940 电源输入引脚前串一功率电感，可有效降低电机对 5V 稳压芯片的干扰。 原理图如图 4-3 所示： L VCC V VCCL L图 4-3 5V 电源 52 L1 10uH LV VinR5 R6F FFu u0 07 34 6 3GND第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 4.4 图像采集模块4.4.1 摄像头简介 摄像头分黑白和彩色两种，为达到寻线目的，只需提取画面的灰度信息，而不必提取其彩色信息，所
