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I第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：武汉科技大学队伍名称：首安一队参赛队员：余义郑力铭夏智龙带队教师：章政赵敏-1-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届“飞思卡尔”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：-2-目录目录.............................................................2引言...........................................................4第一章方案分析与设计..............................................51.1直立控制方案的分析..............................................51.2系统总体方案的选定..............................................81.3系统总体方案的设计..............................................8第二章智能汽车机械结构调整与优化..................................92.1智能汽车车体机械建模............................................92.2智能汽车传感器的安装..........................................112.2.1速度传感器的安装...........................................112.2.2线形CCD的安装...........................................122.2.3车模倾角传感器的安装.....................................132.3重心高度调整...................................................142.3.1电路板的安装.............................................152.3.2电池安放.................................................152.4其他机械结构的调整............................................15第三章智能汽车硬件电路设计.......................................163.1主控板设计.....................................................163.1.1电源管理模块.............................................183.1.2电机隔离与测速模块.......................................183.1.3电机驱动模块.............................................193.1.4接口模块.................................................203.2智能汽车传感器.................................................203.2.1线性CCD传感器...........................................233.2.2陀螺仪和加速度计.........................................243.2.3编码器...................................................243.3OLED液晶显示屏，键盘，拨码....................................25第四章智能汽车控制软件分析与设计.................................274.1小车整体软件设计...............................错误!未定义书签。-3-4.2线性CCD传感器路径精确识别技术.................错误!未定义书签。4.2.1新型传感器路径识别状态分析...............................304.2.2线性CCD传感器路径识别算法...............................304.3弯道策略分析...................................................314.3.1灯塔策略分析.............................................314.3.2弯道策略分析.............................................344.3.3直角策略分析.............................................344.3.4十字策略分析.............................................374.3.5障碍策略分析.............................................404.3.6坡道策略分析.............................................404.4对速度的闭环控制..............................................404.5电机控制.......................................................42第五章开发工具、制作、安装、调试过程.............................435.1开发工具......................................................435.2调试过程......................................................44第六章模型车主要参数.............................................45第七章结论...................................................46参考文献.......................................................48-4-引言全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛，以“立足培养、重在参与、鼓励探索，追求卓越”为宗旨，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，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。该项竞赛以智能自循迹小车作为载体，以小车的速度、智能启停能力和自主寻路及处理能力作为考核标准，其中由组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，并规定使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位或32位微控制器作为核心控制模块，再加上限定范围的传感器，由各队队员自主完成硬件电路设计、系统软件设计和机械结构改装，经调试后到规定地点进行比赛。竞赛要求在规定的汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动模块以及编写相应控制程序，制作完成一个能够自主识别道路的模型汽车。智能汽车竞赛的赛道路面为宽度不小于45cm的白色面板，赛道两侧边沿有宽为25mm的连续黑线作为引导线。参赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛道。整个系统涵盖了机械、电子、电气、传感、计算机、自动化控制等多方面知识，具有很强的实际考核意义。在本次比赛中，本组使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔32位微控制器MKL26Z256VLL4作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制系统。在制作小车的过程中，我们使用E型车模，E车轮子大，好平衡，当你调E车模时，会发现他很容易就平衡了，关键是调整重心，使其全部落到轮子的铅垂线上。我们对小车的整体构架也进行了深入的研究，分别在机械结构、硬件和软件上都进行过改进，硬件上主要是考虑并实践各种传感器的布局，改进驱动电路，软件上先后进行了几次大改，小车的寻线方式采用适应性较强的优化的位置加权的方法。控制算法上，速度采用PI控制，转向采用PD控制，平衡采用PD控制。在这份报告中，我们主要通过对整体方案、机械、硬件、算法等方面的介绍，详细阐述我队在此次智能汽车竞赛中的思想和创新。具体表现在电路的创新设计、算法以及辅助调试模块等方面的创新。在准备比赛的过程中，队员查阅了大量的专业资料，反复地调试汽车模型的各项参数。所有队员都为此次智能汽车竞赛付出了艰苦的劳动。这份报告凝聚着武汉科技大学智能汽车队光电组全体队员的心血。5第一章方案分析与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直立控制方案的分析根据比赛规则要求，维持车模直立也许可以设计出很多的方案，本参考方案假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个后车轮。后轮转动由两个直流电机驱动。因此从控制角度来看，车模作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务，如图1.1所示：（1）控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；（2）控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。（3）控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。图1.1三个分解后的任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象（车模的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。为了方便分析，在分析其中第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。比如在速度控制时，需要车模已经能够保持直立控制；在方向控制的时候，需要车模能够保持平衡和速度恒定；同样，在车模平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。这三个任务中保持车模平衡是关键。由于车模同时受到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。因此对车模速度、方向的控制应该尽量保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰。以速度调节为例，需要通过改变车模平衡控制中车模倾角设定值，从而改变车模实际倾斜角度。为了避免影响车模平衡控制，这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。车模平衡控制是通过负反馈来实现的。因为车模有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。如图1.2所示。图1.2下面对倒立车模进行简单数学建模，然后建立速度的比例微分负反馈控制，根据基本控制理论讨论车模通过闭环控制保持稳定的条件。假设倒立车模简化成高度为L，质量为m的简单倒立摆，它放置在可以左右移动的车轮上。假设外力干扰引起车模产生角加速度()xt。沿着垂直于车模地盘方向进行受力分析，可以得到车模倾角与车轮运动加速度以及外力干扰加速度()at()xt之