北京理工大学电磁组技术报告

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：北京理工大学队伍名称：星际航行者参赛队员：孙冠韩冬冯丹带队教师：张幽彤冬雷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，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名：孙冠韩冬冯丹带队教师签名：张幽彤冬雷日期：2010.8.13摘要本文介绍了半年多来北京理工大学星际航行者车队队员们在准备Freescale智能车大赛过程中的工作努力成果。智能车的硬件平台采用带MC9S12XS128处理器的S12环境，软件平台为CodeWarriorIDE5.0开发环境，车模采用大赛组委会统一提供的1：10的仿真车模。文中介绍了智能小车控制系统的软硬件结构和开发流程。整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略优化等多个方面。为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性，试验了多套方案，并进行升级，进行了大量底层和上层测试与调试，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。关键字：智能车，电磁导航，模糊PID控制第一章引言1.1研究背景介绍教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等几大竞赛的基础上，经研究决定，委托教育部高等学校自动化教学指导分委会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛，并成立了由教育部、自动化分教指委、清华大学、飞思卡尔半导体公司等单位领导及专家组成的“第一届‘飞思卡尔’杯全国大学生智能汽车邀请赛”组委会。该竞赛是为了提高大学生的动手能力和创新能力而举办的，具有重大的现实意义。与其它大赛不同的是，这个大赛的综合性很强，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，这对进一步深化高等工程教育改革，培养本新意识，培养硕士生从事科学、技术研究能力，培养博士生知识、技术创新能力具有重要意义。以智能汽车为研究背景的科技创意性制作，是一种具有探索性的工程实践活动，其本质也是人类创造有用人工物的一种训练性实践，其过程属性是综合，而结果属性很可能是创造。通过竞赛，参赛的同学们培养了对已学过的基础与专业理论知识与实验的综合运用的能力；带着背景对象中的各种新问题，学习控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科新知识，包括来自不同学科背景大学生的相互学习，逐渐学会了在学科交叉、集成基础上的综合运用；若是以实用为目的，还必须考虑考虑可靠性、寿命、外观工业设计、集成科学与非科学，在具体约束条件下融合形成整体的综合运用。这样的训练是很有意义的。在智能车的开发过程中，各参赛队伍需要改装竞赛车模，完成智能巡线小车的制作。在此过程中需要学习嵌入式系统开发环境与在线编程方法、单片机接口电路设计，自行设计并实现识别引导导线的硬件电路、电机的驱动电路、车速反馈电路、智能车舵机控制电路以及能使小车在不驶出赛道的前提下可能快速行驶的控制策略与软件算法。第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛，已于2006年8月21日在清华大学顺利结束。为了使更多的高校、更第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告多的大学生参与到这一活动中来，第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的理工类高等本科学校约270余所参赛，每个参赛学校限2个队；分五个赛区进行预赛，各分赛区的优胜队参加决赛。第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛将参赛规模扩大到每校四个队伍，比赛的普及性进一步提高。第五届比赛更是加入了全新的磁导航组，增加了比赛的多样性和精彩程度。智能车的开发与设计涉及到多个专业领域，对于大学生综合素质的培养，知识面的拓展和分析问题解决问题的能力的提高很有意义，并且有利于提高大学生的动手能力、激发创新能力。此外，制作这样一个高性能智能小车的过程，也是需要同组成员相互协作、紧密配合的过程，在此过程中，团队成员的交流与合作也显得尤为重要。本届比赛分为光电、摄像头和磁导航三个赛题组。本文中主要介绍磁导航赛题组的智能车制作。1.2系统方案介绍磁导航组为本届比赛全新加入的组别，没有成型的技术方案和资料可供参考，我们根据竞赛秘书处公布的资料和实际实验的结果，采用电感进行路径检测；算法方面，采用目前在智能车控制方面比较常见的模糊PID算法，结合人工调参，达到比较理想的控制效果。1.3章节安排本技术报告总共分为七个章节。第一章节是引言，主要介绍研究背景、系统方案等。第二章节是技术方案概要说明，主要内容是对整个技术方案的概述。第三章节是机械系统设计说明，主要对小车的机械结构以及运动性能进行了分析，得出了一些小车在设计安装过程中应该要注意的问题。包括智能车前轮定位的调整、转向机构调整优化、后轮减速齿轮机构调整、其他机构的调整等。第四章节是对硬件电路设计的说明，主要介绍系统传感器的设计及其他硬件电第一章引言路的设计原理、创新点和实现过程等。第五章节是对系统软件设计部分的说明，主要内容是智能模型车设计中主要用到的控制理论、算法说明及代码设计介绍等。第六章节是模型车的各项参数，包括车模基本尺寸，电路功耗以电容总容量等。第七章节是结论，对本模型车的特点、存在的问题、可行的改进措施等。第二章技术方案概要说明2.1智能车系统分析在满足大赛要求的前提下，设计的智能小车应具有良好的自主道路识别能力和稳定性，并能以较快的速度行驶。因此，智能小车系统的设计主要包括以下两部分：1、完成智能小车控制器的硬件电路设计，根据大赛要求，调整和改进智能车模的机械结构，最大限度的发挥小车的性能。2、结合软件算法，使小车转向准确、稳定，能够安全通过各种弯道和十字交叉路口。在保证智能车可靠运行的前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同时应充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。作为能够自动识别道路运行的智能汽车，信息处理与控制算法至关重要，主要由运行在单片机中的控制软件完成。因此，控制软件的设计是智能车的核心环节。2.2智能车系统硬件结构设计经过分析整个智能车系统，可知系统完成的功能如图2.1所示。第二章技术方案概要说明其中MC9S12XS128是系统的控制核心。它负责接收赛道信息、小车速度等反馈信息，并对这些信息进行处理，得到合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。舵机模块和电机驱动分别用于实现小车转向和驱动。电源管理模块主要为单片机及路径识别电路、转向舵机、后轮驱动电路三大部分提供稳定的直流电源。路径识别模块由传感器、外围电路和S12的AD模块组成，其功能是获取前方赛道的信息，以供S12作进一步分析处理。速度检测模块由传感器、外围电路和S12的脉冲计数模块组成，通过检测赛车的实时车速为赛车的车速控制提供控制量。2.3智能车系统软件结构设计如果说系统硬件对于智能车来说是它的骨架和躯体，那么软件算法就是它的灵魂。软件算法的优劣直接体现了智能车辆“智商”的高低。所以软件系统对于智能车来说至关重要。首先，赛车系统通过路径识别模块获取引导导线的位置信息，同时通过速度检测模块实时获取赛车的速度。利用赛车与黑线位置的偏差和检测到的实时车速，结合模糊控制PID策略对赛车的舵机角度和行进速度进行恰当的控制调整，使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。赛车系统的软件流程如图所示。第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告开始系统初始化采集黑线位置转向舵机控制转速电机控制图2.2系统控制流程图第三章机械系统设计说明智能小车的机械性能对于其行驶表现具有非常重要的影响，任何控制算法和软件程序都需要通过智能小车的机械结构来执行和实现。为使模型车在比赛中发挥出最佳性能，使其直线行驶稳定，入弯转向灵活，结合汽车理论相关知识对智能小车的运动特性进行分析，并据此对智能小车的底盘结构进行相应的调整和参数优化。3.1智能车的整体结构此次比赛选用的赛车车模采用1/10的仿真车模。赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，后轮驱动方案。具体车模数据如下：表3-1车模基本尺寸参数轴距200mm前轮距125mm后轮距140mm车轮直径53mm车长400mm车宽250mm传动比18/76第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告模型车的底盘结构图如图3.1。图3.1模型车的底盘结构3.2智能车运动学状态方程在只考虑车辆的平面运动情况下，当转向时，车辆只做平面运动及平面旋转运动，如图3.2、3.3所示。VrVfLw图3.2小车转向示意图第三章机械系统设计说明LR图3.3转向平面图由角速度的定义可知2rVwTR公式3.1tanLR公式3.2可以将车辆的角速度表示如下：tanrvL公式3.3其中，rv为车辆后轮轴中心线速度，L为车辆轴距，为前轮转角。则小车方位偏差e为：e==tanrvL公式3.4其中为跟踪路径曲率变化对侧向偏差的影响，当跟踪路径为直线时其值为零。不考虑车辆侧滑时，车辆前轮轴中心处速度矢量fv为：frvvL公式3.5第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告则侧向偏差elcossineffdlvev公式3.6其中d表示路径曲率变化对侧向偏差变化率的影响。由公式4、公式6即构成状态变量为el及方向偏差的赛车运动学状态方程：10tan100eedrrllvveeL公式3.73.3智能车四轮定位参数的选择为保证智能小车直线行驶稳定，转向轻便灵活并尽可能的减少轮胎磨损，需要对小车的四轮定位参数进行调整。四轮定位内容主要有：主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束，外侧车轮二十度时，内外转向轮转角差，后轮外倾角，后轮前束。其中，前轮定位的参数对小车性能有着至关重要的影响，这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系。本文将对这四个参数做详细阐述。3.3.1主销后倾角主销：转向轮围绕主销进行旋转，前轴的轴荷通过主销传给转向车轮,具备这两点的就叫做主销。主销内倾和车轮外倾角度主要是由转向节决定的。主销后倾角：主销的轴线相对于车轮的中心线向后倾斜的角度。前轮重心在主销的轴线上由于主销向后倾斜使前轮的重心不在车轮与地面的接触点上，于是产生了离心力，主销后倾形成的离心力，可以保证汽车直线行驶的稳定性还可以帮助车轮自动回正。主销后倾角延长线离地面实际接触越远，车速越高，离心力就越大。在高速行驶中保持汽车直线行驶的稳定性，适当的加大主销后倾角可以帮助转向轮自动回正，可有效扼制转向器的摆振，可使转向便轻，单独适量调一第三章机械系统设计说明侧主销后倾角可修理行驶跑偏。主销后倾角靠离心力保证汽车直线行驶和车轮自动回正。高速行驶时跑偏可通过主销后倾角调节。但主销后倾角过大会造成高速时转向发飘。通常后倾角值应设定在10--303.3.2主销内倾角主销内倾角：主销的轴线相对于车轮的中心线向内倾斜的角度,如下图3.4由于主销轴线向内倾斜，所以使前轴荷更接近前轮中心线（前轴重心越接近前轮中心线转向越轻）麦弗逊式悬架分为零主销偏移和负主销偏移两种。当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度；当外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。故主销内倾角可保证汽车直线行驶的稳定性，还可帮助车轮自动回正，主销内倾轴线延长线在没超过前轮中心线的前提下，离前轮中心线越近，转向角越大，转向轮抬起的越高，车轮的回正力矩就越大。从而使转向操纵轻便，同时也减小了由于路面不平而从转向轮输出的力反馈。主销内倾角靠前轴轴荷保证汽车直线行驶和车轮自动回正。但主销内倾角不宜过大，否则在转向时车轮主销偏转的过程中，轮胎与路面将产生较