飞思卡尔智能车竞赛光电平衡组——技术报告(编辑修改稿)

飞思卡尔智能车竞赛光电平衡组——技术报告(编辑修改稿)内容摘要：

3 测量模块方案选择 路径检测模块 路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣。 通过大量的实验与研究，最终掌握了不同方位的传感器的数据 特性，将其加以有效的结合将有助于路径取优，以期达到快速稳定的效果。 所谓电磁引导就是以电感线圈为传感器，在交变的磁场中产生自感电动势，通过返回的数据判断金属线的位置，配之以传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与控制方法来实现预期的功能，但一般的认识是，在不受外部因素影响的前提下，能够感知前方的距离越远，行驶效率将越高 [3,4]。 在前瞻问题中， 根据传感器的方位不同，可将所有传感器数据进行综合分析，推断出前方路径。 速度检测模块 好的控速效果是建立在精确的反馈的基础上的，同时也是各种速度控制 算法的基础。 在初期的调试阶段，我们用自制的光电码盘配合光电管和比较器获取小车的当前速度，但我们发现这种方法产生的信号并不整齐，影响速度的采集。 最后我们放弃了这种方案而改用信号比较整齐精确的光电编码器来测速。 我们采购到了增量式的分辨率为 100 线的光电编码器。 XS128 有 16 位的脉冲累加器，我们将从光电编码器输出的信号接至 PH1 口，在单片机软件设计中，每隔 5ms 将脉冲累加器中的值读回并将寄存器清零。 这样就能获取光电编码器 5ms的发出的脉冲，进而根据齿轮的比例就能计算出小车的实际速度。 起跑线检测模块 起跑线检测使用干簧管。 经过 反复 测试，发现干簧管放在车前能更好的检测到起跑线。 为了减少震动对干簧管的影响和检测的准确性，我们设计了一个电路板，上面焊接 6 个并联的干簧管 ,本文所设计的起跑线检测 PCB 图 如图 所示 ： 第 八 届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 4 2121 212121 21 2121 21 212121 21 图 起跑线检测 电路图 控制模块方案选择 路径控制模块 智能车竞赛的要求是制作的智能车在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。 所以对于模型车的路径规划是关系到能否在短时间内跑完全程取得优异成绩的关键 因素。 结合以往的比赛情况，电磁引导现主要有两种控制方法： (1) 跟踪电磁导线，以电磁导线为基准，将小车几何中心控制在电磁导线上，主要是经典 PID 控制方法； (2) 适合跑道，通过整体传感器数据特性算出跑道范围，将小车看作刚体，控制使其保持在跑道范围内，可以算作一种智能的模糊控制方法。 无论 采用何 种 控制 方法，为了达到时间最短，必须对小车的行使路线进行优化。 在不考虑交叉的情况下（以行使的角度考虑，交叉属于一种特殊形式，有磁场复合效应），一般的，赛道的形状主要有 3 种 形式，如图 所示。 ⑴ 直线 ⑵ 转弯 ⑶ 波浪 图 赛道的三种基本形状 对于弯道，应 采取 尽量沿着内圈行驶 的策略， 如图 所示。 对于波浪道， 应采取 最优路线为直线穿过 的行驶策略， 如图 所示。 直线 波浪转弯第二章 方 案选择 5 图 过弯时小车行驶路线 图 波浪道小车行驶路线 对两种控制方法的优化： (1) 跟踪电磁导线方法对路线的优化： 跟踪电磁导线对路线的优化要区分开三种基本类型的跑道，在采 用不同的动态性能对路线优化。 直道时响应快速、平缓，需要综合调节各参数。 弯道时可以将超 调量适当放大、调节时间减小，或者进行超前控制。 波浪时应将超调量减小、调节时间加大，或者进行滞后控制。 对于波浪，跟踪电磁导线方法很难做到最优的直线穿越，但可以 采取相应的策略使 小车摆幅减小 ， 如图 所示。 图 波浪道小车的优化 未优化时 优化后第 八 届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 6 (2) 适合跑道的方法对路线的优化 适合跑道的方法对路线 优化 的 主要思想为： A．推断出较长一段赛道信息与小车在赛道上的姿态、位置。 B．根据以上信息算出小车在下一段 时间内的行驶路线。 这种方法的重点主要是 对 行驶路线 所采用的 计算方法。 比较两种方法，如表 所示。 因此为了获得更好的成绩，需要选择适合跑道的方法，并且要综合考虑各种情况，努力提高稳定性。 表 两种方法的比较 本智能车方向的控制是通过 PWM 波对舵机进行控制来实现的。 舵机的控制是通过周期固定的脉冲信号控制的，舵机的转位正比于脉冲的宽度，这个连续的脉冲信号可以由 PWM 实现。 舵机内部会产生一个频率为 50Hz 的基准信号，通过基准信号与外部所给 PWM 波的正脉 冲持续时间进行比较，从而确定转向和转角的大小。 当所加 PWM 波的频率为 50Hz 时，脉宽与转角之间满足下图 所示的线性关系。 1 1 0 0 1 5 0 0 1 9 0 0脉 宽 — 转 角 （ + 为 顺 时 钟 方 向 ）+ 4 5 176。 4 5 176。 转 角/ ( 176。 )脉 宽/ ( u s e c ) 图 脉宽与转角之间的线性关系 跟踪 电磁导线 适合跑道 复杂程度 一般 较复杂 稳定性 较好 未知 优化性能 一般 较好 第二章 方 案选择 7 因此本文 对舵机的控制采用离散 PID 控制，即根据电感线圈返回的数据计算出当前时刻车与黑线的精确夹角，然后对方向控制量进行校正。 速度控制模块 本届大赛组委会规定使用的后轮驱动电机型号为 RS380ST/3545，工作在，空载电流为 ，转速为 15300 r/min。 在工作电流为 ，转速达到 13100 r/min 时，工作效率最大。 由于单片机输出的脉宽无法驱动大赛提供的直流电机，因此需要通过电机驱动芯片 BTS7960B驱动电机正转、反转。 由于单片机带有 PWM输出端口， PWM波获取方便，为了加强灵活性，能实时改变控制量，所以我们利用 PWM 脉宽与速度的对应关系对电机进行控制。 执行模块方案选择 路径执行模块 通过装在车前的六路传感器得到的模拟信号，由单片机进行 AD 转换进行 相应 处理 [6]， 根据其结果 找到金属线 以便对路径进行识别。 方向执行模块 本智能车的方向执行机构是舵机 S3010，舵机控制采用 PWM 技术，不同占空比对应不同的转角 [21]。 由于舵机内部含有自带的比较电平，有利于精确控制。 舵机的额定电压一般是 6V，本模型车舵机额定电压为 6V。 当额定电压为6V时，功率通常更强劲，速度也更快。 这意味着只要提高舵机的电压，就可以获得更大的功率输出和更快的速度。 对于提高电压这种未经认可的做法，每一家厂家的舵机反应也不尽相同。 经实践认证，本模型车的舵机完全可以工作在。 因此 ，提高了功率并加快了速度。 另外，舵机的响应时间对于控制非常重要，一方面可以通过修改 PWM 周期获得。 另一方面也可以通过机械方式，利用舵机的输出转角余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度。 本文在后面的模型车改装中将详细介绍。 速度执行模块 本智能车的速度执行机构是电机 RS380ST/3545，采用 PWM 控制，利用脉第 八 届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 8 宽占空比与速度的对应关系进行调速。 采用电机驱动芯片 BTS7960B[7]，两片组成“ H”桥，可以快速实现电机的正转反转，从而对速度进行实时调整，精确控制。 本章小结 根据本章以上 的模块方案比较与论证，得出本智能车控制系统模型框图如图 所示 ： 转 向 机 构传 感 器 模 块舵 机 模 块光 电 编 码 器 电 机 制 动 装 置前桥后桥S 1 2 主 控 模 块 图 系统模型框图 9 第三章 机械结构设计 在智能车比赛中，最主要的比赛内容是速度，而模型车的机械结构无疑是影响速度的关键因素之一。 鉴于 此 ，我们对模型车的机械结构做了很多的 改进工作，进行了大量的调整，达到 比较满意的效果。 智能车参数要求 ：车模尺寸宽度不超过 250mm ：传感器数量不超过 16 个：磁场传感器在同一位置可以有不同方向传感器，计为 一个传感器。 ： S3010，伺服电机数量不超过 3 个。 ： RS380ST/3545 2020 微法；电容最高充电电压不得超过 25 伏。 车模组装与改造 车模组装 模型车的组装工作看似简单，实则需要很多的耐心和经验。 首先，仔细阅读说明书。 通过阅读模型车的装配图，可以了解各个不同零件的用途和安装顺序。 然后，根据模型车的装配图组装智能车模型。 由经验得到，在组装过程中，不但要注意模型车的组装顺序，而且由于模型车零部件较小，组装过程中 要防止零部件滑落和丢失。 特别是，由于模型车上的大部分零部件材质均为塑料，在拧螺丝以及对零件进行加工时要格外的小心，以免损坏。 前轮定位的调整 在调试中我们发现，模型车过弯时，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，我们对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。 前轮定位参数主要包括：主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束 [8]。 第 八 届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 10 主销后倾角是主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角。 主销内倾角是主销轴线与 地面垂直线在汽车横向断面内的夹角。 前轮外倾角是汽车横向平面与车轮平面的郊县与地面垂线之间的夹角。 在一般情况下，主销后倾角为 03 度，主销内倾角为 010 度，前轮外倾角为 0度或者 1 度。 在本模型中，后倾角过大会使得模型车转向沉重，从而使舵机转向存在严重的滞后，故在模型车中将主销后倾角调整为 0 度；主销内倾角过大不仅会使得转向变得沉重，还将加速轮胎的磨损，因此将主销内倾角控制在 5度以内；前轮外倾角和前轮前束分别设为 0 度、 0mm。 差速的调整 模型车的差速对转弯时的影响很大，差速不好会导致后轮空转 ，发生侧滑现像。 我们通过采用添加推力轴承和润滑油的方法，改进差速装置，使得模型车在转向时，右轮与后轴之间的摩擦大大降低，从而提高差速的效果和提高小车的转向性能。 舵机力臂的调整 相对于 S12 单片机的处理速度，舵机的响应存在着较大的延时，对舵机的改造着实需要。 在相同的舵机转速条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快，本模型车中通过用转向盘代替舵机上的曲柄来增大舵机的上连接点到舵机中心的距离，增加了输出转动力矩，使得前轮在转向时更加灵敏 ，对舵机的改造如图 所示。 图 舵机的改造 第三章 机械结构设计 11 电感线圈的安装 考虑到“立式”与“卧式”电感线圈的特性，选择水平横向均匀排布“卧式”电感线圈六路，这样既可以达到准确检测道路信息的要求，又可以减少传感器整体的重量。 靠近边缘处对称排列各两路“立式”电感线圈，以避免其出现归零的特性，“立式”与“卧式” 电感线圈的 具体排布 如图 所示， 其各自的特性 如图 所示。 图 图 立式与卧式数据特性 模型车传感器的架设主要要考虑一下几个因素 [8]： 确保各路电感线圈对称，如若排列中心不居中，而处理 程序对舵机输出量是居中的，这样就会导致模型车在直道上也会存在左右摆动的问题。 电感线圈的高度要足够高，这样可以使得模型车获得足够远的道路信息，由于对于“立式”电感线圈，距离跑道太近则体现不出前瞻特性。 电感线圈的架设一定要是固定不变的，因为对应的调试程序是根据电感线圈的衰减特性来判断道路信息的，而不同高度的电感则具有不同的衰减特性。 这样有利于程序的连续性和可修改性。 第 八 届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 12 4. 斜方向的电感线圈对方向的要求则非常严格，因为角度的不同会导致线圈本身的数据特性发生变化， 只是数据不对称，会产生控制不精确现象。 光电编码器的安装 对光电编码器的安装，可以将光电盘码安装在电机轴上，通过先计算电机转速再来计算模型车后驱动轴得知车速。 但是，这种方法太麻烦，并且在电机轴上装光电码。