电子科技大学-成电超音速技术报告-电磁组

第八届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告

第八届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学校：电子科技大学

队伍名称：成电超音速

参赛队员：王硕

李洋

马文建

带队教师：程玉华

第八届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第八届“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：所有参赛队伍必须与大赛各分赛区组委会签订参赛承诺协议，参赛作品的著作权归属参赛者本人，飞思卡尔半导体公司和比赛秘书处可以在相关主页及文献资料中收录并公开获奖作品的设计方案、技术报告及参赛模型车的视频、图像资料。

参赛队员签名：

带队教师签名：

日期：

第八届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告

摘要

本文以第八届全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了智能赛车控制系统的软硬件结构和开发流程。该比赛采用大赛组委会统一指定的A型车模，以Freescale半导体公司生产的32位单片机K60核心控制器,要求赛车在未知道

路上沿着电磁信号以最快的速度完成比赛。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。赛车采用谐振电路对赛道进行检测，提取赛道位置，用PD方式对舵机进行控制。同时通过编码器获取当前速度，采用PID控制实现速度闭环。

关键词：Freescale，智能车，电磁信号，PID

ABSTRACT

In the background of the8th National Intelligent Car Contest for College Students, this article introduces the software and hardware structures and the development flow of the vehicle control system.This contest adopting A-type car model prescribed by the contest organization committee,using the32-bit MCU K60 produced by Freescale Semiconductor Company as the core controller,requires the car finish the race in the fastest speed.The whole system includes the aspects of the mechanism structure adjustment,the sensor circuit design and signal process,control algorithm and strategy optimization etc.It captures the road information through resonant circuit,then abstracts the road position.After that, PD feedback control is used on the steering.At the same time,the system obtains the current speed using a speed sensor,so that it can realize the feedback control of the speed by PID method.

Key words:Freescale，Intelligent vehicle,Electromagnetic signals,PID

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目录

摘要 (Ⅱ)

第一章引言 (1)

1.1大赛介绍 (1)

1.2系统设计框架介绍 (2)

第二章智能车机械结构调整与优化 (3)

2.1智能车参数要求 (3)

2.2智能车整体参数调校 (3)

2.3车模转向结构调整 (3)

2.4编码器安装 (5)

2.5起跑线检测传感器安装 (6)

2.6智能车机械参数调节 (6)

2.7本章小结 (9)

第三章硬件电路设计说明 (9)

3.1单片机最小系统模块 (10)

3.2传感器模块 (10)

3.3舵机模块 (13)

3.4电机模块 (13)

3.5测速模块 (14)

3.6人机交互模块 (14)

第四章智能车控制软件设计说明 (14)

4.1巡线原理 (14)

4.2控制算法 (14)

4.3软件系统设计及实现 (17)

4.4偏差获取 (19)

4.5上位机调试 (20)

第五章系统调试 (21)

第六章车辆主要参数 (21)

第七章总结 (22)

参考文献 (23)

附录A：电路原理图 (23)

附录B：部分程序源代码 (26)

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第一章引言

1.1大赛介绍

为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201号文，附件1)，由教育部高等自动化专业教学指导分委员会（以下简称自动化分教指委）主办全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，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，为优秀人才的脱颖而出创造条件。

该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术

平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。

该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，得到了教育部相关领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区近300所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一（教高函[2007]30号文）。

全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。

本次比赛分为光电、摄像头和电磁三个赛题组，在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，使用电磁信号巡线属于电磁赛题组，除此之外则属于光电赛题组。本论文主要介绍电磁赛题组的智能车制作。

第八届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告1.2系统设计框架介绍

系统是以检测电磁场信号为基础，通过单片机处理信号实现对车体控制，实现车体能够准确沿着预设路径寻迹。系统电路部分需要包括单片机控制单元、电机驱动电路、电磁传感器电路等部分，除此之外系统还需要一些外部设备，例如编码器测速、伺服器控制转向、直流电机驱动车体。综上所述，本智能车系统包含了以下几个模块：

1.电源模块

2.单片机最小系统模块

3.传感器模块

4.电机驱动模块

5.舵机模块

6.测速模块

7.起跑线检测模块

8.人机交互模块

9.陀螺仪模块

系统的整体模块如图1.2.1所示：

图1.2.1系统框架图

第八届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告第二章智能车机械结构调整与优化

2.1智能车参数要求

1.车模尺寸要求：车模尺寸宽度不超过250mm，长度没有限制，比赛过程中长度不得发生改变。

2.传感器数量要求：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。

3.伺服电机型号：FUTABA3010，伺服电机数量不超过3个。

4.电机型号：RS-380

5.全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。

2.2智能车整体参数调校

智能车的整体参数，包括车体重心、舵机电机放置位置、高度，传感器排布方式等，都对整个智能车系统的稳定运行起着至关重要的作用。因此，对智能车机械系统的调节，有助于小车更快更稳定的运行。

小车的布局以精简、可靠、稳定为前提,通过对小车的布局，尽量保证小车左右平衡，以及寻找一个合适的重心，保证小车既能够可靠地抓牢地面，又能够对前轮舵机，后轮电机有较快的响应。小车整体布局图如图2.2.1所示

图2.2.1整体布局图

2.3车模转向机构调整

车模转向由前轮舵机经过连杆将转动转变为平行四边形双摇杆结构的转动，

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最后由平行四边形双摇杆机构带动前轮的左右摆动实现转向。经过分析和测试，发现此转向机构结构相对复杂，效率底下。转向机构原理图2.3.1。

图2.3.1转向机构原理图

图2.3.1取车体为参考系，各固定铰相对车体静止。舵机连杆输出推动平行四边形双摇杆机构转动进而带动前轮转动。β角为压力角，γ角为传动角，他们共同决定了舵机效率的高低，α角反映了舵机的转角。其中舵机效率：

cos *sin ηβγ

=由于对称性，故只讨论α在0-90度的情况，在舵机处于中心位置时角为0度，角为90度，α角为90度，此时舵机效率最高。随着α角的减小，传动角减小，而压力角则增大，根据上式可以看出，效率将迅速减小。当角到达0度，即平行四边形双摇杆机构摇杆1与连接杆1在同一直线上时，此时左轮转动杆转角达到最大值；而当连架杆2和右轮转动杆的夹角等于180度时，α角将不能在减小，此时到达舵机的左极限，同理如果α增大也会存在上述两个极限点。由于上述两个极限点并不是同时到达，甚至还会造成一小段时间内左右轮转向不同的问题。

对于A 车来说，转向角度越大越好，但是从对平行四边形双摇杆机构的分析来看，随着α角的减小，θ角将增大，当到达极限位置时，θ角也到达极限,也就是右轮的右极限。而对于现有的安装方式角是比较大的，因此这也就限定了理论上的转角。而车模本身的限制不仅仅是理论上的，由于各个部件尺寸并不是很合适，造成了转向机构的机械限位，因此在不影响车模强度的情况下，修改和更换掉一些部件，将这些机械限位去掉。

第八届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告为了最大限度的增大转向范围，设计了一种简单且效率较高的方案—长连杆方案，如图2.3.2。

图2.3.2长连杆方案原理图

长连杆方案的优点是：

一、可以根据需要选择舵机输出杆的长度，从而获得所需要的灵敏度，但是

舵机输出杆的长度也不能太长，因为这会对舵机的输出力矩有较高的要求，太长会烧坏舵机。

二、效率较高，舵机的单边（例如取左边）效率,对于长连杆方案来说，左

轮角在增大的同时，右轮角在减小，而且角是在0-45度之间，同时的变动也比较小（45度-135度），因此长连杆的效率变动较小且效率较高。

三、转角大，由于长连杆方案中舵机输出杆的转动在同一个平面内，当其到

达极限位置时，转角比平行四边形方案要大。

四、转向更灵敏，因为放大倍数较平行四边形方案要大。

2.4编码器安装

选用编码器进行速度的测量。根据编码器的形状，我们自制了一个支架，速度传感器用螺钉通过支架固定在后轮支架上，这样固定好之后，就有了较高的稳定性。然后调节编码器齿轮，使其与差速齿轮紧密咬合，增大测速的精确性，但是咬合过紧也增大了摩擦，减小了对电机做功的利用率，影响小车的快速行驶，因此减小摩擦同时增强齿轮间的咬合是我们主要考虑的因素。编码器安装示意图如图2.4.1所示：

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图2.4.1编码器安装示意图

2.5起跑线检测传感器安装

本小车采用的起跑线检测传感器为全极性霍尔开关。磁铁附近存在的强磁场使霍尔开关输出低电平，单片机通过检测低电平引发系统中断。如图2.5.1所示：

图2.5.1起跑线检测模块安装示意图

2.6智能车机械参数调节

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。本节将对这四个参数做详细阐述。

2.6.1前轮调整

小车在调试过程中，转向轮定位参数是很重要的因素，它通常不易被察觉，

第八届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告但是却有着较大的危害。如果取得不恰当，那么将造成转向不灵活，效率低以及转向轮侧滑等问题，使得小车性能下降，加速轮胎的磨损。

转向轮定位参数包括：主销内倾角、主销后倾角、转向轮外倾角及转向轮前束。这其中最重要的就是转向轮外倾角和转向轮前束。

主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正，如图2.6.1。内倾角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。

主销后倾（Caster）是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度，如图2.6.1。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。

图2.6.1主销后倾角

车轮外倾角（Camber）是指从前放看前轴时，轮胎的中心平面不是垂直的，而是上面向外倾斜一个角度，如图2.6.2。设置转向轮的外倾角是为了平衡和协调因为车重造成的前轮内倾倾向，使轮胎和路面呈垂直接触的最佳状态。

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图2.6.2主销内倾角和车轮外倾角

转向轮前束(Toe out)是指同一轴两端车轮轮辋内侧轮廓线的水平直径的端点为等腰梯形的顶点，底边为车轮轴线。等腰梯形两底边长度之差为前束。如图2.6.3所示，当梯形前低边小于后底边时，前束为正（A

图2.6.3前束[4]

2.6.2其他部分调整

其他部分调整主要涉及到小车底盘高度、小车重心位置、后轮距、减震器、齿轮咬合、差速器等。具体调整如下：

1、底盘高度调整：底盘高度可以影响重心。适当降低底盘高度可以使小车重心降低，有利于过弯稳定。实际调整可以通过调整前轮高度、后轮轴高度调节块等方式来调节。

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2、重心位置：重心位置同样影响小车性能。重心过前，增加转向阻力，引起转向迟滞。另外，如果小车速度很快的情况下，上下坡道的时候会造成前轮首先着地，很可能造成小车意外事故。重心过后，则会使小车前轮抓地不足，造成过弯非常不稳定。实际调整以重心在电池处为准，保持各部分重量均衡。

3、后轮距调整：后轮距可以通过换装后轮宽度调整块来调整。合适的后轮宽度会是小车直线性能和弯道性能更优，利于小车稳定。

4、减震器弹簧强度调整：坡道时候，减震器影响显得尤为突出。小车平面行驶时，无垂直方向速度，遇到坡道时候，小车会瞬间在垂直方向上出现一个速度，此时减震器在耦合小车前部和小车后部时候会出现一个缓冲区，增加坡道稳定性。下坡时候则是垂直方向上的速度瞬间减小为0，减震器的作用亦如上坡。实际调整中，我们通过加装弹簧调节块来调整。

5、齿轮咬合调整：调整齿轮咬合，以不松动，无卡滞，松紧合适为准。另外还要保证齿轮间咬合有足够的接触面积。

6、差速器调整：合适的差速器调整能够提高小车入弯速度，提高弯道性能。差速器调整可以通过右后轮轮轴上面的螺丝。注意调整过松，会严重影响直道加速性能；调整过紧则会使差速器处于无效状态，影响小车在过弯时的速度，并可能会照成甩尾。

2.7本章小结

机械结构是智能小车的基础，其首先决定了小车的性能，特别是转向和加速性能，本章主要通过对转向机构的分析以及对汽车理论知识的学习和应用，找到了影响小车转向范围和效率的因素并进行了改进，使得小车的转向灵敏度得到提高，同时舵机效率也得到较大提高。

第三章硬件电路设计说明

本智能车硬件系统以稳定为设计的原则，在有限的条件下做到最好。单片机采用MK60DN512ZVLQ10，使用一片LM1117-3.3产生的3.3V电压为单片机、液晶和蓝牙供电，另一片LM1117-3.3给陀螺仪、加速度计和霍尔传感器供电，使用一片TPS76850同时为编码器、磁传感器供电，电机驱动使用芯片BTS7970B，舵机由LM2941-ADJ供电。调试过程中，采用液晶、蓝牙等模块辅助，方便小车的调试。本章均有详细介绍。

第八届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告3.1单片机最小系统模块

以MK60DN512ZVLQ10为核心的单片机最小系统是本智能车的核心。

图3.1.1单片机最小系统电路原理图

3.2传感器模块

传感器是电磁组小车最重要的模块之一，能够对变化的磁场信号作出灵敏的检测，对道路状况的检测起着至关重要的作用。本系统根据LC谐振的原理，选取10mH电感和6.8nF电容作为LC谐振电路，产生感应电流，再通过滤波、放大、检波，然后将结果送入单片机AD进行相应的处理，以判断赛道当前信息。如图3.2.1所示。

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图 3.2.1

传感器的排布，直接影响了对磁场的敏感程度，针对直道和弯道的磁场特点，在传感器的排布上，分别有对其敏感的检测电感，以适应各种情况的赛道要求。

直导线磁场分布交叉导线磁场分布

图3.2.2赛道磁场分布

图3.2.3传感器排布方案

如图3.2.3所示，中间水平放置的电感，用于直赛道及大弯道的检测，中间垂直放置的电感用于十字交叉道的检测，两侧边上竖直放置的电感用于急弯道磁场的检测，整体的排布尽量是磁场最大程度的与磁场耦合，以灵敏的检测到赛道的变化情况。后级放大电路原理图如图3.2.4所示。

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图3.2.4传感器放大电路

本届竞赛最新加入了一种路况——路障。为了使小车在行进过程中，能准确的检测到路障和坡道，我们采用了陀螺仪和加速度计的融合使用，具体电路原理图如图3.2.5所示。

图3.2.5陀螺仪和加速度计融合电路

此外，起跑线检测使用了6个全极性霍尔开关。当霍尔开关在磁铁上方时，霍尔开关输出低电平，单片机检测到低电平引发单片机中断。单个霍尔开关的电路原理图如图3.2.6所示。

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图3.2.6起跑线检测电路

3.3舵机模块

舵机用LM2941-ADJ进行供电，通过调整，使用6V的电压给舵机供电。较高的电压可以提高舵机的响应速度，但过高电压容易导致舵机工作不稳定。舵机电源的稳压电路原理图如图3.3.1所示。

图3.3.1舵机电源稳压电路

3.4电机模块

电机采用芯片BTS7970B，其为高强度电流的半桥电机驱动芯片。我们利用两片BTS7970B构成一个完整的全桥驱动，可以很好实现电机的正转、反转和刹车制动。电路原理图如3.4.1所示。

图3.4.1电机驱动电路

第八届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告3.5测速模块

本小车使用广州科创电子的mini型编码器进行小车的测速，并由TPS76850为其提供5V工作电压。处理器通过读取编码器脉冲数来实现小车速度的检测，通过读取编码器旋转方向脚的高低电平来检测电机的正反转。

3.6人机交互模块

为了方便调试，本车有蓝牙模块，有效进行运行参数之间的传送，除此之外，还设置了键盘、oled液晶显示屏，以方便控制参数的修改，便捷的智能车的调试。

第四章智能车软件设计说明

4.1巡线原理

比赛中存在两种磁场：一种是用来作为起跑线的永磁铁产生的固定磁场，用于标识终点；一种是赛道中通过100mA交变电流的导线所产生的电磁场，用于赛道识别。前者可用价格、灵敏度、重量都很合适的全极性霍尔开关作为传感器，后者可选取原理简单、价格便宜、体积小（相对小）、频率响应快、电路实现简单电磁感应线圈作为传感器。交流电信号产生交变磁场，交变磁场在电感线圈中产生与磁场强度相关的电流。

通过竖直放置的电感线圈可判断赛道中的十字交叉道。通过水平放置的电感线圈和两斜角的电感线圈，则可快速判断较急的弯道出弯与入弯。再通过两侧线圈的感应电流，可实现判断弯道曲率大小的设想。

4.2控制算法

智能车的控制包括电机和舵机的控制。具体的控制算法有PID控制、bang-bang算法控制和模糊控制。

4.2.1PID控制

PID控制是工业过程控制中历史最悠久，生命力最强的控制方式。这主要是因为这种控制方式具有直观、实现简单和鲁棒性能好等一系列的优点。PID控制主要有三部分组成，比例、积分、微分。

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关

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系。偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于KP 。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error ）。

为了消除稳态误差，引入积分控制。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

为了预测预测误差变化的趋势，引入微分的控制器，这样就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。PID 控制框图如图4.2.1所示。

：

图4.2.1PID 控制框图对应的误差传递函数为：

()1(1)()p d i U s K T E s T =++（公式一）

式中，Kp 为比例增益；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数；U(s)为控制量；E(s)为被控量与设定值R(s)的偏差。时域表达式为：

p d 0i 1d ()()()()d d t e t u t K e t e t t T T t ??=++????∫（公式二）

在单片机中，我们仅能对数字信号处理，即数字PID 控制。将上式离散化，得

0()()()[()(1)]k d p j i T T u k K e k e j e k e k T T =??=++??????∑（公式二）

A.位置式PID 算法

直接利用上述离散化公式计算，框图如右图所示。由于积分项（Pi ）是将所

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有采集值偏差相加，在一段时间后会很浪费单片机资源。对其稍加改进，得到增量型PID 算法。

B.增量式PID 算法

根据式二得第k-1个采样周期的控制量为

10(1)(1)()[(1)(2)]k d p j i T T u k K e k e j e k e k T T ?=???=?++???????∑（公式三）

式二减式三得

()[()(1)]*()[()2(1)(2)]p i d u k K e k e k K e k K e k e k e k =??+=??+?△（公式四)由此，第k 个采样时刻实际控制量为()(1)()u k u k u k =?+?,为方便书写，写为

012()()(1)(2)u k q e k q e k q e k ?=+?+?（公式五）其中，0(1)d p i T T q K T T =++，12(1)d p T q K T =?+，2d p T q K T =。

由上可知，利用三个历史数据，递推使用，即可完成PID 控制量。框图如图4.2.2所示:

图4.2.2PID 控制流程图