智能车竞赛技术报告 | 节能信标组-哈尔滨工业大学紫丁香五队

Posted 2021-09-16 卓晴

简 介： 本设计以第十六届全国大学生智能汽车竞赛节能信标组赛题要求规范为背景，结合3D打印技术、PCB制板技术等制作一辆以英飞凌单片机为核心控制单元的节能信标车模。以ADS为开发环境、利用摄像头获取赛道信息，在完成无线电能高效收割的前提下控制车模实现寻灯、灭灯、避障等任务，同时兼顾节能与速度。该智能车车系统显示了高度的智能化、人性化，并且具备良好的安全性、稳定性，可以为无人驾驶汽车及环保个人交通工具的后续研究提供经验。

关键词： 智能车，节能，信标，无线充电

组 别：节能信标组     
学 校：哈尔滨工业大学   
队伍名称：紫丁香五队     
参赛队员：马铭成 荣振帅 曹广旭
指导教师：宋凯 董帅      
带队教师：张依        

 

第一章 引言

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1.1 智能车大赛介绍

  全国大学生智能车竞赛受教育部高等教育司委托，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，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。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。

1.2 第十六届节信标能组规则介绍

（1）车模

  车模允许使用任何比赛中的车模，也可以自行设计制作车模。车模作品尺寸不限。
  车模上不允许使用任何电池，车模需要通过无线接收线圈获取信标发送的无线电能。
  信标灯为扁平状，车模可以行驶到信标上面接受无线电能。

（2）微控制器与传感器

  车模微控制器使用Infineon系列单片机。
  允许使用电感、RF天线、红外光电、摄像头传感器、激光传感器等。

（3）比赛场地与任务

  信标在点亮后同时会发送高频无线功率信号（150kHz）和红色、红外灯光用于导引车模前往。发送的高频无线功率信号也可以通过电磁共振耦合为节能车模提供大约70W充电功率。
  比赛时，车模从第一个信标开始接受电能，自行启动去往下一个信标。当车模运行到信标上之后，信标的灯便切换到下一个信标，但本地的信标依然发送无线电能，直到车模离开本地的信标灯，本地信标停止发送无线电能，下一个信标灯开始发送无线信号。

  信标对抗组别中的磁标数量、安装方式不限。

1.3 报告内容

  在这份报告中,我们小组通过对小车设计制作的结构，电路，调试，车辆参数的介绍,尽力展现我们在制作调试过程中的思路和付出的汗水。具体表现在结构的设计制作,以及算法方面的思维想法。这份报告是我们小组三人共同努力，精益求精改进后的结果。

 

第二章 机械结构设计

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  本章主要讲述我们在机械结构方面的设计与优化。

2.1 方案确定

  节能信标组对于车模的选型、结构没有限制，比较合适的方案有三轮和四轮。三轮车整体结构简单、车模容易设计得更加轻巧节能、控制起来也更加简单，但是很难满足信标高速性与灵活性的要求；四轮车由于加入了舵机整体结构更加复杂、车模很难设计得轻巧节能、控制起来也会更加复杂，但是车模的速度和灵活性得到了很大的提升。通过分析和比对，我们最终选择了四轮车模。

2.2 整体结构

  完全独立设计一辆四轮车难度较大，考虑到备赛时间比较紧张、参赛队员水平有限等因素，我们最终决定以传统C车模为基础，借鉴C车模的设计思路及部分结构，搭建一辆双电机加舵机的四轮车,车模以摄像头、编码器、陀螺仪作为传感器。

▲ 图2.1 C型车模

2.3 后轮传动结构

  后轮传动结构采用C车模的齿轮传动结构，可以更加方便的改变传动比，考虑到车模尺寸和电机与传统C车模不同，我们采用3D打印件制作了电机支架和传动轴固定支架，以实现较好的齿轮传动。

▲ 图2.2 后轮传动结构

2.4 前轮结构

  考虑到车模会经过蓝台，为了减小震动，前轮需要悬挂结构。前轮悬挂自行设计较为复杂，因此我们采用了C车模的悬挂结构并适当修改，用3D打印件固定舵机，实现舵机控制前轮转向。

▲ 图2.3 舵机支架

2.5编码器

  编码器采用龙邱科技512线编码器，该编码器具有较高的精度。通过3D打印件进行固定，通过齿轮啮合获取车模速度。

2.6 摄像头的搭建

  为了辅助转向，我们使用了两个逐飞的170度红外摄像头，因此摄像头的安装极其重要，首先是摄像头安装位置的选取。由于车的重心靠后，为了保证摄像头的稳定性，我们将摄像头安装在车的电机中间附近，摄像头的底座我们采用的是金属底座，确保其刚性，固定过程中，我们在车底板上打孔，将底座和底板用螺丝和AB胶充分固定；为了降低整车重心，需要严格控制摄像头高度，同时又要考虑前瞻的长度和角度。我们采用碳纤维管作为安装线性电磁传感器的主桅，这样可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度，使摄像头更加稳定。

  经过长时间的尝试，最终摄像头的高度定为30cm左右，并且调整角度，使其前瞻大约在10m左右，这样既能识别到远处的信标灯（保证能够接收到足够的亮度），又不会受到太多杂光干扰。两个摄像头固定在碳杆上，其高度近似相同，分别为一前一后，通过螺丝和AB胶固定在碳杆上，以确保车模在运行过程中摄像头的稳定性。

2.7 电机、舵机选型

  在车模整体设计中，重中之重的是电机的选择，这关系到控制和功耗这两个至关重要的问题。我们的选择有直流电机，空心杯电机和无刷电机。为满足车模速度、灵活、节能的要求，我们最终选择了功率较大的空心杯电机，通过选择合适的传动比可以获得较高的速度和较大的转矩。

  舵机对于车模的转向至关重要，基于节能、灵敏性、体积等因素的考虑，我们最终选择了金属舵机。金属舵机不仅体积小，而且控制精度高、响应速度快，完全满足车模对于转向的要求。

2.8 车模主要技术参数

  智能车主要技术参数包括物理尺寸、电路指标等，具体参数见表 2.1。

▲ 图2.3.1 表格：智能车主要技术参数

▲ 图2.4 智能车实物

 

第三章 无线充电部分设计

3.1 无线充电原理

  无线充电技术的应用在现今电动汽车领域、手持电子设备、人体医疗器械、通信领域也都有着非常广泛的应用，利用电磁互感现象，通过磁场耦合的两个线圈可以完成电能的传输。将感应接收线圈放在发射线圈中间，它们之间存在电磁耦合。在发射线圈通电以后，就会在接收线圈中产生感应电动势。经过整流之后，便可以形成可以充电的直流电流。从而实现对设备的充电。

▲ 图3.1 无线充电示意图

3.2 无线充电Simulink仿真

  无线充电发射端采用半桥控制LCC结构，我们在Simulink上仿真了这一结
  构。通过理论分析和仿真验证，我们得出了线圈互感、负载阻抗等对充电功率和效率的影响，为我们设计接收端电路奠定了基础。

▲ 图3.2 无线充电仿真

3.3 无线充电接收线圈、磁环电感制作

  无线充电频率设定为150kHz，为了降低集肤效应，我们采用了高频利兹线自己绕制线圈，可以适当的调整线圈自感和互感，以提高无线充电接收的功率和效率。线圈的自感和互感与利兹线匝数和线圈内径、外径和绕制圈数等有关。为了减少线圈上的损耗、满足接收端对于电压的需求、满足安装要求，我们在尽可能增大线圈外径的情况下减小线圈匝数，以减小线圈的重量和损耗。

  磁环电感通过高频利兹线绕在T106-2磁环上得到，改变利兹线的匝数和绕制圈数可以改变磁环电感的电感值，该电感值直接决定电路阻抗X，并决定了设计充电电流值。通过改变磁环电感的大小可以获得较大的充电功率。

3.4 无线充电接收电路比较与设计

  无线充电接收电路有LCC和LC两种结构。

（1）LCC

  接收端等效电路为：

▲ 图3.3 LCC结构接收端电路

  经过推导计算，接收端各元件的参数分别为：

  将电路进项简化分析：

▲ 34。 LCC结构等效电路

  输入阻抗：$Z_i=\frac{X^2}{Z_0}$。负载电流：$I_0=\frac{U_i}{jX}$。

  由分析可知，负载电流与接收端电压有效值和电路阻抗X有关，而与负载阻抗无关，因此理论上可实现硬件恒流。但在实际充电过程中，由于电路器件限制、发射端功率限制等因素的影响，充电电流是随着电容电压的升高逐渐降低的。

（2）LC

▲ 图3.5 LCC 接收电路结构

  LC结构不能虽然不能实现硬件恒流，但接收电路更加简单，更容易使整个电路出于谐振状态。经过不断比较，我们发现只要合理的绕制接收端线圈也可以达到较大的接收功率，平均接收功率不低于LCC结构。考虑到这些因素，我们最终采用了LC结构。

3.5 超级电容选择

  前期赛题要求是灭25个灯比时间长短，经过多次跑车实验，我们发现5串40F电容足够完成比赛要求。但是后来赛题改为三分钟积分制，因此就需要更大的电容。出于更改简单、充电功率等因素的考虑，我们最终决定并联两组5串40F电容，超级电容选择低ESR的类型。

 

第四章 硬件电路的设计

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  智能车电路部分主要的模块包括：充电模块、电源模块、传感器模块、驱动模块以及其他周边调试模块。各模块的总体设计原则是：节能、紧凑、易于拆换、稳定可靠。但根据各模块的不同，又有不同的设计要求。

4.1 电源模块设计

  由于我们是超级电容供电，所以电源模块的设计显得至关重要，电源的首要指标是可靠性，整个硬件系统的工作完全由电源供电的可靠性决定，电源供电不稳定会引起损耗、单片机复位、舵机及传感器损毁等严重问题；另外，与传统的电池供电不同，超级电容在供电过程中存在电压降低的问题，所以，在接入电路时，还要有稳压的模块。

4.1.1 电压需求

  电源设计中主要考虑到需要的电压和电流，另外还用LED灯显示电池电压，便于直观发现电池电量是否正常。我们需要的电源要求包括3.3V，6.5V等。

4.1.2 电源电路

  根据规划，3.3V供电我们选择了TPS63070开关电源芯片,对于这款芯片，其输入范围为2V-16V，而输出可调，并且输出电流可以达到2Ａ，足以满足单片机、传感器、外围电路正常工作所需要的电流。设计原理图如下图所示。

▲ 图4.1 3.3V 电源电路

  摄像头的供电电压也是3.3V，但是其对电源质量有较高的要求，开关电源输出有较大的纹波，不能满足摄像头的要求，因此我们单独加了一级线性稳压给摄像头供电，使摄像头获取图片的质量得到保证。

▲ 图4.1.1 3.3V摄像头电压

  6.5Ｖ舵机供电我们同样采用了TPS63070电源稳压芯片，其高输出电流足以满足驱动舵机所需的电流，且效率较高。原理图如下。

▲ 图4.2 6.5V稳压电路图

4.2 驱动电路设计

  驱动电路为智能车驱动电机提供控制和驱动，这部分电路的设计要求以能够通过大电流为主要指标。驱动电路的基本原理是 H 桥驱动原理，目前流行的H 桥驱动电路有： H 桥集成电路，如 MC33886；集成半桥电路，如 BTN7971 等；MOS 管搭建的 H 桥电路。

  对于节能组，为了选出一个低功耗的驱动方案，我们对比三种电路都进行了搭建并测试，MC33886 的优点是电路简单，外围元件少，但缺点是内阻较大，通过电流有限，可以通过两片 MC33886 并联方式进行改善；BTN7971是集成半桥电路，电路简单，只需要简单的几个外围电阻，缺点是输入电压要高于5V才能正常工作，但是对于超级电容的宽输入范围的电压来说，需要升压电路给予其足够工作的电压，但是很难找到效率极高的升压芯片且升压电路设计也较为复杂；ＩＲ２１０４＋MOS管搭建的H 桥电路可以通过较大电流，且在电容电压较低时仍能正常工作，但电路较为复杂，元器件也较多。对比三种方案，我们选择了ＩＲ２１０４＋MOS管搭建的H 桥电路作为驱动电路，下面是电路原理图。

▲ 图4.3 驱动电路

4.3调试电路设计

  调试电路在车模调试过程中是必不可少的，可以直观的显示智能车的参数和状态，并且可以方便地修改参数。调试电路包括：五向按键、WIFI、OLED接口、蜂鸣器、拨码。

▲ 图4.4 调试电路

 

第五章 软件方案

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  高效稳定的软件程序是智能车平稳快速循迹的基础。我们设计的智能车使用红外摄像头来获取信标位置信息，采用鲁棒性很好的PID算法控制智能车的转向和速度控制，使得在寻灯的过程中智能车达到快速的效果。由于赛题的要求是三分钟的时间智能车充电和跑车，因此使用适当的速度控制方案和行驶过程中的策略选择就成了能否节约电能从而达到灭更多灯的关键，接下来将进一步进行解释。

5.1 图像采集与处理

  本智能车采用的是2个逐飞的170度红外摄像头，前后分别一个。在单片机采集图像后需要对其进行处理，以提取主要的图像信息。对于节能信标组，需要提取的就是亮着的信标灯的坐标。十六届信标灯的灯罩是扁平的，距离较远时，接收到的光较弱，而且由于场地灯光和太阳光的存在，会存在杂点、光斑，对信标灯的识别有着很大的影响。因此，在软件上必须排除干扰因素，对图像进行精准识别，并尽可能提取出更多的信息以供控制使用。

  在图像处理中，我们提取的信息主要包括：信标灯的坐标、信标灯的长、宽、面积、周长，以及信标灯距离。由于信标灯为扁平状，当距离较远时，接收到的光比较少，提取到的信标灯仅为一个像素点；距离较近时，形状近似为一个椭圆。

  当场地光线足够理想时，通过固定阈值二值化，便可将场地与信标灯区分开，再通过连通域提取，即可精确地收集到信标灯的所有信息。当场地光线不够理想时，当信标灯的距离较近时，由于图像画面中信标灯占了很大一部分，所以直接提取面积最大的连通域作为信标灯即可；当信标灯距离较远时，由于信标灯在画面上仅为一个像素点，所以杂光会对信标灯的提取造成很大的困难，甚至一些杂光的亮度大于信标灯的亮度，仅通过固定阈值很难提取出真正的信标灯位置。我们尝试过了许多二值化方法，大津法、平均值法等等，但是效果都比较一般，因为较远处的信标灯只有一个像素点，全局二值化显然不太合适。最后还是采取了分段固定阈值法，主要思想就是距离远的部分给低阈值，距离近的部分给高阈值，这样通过二值化，即可滤掉比信标灯暗的部分。剩下来的就是在图像中滤除杂光干扰，我们采用的方法是通过计算信标灯的坐标和形状，来去除一些形状不可能是信标灯的连通域，通过这种方法，可以排除大部分干扰。剩下满足条件的连通域中，我们选取与上一张图信标灯最近的连通域作为信标灯的位置，来计算其各个信息。

5.2 信标位置提取

  首先通过前摄像头采集的图像进行图像处理，来判断前方是否有信标灯。如果正前方采集到了信标灯的信息，那么便通过这个信息提取出其坐标，以坐标为基础来控制车的运动。如果前摄像头采集到的图片中没有信标灯的信息，那么这时候对后摄像头进行图像处理，来判断信标灯和车的相对位置，从而确定转向方向。整体逻辑在状态机中体现。

5.3 PID运动控制算法

【通用原理部分，此处省略3000字...】

5.4 舵机控制和速度控制

  我们对速度的要求是稳定，在运行的过程中调节时间小，视为一个调节系统，因为作为智能车这个惯性系统来说，速度不会徒增骤减（与控制周期比较），因此我们使用了PI控制，经过调试，选择合适的PI系数后，加速可以很快也不会过冲，控制效果很好。对于舵机，我们要求其能快速响应并且不会出现振荡，能够快速且平稳地根据信标灯的位置确定具体的打角，因此我们使用PD控制，经过调试，选择合适的PD系数后，可以配合速度控制使智能车快速转向并保持直道平稳行驶。

▲ 图5.4 速度控制测试曲线

5.5 策略选择

  对于智能车寻灯灭灯过程中的策略，有两种方案：

• 一种是充满一次电跑完全程，中途经过灯罩时会补充很少一部分电能；
• 另一种是初始时充很少一部分电，再跑一些灯后停在某一个灯上进行充电，即中途补电；

  两种方法都有其优势和劣势，对于中途充电，他可以节省前期充电时间，并且让小车几乎维持在一个恒定的电压值，既保证了速度，又延长了小车的总体行驶时间。理论上来说，小车可以一直行驶，不会出现无电停车的情况，但是这种方法的劣势也较为明显。

  首先来说，对于快速行驶小车在停车补电时势必要急停减速，不节能，而且最大的问题在于能否准确停在一个能接收到最多电能的位置，之前我们尝试利用位置环和速度环双闭环控制的方法停车，最后的效果也不是很理想，会存在无法停在灯上合适的位置，甚至无法停在灯上的问题，究其原因，是因为我们的小车在设计之初就是将线圈放在了车底，这样对于四轮车来说，可以保证重心集中，车身姿态较好，但是因为灯罩呈弧形。

  对于我们设计的四轮车来说，根本无法呈现一个稳定姿态停在灯罩上，就算停住了，因为姿态较差，充电的效率远不及初始放置时。其次，中途补电不符合我们设计这辆车时的初衷，当时设计的想法就是追求更快的速度，因此无论从电机选择还是车身机构设计上来说，都是为了速度服务，中途补电不利于我们四轮车连贯行驶，会影响整体的速度，而且对我们来说，总体的充电时间并没有减少，因此综合所有因素考虑，我们得出的结论是中途充电比较适合一些轻量而且省电的小车，对于我们这种重且耗电来追求速度的车来说，还是选择充电一次，跑完全程的策略。

5.6 辅助车模调试程序设计

  辅助调试程序有两个部分，一是基于键盘显示与按键的PID 参数输入程序，二是基于WIFI模块的无线通信数据发送程序。

 

第六章 系统的开发环境与车模调试

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  在系统的设计制作和调试的过程中，不管是软件的开发还是硬件电路的仿真和电路板的制作都离不开PC 机。所以对于PC 机上的各种辅助设计软件必须要有一定的熟悉程度。这样可以提高开发的效率。

6.1 ADS的使用

  我们今年选用的单片机为英飞凌公司的TC264，我们边学习边不断实践。在老师和学长的帮助下逐渐熟悉了对单片机的使用。

6.2 人机交互工具

  在调试过程中需要不断地修改变量的值来达到整定参数的作用，对此我们选用了液晶屏配合按键和拨码开关的调试方法。此外，比赛的时候，修改参数我们同样用这个模块进行修改。

  其中液晶屏我们选用 OLED 液晶，该液晶具尺寸小，高分辨率等特点。界面如图6.1所示。按键采用五向按键其便于操作并且节省空间。设计五向按键以及4个拨码开关进行调参，显示，方案选择等部分。

▲ 图6.1 液晶屏显示界面

6.3 WIFI及上位机调试

  车在同样的赛道上走过的路都是不一样的，所以无论怎么考虑车的状态都是不够完全的，因此需要对运行中的车进行实时监控。为了解决这个问题，我们使用WIFI模块配合上位机进行实时观测车模运行状态。如图6.2所示。

▲ 图6.2 上位机示波器

 

第七章 总结

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7.1车模总结

7.1.1控制方面

  采用PID进行速度，转向控制，利用摄像头进行寻灯。

7.1.2结构方面

  尽力做到了结构的合理性与简洁性，将车模重量分布尽可能合理化，车模设计全为自己进行。

  电路板均为自己设计与焊接，完成了充电，转压，采集，控制等各项任务。

  自己绕制线圈，配置电容模组以实现储能和获能。

7.1.3不足之处

  车模的功耗还是有很多应该避免的地方有待解决，车模的结构还有较大的优化空间，充电效率依然有较大的提升空间。

7.2工作综述

  在比赛的准备期间,我们小组成员涉猎机械学，电力电子学，控制科学，传感器应用，计算机科学等多个学科。通过数月的智能车制作，我们学到了很多实践能力，从方案选择、更改、重新设计到实施方案，细调参数，机械和硬件制作，软件编写，各方面都有深刻的体会，每一个细致的工作都会为小车这个系统的稳定性带来正面的影响，而每个疏漏，都会导致整个系统的不协调。这次比赛对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用,同时也加深了队友之间的感情，为自己的未来添砖加瓦。我们感谢英飞凌公司提供了如此一个好的平台来让我们展现自我，小车在赛道上的驰骋，无疑也是我们那颗年轻的心的驰骋!

  因为时间仓促，水平有限，有很多疏漏或者错误，也很遗憾没有更加细致的写出整个设计方案，衷心希望老师对我们的工作提出宝贵的意见，给我们指点，让我们在今后的工作学习中获取更多的进步。

 

致 谢

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  借书写技术报告的机会向帮助过我们的指导老师，哈工大智能车社团的学长们，哈工大学校、学院领导以及组委会的老师，表示深深地谢意！

  更要向队内的队友表示深深地感谢，感谢陪伴在一起的日日夜夜！通过参赛，我们学会了很多！
  最后，向没有机会出现在队员名单中的幕后英雄致敬！

 

§参考文献

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[1] 关于举办第十六届全国大学生智能汽车竞赛的通知.
[2] 第十六届全国大学生智能汽车竞赛竞速比赛规则.
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[16] 阎石. 数字电子电路基础. 北京, 高等教育出版社, 2005

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● 相关图表链接:

• 图2.1 C型车模
• 图2.2 后轮传动结构
• 图2.3 舵机支架
• 图2.3.1 表格：智能车主要技术参数
• 图2.4 智能车实物
• 图3.1 无线充电示意图
• 图3.2 无线充电仿真
• 图3.3 LCC结构接收端电路
• 34。 LCC结构等效电路
• 图3.5 LCC 接收电路结构
• 图4.1 3.3V 电源电路
• 图4.1.1 3.3V摄像头电压
• 图4.2 6.5V稳压电路图
• 图4.3 驱动电路
• 图4.4 调试电路
• 图5.4 速度控制测试曲线
• 图6.1 液晶屏显示界面
• 图6.2 上位机示波器