智能车竞赛技术报告 | 节能信标组 - 中国计量大学 - 赛博 - 8
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了智能车竞赛技术报告 | 节能信标组 - 中国计量大学 - 赛博 - 8相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
队伍名称：赛博-8
参赛队员：叶佳航 周豪 杨敬淳
带队教师：金小萍 陈东晓
第一章 引言
1.1智能车研究背景
1.1.1发展历史
近些年，一方面随着人们生活水平的提高，汽车普及开来，交通拥堵和交通事故问题日益严重；另一方面，二十一世纪初，人工智能、传感器技术、车辆工程、控制科学、信息技术等领域的快速发展。在这两种背景之下，一些工业较先进的国家耗费了巨大的人力、物力，希望将现代先进的科学成果应用于汽车上，从而诞生了一门新的学科 ——智能交通系统 ITS（IntelligentTrafficSystem），且智能车辆系统 IVS（IntelligentVehicleSystem）是 ITS的一个重要组成部分。
ITS是通过加强车辆、道路、驾驶员之间的联系，从而形成一种安全、高效、环保的综合运输系统。 ITS是一个较复杂的综合性系统，它可以分为 7类子系统，其中与智能汽车相关的子系统分别为先进车辆控制系统 AVCS（ AdvancedVehicleControlSystem）、先进驾驶员信息系统 ADIS（ AdvancedDriverInformationSystem）、自动高速公路系统 AHS（AutomatedHighwaySystem）。 ITS经过不断的发展和逐步完善，美国和日本等发达国家已经将智能车辆技术运用在当地一些地区，这项技术的应用对当地交通状况的改善起到了积极的作用。在该领域，美国和日本的不断突破使得他们取得了领先的地位。
而世界各国在对 AHS进行研究的初始阶段，研究的方向不尽相同，都遇到了很大的困难。美国早期打算采用电磁导航技术，即在地下埋电缆的方式，但是这个方案需要改造大量的现有道路，且电磁场对道路周围造成不良影响，最终不得不放弃该方案。在 1996年至 1997年间，美国和日本对铺设磁块来完成电磁引导的方式进行了尝试，但是最终因其不具有可行性而被放弃。直到近些年，随着传感器和图像处理技术的快速发展，使得用图像传感器感知环境信息成为现实。同时图像传感器具有很多其他传感器所不具备的优点，所以视觉导航迎来了发展契机，而视觉信息量的丰富使其成为智能汽车自主驾驶的重要研究趋势。
1.1.2智能车的应用前景
随着时代进步，汽车数量快速增加，导致道路拥堵日益严重，交通事故逐年大幅增加，给社会带来了极大的损失。研究一种能够自主驾驶的智能汽车，是减小交通事故，解决目前交通情况的有效手段。现有的交通系统是由人和汽车组成的复杂系统，人参与并主导整个系统，人的行为对整个系统的性能起着举足轻重的作用。经过科学家研究分析表明，在频发的交通事故中，由于驾驶员操作不当引起的占95%，故驾驶员因素是引发交通事故的主要原因。例如：驾驶员因长途驾驶容易产生疲劳，其注意力不能够集中，从而导致交通事故；雨、雾等特殊天气情况下，驾驶员可视距离的减少而导致判断失误，进而造成交通事故；这类交通事故是无法人为地有效避免，需要运用当今先进的科学技术来增加车辆感知环境的能力，实现汽车的辅助或者无人驾驶，因此研究和发展智能汽车是解决交通状况的根本途径。
汽车发展至今，驾驶员所得到的环境信息80%以上都是通过视觉感知，如车道标志线、告示牌、红绿灯、障碍物等。相比较于电磁传感器等其他传感器来感知道路信息，用图像传感器作为视觉导航具有如下特点：
1 含有丰富的图像信息，不仅可以包含有物体自身特征，而且包含了物体所处的深度位置，感知环境信息是比较真实和全面的。
2 只需在车辆上添加一个或多个图像传感器，不必对现有道路大规模改动，不会造成路面和周围环境的破坏，可行性高。
3 图像传感器采集周期较短，可以对道路信息进行及时采集和处理，进而可以对车辆进行及时控制，实时性高。
4 由于是被动式感知道路信息，所以在多辆智能车同时工作时，不会出现相互干扰现象，鲁棒性好。
在感知环境信息方面，视觉导航具有其他导航方式无可比拟的优势，但是仍然还有许多难题需要攻克。如在结构化道路（高速公路）和非结构化道路（乡间小路）时，怎么保证车道标志线检测、前方车距检测、路面障碍物检测的实时性和准确性。车道标志线检测是视觉导航关键，它将道路信息准确地传输到智能汽车的自动控制系统，进而实现智能车对自身速度和位置的调整。
视觉导航作为智能车自主驾驶的关键技术，具有广阔的应用前景和发展空间。首先，视觉导航是运用被动式传感器，能够在主动式传感器无法工作的区域正常工作，如深水开采、太空探险、军事用途等。其次，视觉导航可以结合交通标志线检测技术、车辆控制技术等，开发辅助驾驶系统，甚至是自主驾驶系统。除此之外，视觉导航还能应用于很多场景，如库房、生产车间运送货物等。
随技术的不断发展，视觉结合 GPS、激光传感器的完整导航系统的智能汽车已走进人们的生活，视觉导航的智能车无论是科研还是商用都扮演着重要的角色。
1.2智能汽车制作情况概述
本文以依照第十六届全国大学生智能车竞赛节能信标组要求的自制车模作为主体，该车模用两个空心杯减速电机驱动后轮，与另一万向轮组成三轮结构，以后轮差速完成前轮转向。在硬件电路方面，围绕英飞凌 TC212单片机为主控制单元，包含有总钻风摄像头进行图像采集， LCD屏幕与按键组成的人机交互平台等。其次，将摄像头获取到的图像处理得到灰度图，运用图像卷积算法等检测出信标灯位置，进而完成速度控制与决策规划。最后运用合理的速度控制曲线，建立相应模型，设计出跟踪控制器，其中包括有 PID速度控制器与 PD方向控制器。通过大量试验数据优化控制器参数，最终获得较理想的结果。
1.3论文结构安排
- 第一章，叙述本设计的研究背景，对智能车技术发展状况进行了阐述，并得出本设计的主要研究工作和论文结构安排。
- 第二章，智能车系统总体设计，先介绍设计思路，进一步简述本设计的系统结构，最后展示了智能车的整车布局情况。
- 第三章，设计与优化机械结构，其中包括基于差速转向原理的转向结构优化，万向轮的调整与电机选型等，并优化其他结构部分。
- 第四章，硬件电路的设计与优化，重点介绍了 TC212最小系统部分，电源部分，无线电能接收部分，视频信号处理部分，驱动电路部分，速度检测部分，用户界面部分。
- 第五章，路径识别是视觉导航的关键技术，运用卷积算法检测出信标灯在图像中所处的位置，经过处理得到车模行进方向与速度规划，然后进行距离的检测，进而完成路径识别和决策规划。
- 第六章，跟踪控制器是整个系统的控制中枢，本章主要介绍基于增量式 PID的速度控制器和基于位置式 PD的方向控制器，并利用基于串口的实时速度监控优化控制参数。
- 第七章，车摸相关参数介绍。
- 第八章，总结。
第二章 系统总体设计
2.1总体设计思路
要使车模能稳定且快速的在赛道上运动，需要以下几个部分协同合作，他们分别是：电源系统、检测系统、驱动系统、机械系统 [1]。经过多次实验，我们选用总转风摄像头作为对赛道信息采集的传感器，选用电机自带的霍尔编码器检测驱动轮转速信息，同时使用英飞凌 TC212核心板 (以下简称 TC212)作为核心处理芯片。在驱动部分，为提高驱动能力，我们选用过电流较大的 MOS管驱动电路进行驱动，同时由 TC212核心芯片输出驱动控制信号。在机械部分，采用的符合大赛组委会要求的自制车模，通过多次测试和调整后进行使用。为了满足各个模块的用电需求，本车搭载了无线电能接收电路、超级电容电源管理电路、 3.3V稳压电路。
▲ 图 2.1寻灯实现过程
2.2机械调整思路
机械部分的调整好坏与否是制约智能车速度的最大关卡。我们的思路是：
- 采用较为合适的轮距，使得车模在灭灯后能然让转弯半径尽可能的小。
- 调整差速同时减轻前轮重量以满足转向灵活稳定。
- 调节整个寻灯过程中的速度控制曲线，让车模在离灯较远时能够以较高速度冲刺，在灯附近减速以尽可能地最小化能量浪费与转向成本。
- 尽量保证车模整体速度与减速稳定性、续航的平衡。
2.3软件设计思路
软件部分主要由模块驱动、数据采集、图像分析、控制算法、交互界面组成 通过状态机控制程序整体的运行流程 [3]，状态机的控制方式时序清晰，同时也较易阅读。具体内容在后文中描述。
2.4整车布局
对于本届全国智能车竞赛，参赛规章里表明节能信标组可以使用自制车模，故为了满足新颖的比赛内容，我组使用以 3D打印车模主板为主体的自制车模，在满足机械强度的同时兼顾重量以获得在相同电量下的更好续航。同时，信标灯保护罩高于赛道场地，对在行驶中的车模不可避免的产生犹如“减速带”一样的效果。故良好的结构才能保证系统的稳定性和高效性。因此必须先对整个模型车的结构有一个全面的认识，了解其特点，力求整车结构合理，论据合适，最终整车布局如图所示。
▲ 图 2.2整车布局
2.5本章小结
本章概述了智能车系统的总体设计。先介绍了智能车视觉导航的原理及实现方法，从而进一步简述了本设计的智能车整体结构，大致了解其组成部分和运行原理，最后介绍了整车的布局情况。
第三章 机械结构设计与优化
任何的控制算法和软件程序都需要一定的机械结构来执行和实现，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构。本章将主要介绍赛车车模的机械特点和调整方案。整车的设计我们本着轻巧的原则，同时最大可能地降低整车重量。合理设计电路板的形状，机械零件的大小及形状，安排好车的整体布局，使之既美观，又轻便。为增强模型车的抓地力，使模型车具有良好的转向性能和充电速率，我们对电容及线圈安装位置、摄像头固定结构、避震等 [4]我们都进行了精细地调整。
3.1 转向结构优化
3. 1.1差速转向原理
差速转向指的是车辆通过控制左右两个驱动轮的转速实现转向，当驱动轮转速不同时，即使无转向轮或者转向轮无动作，车身也会旋转。
车辆在拐弯时车轮的轨线是圆弧，如果汽车向左转弯，圆弧的中心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。
以坦克为例，哪一侧履带的运动速度较慢，车体就向哪边转向。如果要在原地“掉头”，只要把一侧的履带完全停住，使其速度为零，靠另一侧履带产生的动力就可以带动坦克在原地转向。（大部分坦克的两条履带可以一前一后反方向运动，做到真正意义上的原地转向。）
因为组别特色的“节能”要求，我们在设计上并未使用耗电量巨大且对电源纹波要求高的舵机或者真正意义上的差速器，而是通过软件控制，使两个驱动轮的速度不同，完成在寻灯过程中的方向控制。
3.2轮距的选择
信标灯保护罩会对行进过程中的车模产生“减速带”一般的作用。我们的整体策略是在灯上冲上足够多的电量，利用 ADC检测电压，在电压达到一定的时候，小车会根据摄像头所采集到的图像进行快速找灯。而轮距就会对速度的提升有很大影响，因为在寻灯运行过程中的时候，车模必然会与高出赛道平面的驱动保护罩相撞。所以轮距是在车模与信标灯的接触效果反馈的重要因素。轮距的选择有两种策略，一是将轮距缩短，这样就完全避免了卡灯的风险，但这会让车模整体重心拉高，不利于摄像头的稳定，并进一步加剧突出的信标灯保护罩对车模的“减速带”效应；另一种是加宽轮距以获得较低的重心和较为稳定的行驶效果。我们选择了第二种策略，并合理安排底盘高度，尽量避免卡灯情况的产生。
3.3万向轮的调整
调试中发现，在赛车冲刺时，万向轮的高度以及安装方向会因与信标灯保护罩的碰撞而对行驶稳定性和停车位置准确性造成巨大的影响。为了尽可能的减小负面影响，我们对万向轮的安装位置与安装高度进行了多次测试与调整。
通过在多次修改与测试中，我们得出结论：万向轮安装在车模的前方或后方对整体行驶过程中的影响不大，但在车模接触信标灯保护罩时，采用后置方案能更好的适应高速冲刺带来的震动与离地现象。对于万向轮高度，在经过使用铜柱调节并进行的多次测试后，我们决定不另外使用铜柱对其加高，使万向轮的高度略微小于车轮，获得一定的活动空间，这对车模的整体稳定性有很大的提升。
同时，调整万向轮设置即调整车身整体结构，将万向轮设置在车身前形成类似三轮车的正三角结构，将万向轮设置在车身后方则形成了倒三角结构。正三角结构的转向性能整体相对于倒三角较好。采用倒三角结构需要确保车身整体中心相对靠前，处于轮轴线略微靠后的位置。
关于万向轮的选型，常见最小尺寸（ 1寸）的万向轮的总高度在 4厘米左右。这个高度的优点是不需要过多地考虑信标灯凸起部分导致的运行不稳。一般来说，车身整体重心越低，车辆整体运行越稳定，速度上限越高。同时，在无线充电方案当中，无限电能接收线圈越靠近无线充电发射线圈，则接收电能效率越高。整体来说 4厘米的底盘高度会使得整体结构方案选择复杂化。智能车竞赛中的官方 F型车模使用的全向轮（福来轮）也是可行的尝试，使用这种型号的万向轮可以通过调节安装高度来改变底盘的高度，方便车身整体设计。
但其缺点也很明显：全向轮转动时会产生一定的小颠簸，对传感器采集有一定的影响。
▲ 图 3.1全向轮
3.4电机型号的选择
相对于传统组别，节能信标组别的限制更少，在车模乃至于电机的选择上，组委会都没有给出明确的限制。但实际上，由于节能信标组别竞赛性质的特殊要求与限制，如何更高效的利用有限的能量，在实际竞赛中获得更高的速度、更长的续航是我们不得不谨慎思考的问题。节能组的电能绝大部分被电机消耗，因此电机的效率高低决定了车模在行进过程中是否节能。这一问题的解决与否，和车模所选电机的扭矩、转速、功耗、响应速度等主要参数，甚至重量、大小、尺寸等次要参数都息息相关。
对于电机的选择，主要有几大类别：
常规直流电机具有价格低廉并且控制简单的优势，同时电机惯性足，不会存在像无刷电机一样失锁的问题，对于颠簸路面的抗性也会更好。但直流电机内磁铁磁场强度较低，由此导致其功率密度较低，这与我们设计轻便的节能车的方向相反，同时由于直流电机物理电刷换向的特性，因此而带来的摩擦损耗也使其效率不高。
空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用无铁芯转子（也叫空心杯型转子）。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了极大改善，这便使其具有了突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，空心杯电机的效率一般在 70%以上，部分产品可达到 90%以上(普通铁芯电机一般在 15-50%左右)。但市面上的空心杯电机一般都转速过高而扭矩过低，如果需要作为动力轮动力使用，通常需要配合减速齿轮组使用才能保证足够的扭矩，这样一来又会导致效率以及系统的可靠性与可维护性降低。
空心杯电机也分为有刷无刷两种，有刷空心杯具有与普通直流电机相同的易于控制的优点。无刷电机没有电刷，因此没有有刷电机打火，噪音大等缺点，同时无刷电机的永磁体现在多采用高磁能级的钕铁硼材料，因此其功率密度较高。无刷电机的缺点在于其控制较为复杂，需要自行制作电子调速器才能驱动，同时电子调速器的性能也影响着电机的相应与效率。
在省赛中，由于种种限制与之前尝试的失败，我们选择使用了 LQ25R8V6直流减速电机，并在整体车身较重的情况下，依靠可靠的寻灯、路径规划与速度控制方案获得了较为理想的成绩。在国赛中，我们则选择使用空心杯行星减速电机。如上文中所提到的，这个电机具有节能的优点，同时控制特性良好，响应速度极快，这对我们控制算法的即时性与进一步优化都有着极大的帮助。在侧面，电机重量的减轻也使得整个车模更加轻便节能。但电机尺寸的减小使得新版车模底盘变低，在测试中卡灯的现象常有发生，让我们在这方面多少走了一些弯路。
空心杯减速电机：
空心杯电机具有较小的体积，能集成高性能编码器，同时响应速度快，效率高，非常适合作为节能组电机。
经过测试，空心杯减速电机在空载时使用约为 0.03V的电压即可启动。9V满占空比时空载电流大约 0.02A。电机额定工作电压 9V，。电机使用 PWM调速时，在一定的频率下，电机不会产生由于 PWM控速产生的蜂鸣声，电流损耗最小，同时可以提高电机使用寿命。使用这款电机的问题在于这款电机传动部分为 16牙的齿轮，不能使用常见减速电机使用的联轴器，提升了结构设计的复杂度。
3.5车模的制作
3.5.1自制车模方向的选择
由于节能信标组别的特殊性质，大赛组委会并未对车模做强制性要求，这就意味着除了使用官方车模以外，只要在符合章程规定的情况下，我们就可以自己制作定制车模参赛。虽然官方车模具有坚固、易于上手、有官方技术与配件库支持等优势，但其单一的结构与配件并不利于我们更换使用其他非官方配件，例如电机、万向轮等。且相较于官方车模，自制车模可被更方便的调整以适应主板、充电线圈等硬件与整体控速方案。于是在竞赛之初，我们便将自制车模作为主要方向。
使用 Solidworks软件进行 3D建模，并使用 3D打印机将其打印出来。这样的制作过程非常省时省力，可以减少车模验证方案的时间。
▲ 图 3.2车模 3D模型
3.5.2关于车模制作与尝试中的细节
首先，关于选择 3D打印材料，在 FDM结构下，普遍使用的打印材料为 PLA、 PETG，ABS等材料。其中 ABS为封闭型结构下适应材料，并且在打印过程中会产生刺激性气体，不适合实验室环境。我们在制作过程中尝试了了 PLA与 PETG两种 3D打印材料。理论上 PETG的物理特性，例如强度与密度等方面略微优于 PLA，但在实际使用中感知不强。同时 PETG材料还要求更高的温度与精度，我们现有的设备无法完全发挥出 PETG的优势。相较于 PETG，PLA材料打印条件要求低，精度高，边界部分光滑平整，更为适合小器件的打印。故最终我们使用 PETG材料打印车模主板部分与对于强度要求更高的电机固定盖，而在轮子上使用 PLA渐变色材料。
其次，关于打印件的重量与强度，最大的整体打印件是“主板”，故在讲到重量与强度时，一定与模型中主板部分的厚度分不开。我们在多次尝试中发现，若要优先保证强度，最好把厚度选择在 4~6mm之间。当考虑到总体重量时， 3~3.5mm就已经达到极限。比 3mm更薄的主板易弯曲折断，在安装与运行过程中也可能出现损坏。 3.5~4.5mm是一个比较好的平衡点。
▲ 图 3.3不合理的槽孔导致的车模损坏
最后，关于建模中的细节，在一开始可以使用槽孔用于硬件安装，便于后期的调试与更改。也可以使用槽孔与镂空减小打印面积以达到最终减轻重量的目的。但槽孔的安装稳定不如圆孔，而且在某些边缘位置的槽孔会使边缘部分与主体连接面积减少，使得强度大大降低。我们在调试过程中就经历了多次模型部分断裂的情况。在使用最终版时，我们认为槽孔的主要目的是减重与在中心这种不会影响强度的位置，更方便的调整磁标等零件的位置。
3.6机械结构的安装
保证车模整体机械结构的稳定性与牢固性是车模正常运行的基础。在整车机械结构的安装与设计方面，我们经过了许多尝试。
3.6.1电路板的安装
为了使得各个部分能够高效利用空间，我们选择使用较轻的尼龙柱对电路板进行加高与堆叠安装。这样在保证不浪费车身面积的情况下，最大化空间利用率，同时方便调整整车重心，使得其在加减速与过灯时姿态更稳定，不容易倾侧。
▲ 图 3.4使用尼龙柱安装的电路板
3.6.2车轮的固定
车轮的安装更是重中之重。对于我们所选用的无联轴器的电机，通常的安装方法是外加齿轮传动。但我们所选用的电机自带变速箱，如再外加传动结构就会导致转速过慢。且传动结构的复杂性过高，对动力结构的整体鲁棒性也有不好的影响。在经过尝试后，我们使用两片式结构，将电机自带的传动部分固定在车轮内。
▲ 图 3.5车轮模型
▲ 图 3.6安装件模型
▲ 图 3.7车轮实际效果
3.6.3摄像头的固定
摄像头是整车最重要，也是最需要稳定性的部分。一丝一毫的不稳定，都可能对采集到的数据产生巨大影响，使得最终整车运行策略产生变动。在安装时，考虑到三角形的稳定性最佳，我们使用竖杆直接支撑，并在旁边立两辅助杆加固。而在杆的材料选择上，我们敲定了使用强度高且重量较轻的中空碳素杆。
▲ 图 3.8摄像头的固定
3.6.4线圈的安装
线圈通过电磁感应产生电流，通过接收电路给电容充电。所以线圈的安装位置与安装方式对我们的最终比赛成绩有着分不开的关系。随信标灯与线圈的距离增加，线圈产生的接收电压近似呈线性下降。
▲ 图 3.9不同距离下的感应交流电压
所以，可以很容易的得出结论：线圈距离信标灯越近越好。但如果一味地压低线圈高度，使得其与地面产生接触摩擦，就会在车模行进中增加很多不必要的摩擦阻力。经过多次调试，我们使用扎带将线圈悬吊在了一个比较合理的位置，能在减少摩擦损耗的情况下最大限度地提升充电效率。第十六届全国大学生智能汽车竞赛技术报告
▲ 图 3.10线圈的固定与安装
3.7其他部分的优化
其他部分的优化主要围绕自制车轮与电机齿轮啮合程度的增强、结构间隙的消除、重心的调整等进行。我们的车模虽在传动方面较为简洁，使用电机直接链接车轮，但在使用自制轮时，电机齿轮与轮子的啮合程度需要一定程度的调整与增强，直到连接部位没有明显间隙且动力传递平顺；结构间隙主要存在电路板与电容结构安装部分，需要适当的使用热熔胶进行固定减小结构间隙与不稳定性；通过合理安排电容与充电线圈安排位置等来降低整车的重心，同时需要保证整车结构的左右对称，即整车重心尽量靠近整车几何中心。
另外，对于节能信标组的车模来说，信标灯被触发与否、车模在竞赛过程中的灭灯效率与磁标的安装位置密不可分。在理论上，磁标应被尽可能多地安装在尽可能贴近信标灯的地方。但在实际上，磁标的安装有多个制约因素。一是磁标的重量对整辆车的影响。如果磁标的安装数量过多使得车身过重，从而使得车模的行进速率与稳定性受到影响则是得不偿失的。二是当磁标被安装在无线充电感应线圈内或电机近旁时会产生涡流效应，在降低车模的充电效率和行进速率的情况下，很大可能会对车模的电机、主板等部位造成不可逆转的损坏。第三点，同时也是极为重要的一点就是，贴近信标灯的磁标不可避免的会在行驶过程中与保护罩发生接触、摩擦甚至碰撞。这带来了卡灯的风险，同时对安装结构与车模本身的强度也是不小的挑战。
▲ 图 3.11用于提高灭灯效率的大型汝铁硼磁铁
自制车模是一个很大的机会，同时也是一个很大的挑战。在获得近似无限的自由度的同时，我们也必须认真审视自己所做的每一个决定，认真思考它们会对整车的运行产生什么影响。在许多新奇的思路中化虚为实，在矛盾的双刃剑中尽力取得最优的平衡点。在整个过程中，我们进行数十次不同结构和形状的车模主板。
▲ 图 3.12各种尝试过的车模主板
▲ 3.7车模实物图
▲ 图 3.13车模实物图-1
▲ 图 3.14车模实物图-2
3.7本章小结
本章主要介绍了智能车机械部分的设计和优化。智能车机械结构的性能影响着整个系统的高效性和稳定性，故先进行转向逻辑的设计，对差速转向测试并优化以获得最适合实际行驶的参数，通过试验测试验证最优参数满足系统要求 [5]。在基础之上，对万向轮的安装位置与高度进行多次测试，并最终确定了车模后低轮高的安装方案。最后，对摄像头安装结构、磁标安装位置等其他部分都进行了优化。
第四章 硬件电路设计
4.1硬件部分概述
电路如同智能车的“血管”，是智能车各部分信息流通的枢纽，一个稳定的电路系统是智能车运行稳定的基本保障。在硬件电路设计过程中，从芯片选型到元件参数的确定，都需要经过仔细的论证，进而绘制出电路原理图。我们的电路总体架构如图 4-1所示。
▲ 图 4.1电路总体架构图
硬件部分分为 TC212核心板部分，电源部分，无线充电部分，视频信号处理部分，驱动电路部分，速度检测部分，用户界面部分。
4.2硬件电路图
▲ 4.2.1核心板电路设计
·经过对比测试，我们选用在比赛规定微控制范围内最为节能的 TC212作为智能车控制系统中的主控制器。
TC212智能车核心板（型号： SAK-TC212S-8F133F，简称 TC212S）是面向大学生智能车比赛的核心控制板，并可以用于 InfineonAurix™单片机 ——TC212开发者学习和试验，可以作为开发板或产品板使用。其创新的多核架构基于多达三个独立的 32位 TriCoreCPU，旨在满足最高安全标准，同时显著提高性能。 TC21xL家族属于 TC2xx奥里克斯 ™配备 133MHz的 TriCore、3.3V的单电压电源和强大的通用时间器模块（ GTM）， TC21xL系列旨在降低复杂性、一流的功耗和显著的成本节约。TC212S具有高达 0.5MB的闪存 w/ECC保护、具有 12bitSARADC转换器、多样化的分时器模块（ GTM,CCU6,CPT12）、具有电压检测器等等。
▲ 4.2.2无线充电模块设计
相较于其他的传统组别，节能信标组的硬件电路会多出一个无线充电模块，因为在规则中，节能组不能携带任何锂电池，只能使用无线电能接收电路模块来接收由电能发射电路发射出的电能，并将其储存到超级电容里。在比赛中由超级电容来提供电量。
在本届全国大学生智能车竞赛中组委会规定了节能信标发射电能的参数——通过无线信标发送的高频（150kHz，遵循无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定）磁场获得最大不超过 50W的充电功率，为车模上的超级法拉电容充电。
由于充电功率具有严格的最高限制，因此车模所使用的电量越小，电能接收效率越高，所需充电时间越少。这也成为了节能组所追求的首要目标。
相比于往届无线节能组的充电方案，今年节能信标组不论在无线电磁波频率、输出功率上限，还是在恒功率控制方案等方面都与之前无线节能组比赛系统有所不同，所以在高效电能接收方面也会与以前电能接收有明显差异。
由于往届无线充电功率较小，虽然电能发送模块限制为 30W，但是实际电路接收到的功率也只有十几瓦，因此无论是恒功率接收、还是建议接收方案都不会对电路有特殊的要求。但是随着本届的充电功率大幅度增加，在无线电能接收方案、电路制作、器件选择等方面都需要进一步的优化，以保证充电电路的高效、可靠，稳定。
无线电能传送是通过发送与接收线圈完成的。无线发送线圈的基本参数如下：
线圈的基本参数：
电感（uH）：15电阻（Ω）：0.108尺寸：内径：8cm；外径：13cm匝数：9匝
▲ 图 4.4双边 LCC补偿电路
设 L2为接收线圈，Cp2为串联电容，C2为并联电容，Lf2为磁环。不妨假设接收时需要的电压和电流为 10V和 7A，从而可以计算出基本电抗为：
LCC-LCC谐振式无线电能传输电路工作过程可以分为 9个过程，其工作波形
大致为：
▲ 图 4.6双边 LCC补偿电路详细电路图
通过这些我们就能很好的理解 LCC-LCC的工作状态，从而我们将 LCC电路进行简化如图：
▲ 图 4.7双边 LCC补偿电路简化图
为提高电能传输效率，降低系统在电感电容上的无功损耗，我们需对原边与副边的谐振补偿结构进行参数配置：令ω1为原边 L1和 C1的谐振角频率，ω2为副边 L2与 C2的谐振角频率，根据磁耦合谐振系统的传输条件及 LCL谐振结构的运行特点，元器件参数关系如下：
通过这些步骤，可以对我们的之前得到的磁环值、并联电容值、串联电容值进行进一步更改。我们选择将磁环值更改为 1.33uH,并联电容值更改为 812nF,串联电容更改为 83.16nF。其接收效率保持在 65%左右。
4.2.3电源模块电路设计
▲ 图 4.8电源模块电路总体图-1
▲ 图 4.9电源模块电路总体图-2
电源管理系统是整个硬件系统的基础。节能信标的储能设备由锂电池换为了可以快速充放电的法拉电容。首先我们知道法拉电容和锂电池的主要区别体现在能量密度和功率密度上。超级电容器的功率密度可以达到 1000-2000W/KG而其能量密度却只有 1-10W*h/KG,锂电池刚好相反。其能量密度是超级电容器的十几倍，但功率密度却是前者的 1/20-1/6。而且超级电容的电压并没有锂电池的电压稳定，会有一定的纹波影响。并且在无线充电的过程中，电容两端的电压可从零伏升高到十几伏，进而导致在完成比赛任务的过程中，电路存在长时间低于或高于负载工作电压的情况。电源管理芯片需要实现升压和降压及其自动切换，即自动升降压。因此，我们经过研究与对比实验，最终选用 Ti公司生产的 TPS63070开关稳压芯片。TPS6307x是一款具有低静态电流的高效降压-升压转换器。在升压或降压模式下,输出电流可高达 2A。此降压-升压转换器基于一个固定频率、脉宽调制(PWM)控制器，此控制器通过使用同步整流来获得最高效率。在低负载电流情况下，此转换器进入省电模式以在宽负载电流范围内保持高效率。转换器可被禁用以大大减少电池消耗。在关断期间，负载从电池上断开。此器件采用 2.5mmx3mmQFN封装。
在经过 TPS63070稳压之后，我们发现，摄像头输出的信号会因为电压不够稳定的问题经常性的出现噪音，严重影响寻灯过程。这一情况的产生是由于开关稳压器件的特性，导致输出的电源仍存在纹波问题。所以针对这一问题，我们在主控系统和摄像头系统等对于电源纹波有高要求的电路中不直接使用开关电源芯片。在这里，我们使用 AMS1117线性稳压芯片及其滤波电路来保证稳定的电源输出。AMS1117是低压差线性芯片简称 LDO，其最大输入电压为 20V，最大输出电流为 1A，但是其效率较低，只有约 30%-50%。
4.2.4超级电容的容量选择
对于节能信标组别来说，不同的整体方案也对应着不同的电容选型。由于单个的超级电容的两端电压普遍为 2.7V或 3.8V，而 TPS63070的最大输入电压为 16V，所以我们一般选取 4串或者 5串的超级电容器作为储能器件。在电容的容量上也有一定的讲究。如果一味地追求大容量，就会导致其功率密度的下降，进而让电能接收效率大幅度降低，但同时大容量也意味着更多的电量储存能力以及更稳定的输出电压。小电容的功率密度会更高，但因为其能量密度偏低，输出电压会时常不稳定。经过我们不断地测试，在带负载的情况下， 4串 100F的电容比 5串 60F的电容的电能接收效率差了约 5%。这意味着每秒输入 /出的功率少了 2.5W。由：
能计算出， 5串 60F的电容最多能储存 1093.5J能量， 4串 100F则可以储存 1458J。通过多次测试与计算，我们得出结论： 3分钟时长的车模运行要求电容至少保留 1100J能量才能在保留些许容错率的情况下完成，每次发车前的充电需要 40-42s的时间。在权衡利弊之后，我们最终选择使用 4串 100F的超级电容器。
4.2.5驱动模块电路设计
对于智能车竞赛来说，速度是取得好的成绩的重要条件，由此电机驱动模块的重要性也就不言而喻。直流驱动电机控制直流电机的转速方向和转动速度。出于赛题当中的节能需求，在驱动选型中，需要考虑驱动的效率、体积、适用范围等条件。经过测试，选用 8701E驱动芯片方案。 DRV8701E可以工作在 6-45V的宽电压范围，而且 8701E无需外部升压，于是这有大大的增加了电能使用的效率，其次，一块 DRV8701芯片就可以驱动整个全桥，相比于两种 “祖传 ”的方案（ IR2104+IRLR7843驱动和 BTN驱动）可以说是非常优越了。
▲ 图 4.10驱动电路原理图-1
4.2.6 PCB实物展示
▲ 图 4.12升降压 PCB实物图
▲ 图 4.13主板 PCB实物图-1
▲ 图 4.14驱动模块 PCB实物图
▲ 图 4.15接收模块 PCB实物图
4.3本章小结
硬件电路部分需要做到认真仔细无纰漏，从原理图的绘制到 PCB的布线，都要尽善尽美，做好细节问题。另外电路板的形状大小要和车模机械结构相适配，保证电路稳定的同时也要保证良好的机械结构。
第五章 路径识别与决策规划设计
5.1程序设计概述
程序与算法是智能车的核心，也是智能车智能的体现，程序设计要求流程清晰、算法高效、稳定、符合实际规律。程序的设计要确定好条件和解的范围，切勿遗漏特定情况或者将算法使用在超越前提条件的情况中。总的来说，即控制车模在符合大赛规则前提下，以最短的时间完成特定数量或行进路程所特定的寻灯任务。
▲ 图 5.1程序设计图
5.2程序框图
▲ 图 5.2程序框图
5.3图像处理
我们采用了 MT9V034灰度摄像头配备 170度广角 850mm红外滤光镜头作为图像传感器。所采集图像均为灰度图像，在此基础上进行图像算法处理。
节能信标组车模的运行基础便是准确的信标灯识别算法。识别的准确性与速度决定了智能车系统运行的稳定性与速度。要想智能车稳定、快速地完成比赛，就必须高效、稳定地识别信标灯位置，进而得出行进方向及合理的速度规划策略。
▲ 图 5.3摄像头捕获图像示意图
对摄像头采集到的图像进行处理，是整个信标灯识别环节中的关键部分，只有从合理处理过的图像中才能获取到准确的位置与方向，才能正确地控制智能车。
5.3.1图像卷积算法
所谓图像卷积算法，就是将图像中的每一个像素点作为对象，计算它的邻域像素与滤波器矩阵的对应元素的乘积，然后将它们相加，作为该像素位置的值。这样我们就完成了滤波过程。
▲ 图 5.4图像处理原理图
卷积算法常用作图像边缘提取和图像滤波处理。单片机处理卷积时常用 3×3卷积核和 2×2卷积核。使用 3×3卷积核效果会更好，但是对图像卷积一次就相当于遍历 9次图像，对单片机有限的算力来说消耗过。
5.3.1图像滤波算法
- 高斯滤波和均值滤波：
高斯滤波利是一种线性滤波算法，用高斯卷积核，可以使得图像更加平滑，且同时保证特征点和边缘特征不受影响。其缺点是浮点运算十分消耗算力；
均值滤波是一种线性滤波算法，相当于每次将窗口区域中的数值取平均数，将均值作为锚点上的像素。均值滤波效率高，但是会使得边缘特征缺失。
▲ 图 5.5高斯滤波原理图
最大值、最小值、中值滤波：顾名思义，这三种算法相当于取窗口区域中的最大值、最小值、中值作为描点像素值。这三种滤波都是非线性的，在处理脉冲噪声，椒盐噪声等效果显著，且速度上具有显著优势。最小值滤波能很好地滤除信标图像中高值干扰，但是在灯距离远时会产生一定的影响。
5.3.1图像连通域算法
在节能信标组比赛当中，干扰通常会在摄像头中产生大片光斑的效果，仅使用滤波算法不足以滤除干扰。所以还需要利用连通域算法对每一个连通域进行单独的分析判断。
最简单的连通域的标记方法为第一次遍历全标记，第二次遍历进行连通域标号，第三次遍历再进行特征分析。此方法十分简单，但是消耗时间久。所以我们使用深度优先算法对其进行优化，在连通域分析的同时进行特征提取，这能提升效率。
大致的思路是：整体算法结构使用递归思路。首先每个点查找时进行标记，如果这个点已经被标记，则忽略它。然后在本行提取一条线，在这条线的上方下和方判断是否有相连的区域，同时记录这一行特征。 .若上方有区域则优先向上查找。当上下都没有区域时，查找结束，根据区域内每行特征提取区域特征。
在内存紧张的时候，保证两张图片的空间即可实现优化版本的连通域算法，即不使用额外的空间进行全图特征储存，每次标记使用原图像标记。
5.4信标灯识别
5.4.1干扰识别
由上文中提到的连通域算法，我们可以提取每个区域特征，进而对图像进行分析处理。由连通域可以提取出区域边界、中心坐标、点数、边缘平整度等特征。随后根据之前采集到的可靠信标图像进行分析。二者的分辨可以从干扰最显著的特征开始：信标灯图像的大小会随着距离增大而减小，因此高处面积大的区域必然不是信标灯。同理，近处面积小的区域也必然不是信标灯。在图像当中，信标灯的整体形状大多为椭圆状，面积随距离增大而减小，单边的斜率变化最多一次。干扰判断的难点在于规则形状区域的干扰，信标组比赛场地多为避光地点，所以在时间紧张的情况下，可将调试重心放在其他控制上。
5.3.1信标坐标识别
在车辆运行过程中，信标灯的坐标位置是最重要的信息输入。对此，最简单的思路是直接将计算出的灯的中心点位置在图像中的坐标作为灯的坐标位置。但实际情况下，我们使用的 170度广角镜头会产生严重的图像畸变，故首先需要对图像畸变进行矫正，并且去除由广角视野看到的高处灯光等部分图像。同时，当信标灯显示不全时，需要将图像边缘的信标灯进行反推，按照椭圆特征进行图像外补全，随后再进行坐标分析。
▲ 图 5.6信标灯位置处理效果图
5.5控制器设计
智能车自主驾驶的性能很大程度上受控制器的影响，要实现路径跟踪和速度策略，就必须设计一个实时、有效的控制器。由于智能车自主驾驶是方向和速度控制的相互协调，所以智能车的跟踪预瞄控制器主要包括有方向控制器和速度控制器 [10]。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称 PID调节。 PID控制器问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID控制技术。 PID控制，实际中也有 PI和 PD控制。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。
将偏差的比例 §、积分 (I)和微分 (D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID控制器。
▲ 图 5.7 PID设计图
▲ 图 5.8 PID相关参数
5.5.1电机控制
智能车的速度控制器采用增量式 PID控制器，即给直流电机输入控制量的增量，并通过旋转编码器反馈速度形成闭环控制，最后，为了提高智能车速度的快速响应能力，特别地引入 bang-bang控制提高速度控制器的响应能力。
▲ 图 5.9增量式 PID控制图
在参数整定的过程中，先将积分项和微分项系数置零，即系统只在比例环节的控制下进行整定，比例系数从小变到大，直到能够快速且稳定地控制智能车车速时，然后从小到大依次增加，当然比例系数也需要作适当的调整，直到找到智能车能够快速地响应并且消除稳态误差时，再次增大积分项系数，直到系统产生震荡，然后依次减小积分项系数，再次找到智能车能够快速地响应且消稳态误差时，从小到大增加微分项系数，直到系统快速且稳定地响应，通过多次反复整定，确定一组最优的控制参数。
闭环控制相应速度快。可以使智能车控制响应速度更加迅速，控制精度更高，但是非常费电，在节能组比赛中，尽量尝试使用开环电机系统。
开环电机系统在节能信标组的可行性分析：智能车控制系统多采用闭环电控制系统的原因除了响应速度和精度之外，很重要的一点是无法建立 MCU控制器输出和电机转速之间的对应关系，采用开环控制将使得电机速度随着电池电量等因素的变化而变化。节能信标组别当中，由于采用超级电容代替电池，车模在某一阶段的电量是可以预见的，也就是说，在这一阶段的特定输出可以产生特定的结果，因此节能组使用开环电机控制系统是可行的。
智能车的开环电机控制系统，可以利用 Sigmoid函数（也叫 S型生长曲线、 Logistic函数），这是一种在步进电机控制中常用的控制曲线。可以在靠近信标灯时减速阶段作为控速过渡曲线，以减少车模在减速阶段的功耗。
▲ 图 5.10 Sigmoid函数曲线
在电机控制当中使用时变化为：
其中， SL为电机初始速度， SH为电机最大速度， F为曲线系数， x代表第
x个采样点， S(x)表示对应速度。这里采用开环式电机控制系统，所以对应速度依照对应关系转化
以上是关于智能车竞赛技术报告 | 节能信标组 - 中国计量大学 - 赛博 - 8的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
智能车竞赛技术报告 | 节能信标组 - 合肥工业大学 - 烂虾队
智能车竞赛技术报告 | 节能信标组 - 华南理工大学 - 华工雨花队
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
智能车竞赛技术报告 | 节能信标组 - 宿迁学院 - MAkkaPakka