智能车竞赛技术报告 | 节能信标组 - 洛阳理工学院 - Since 2021
Posted 卓晴
tags:
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 - 洛阳理工学院 - Since 2021相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
带队教师签名：武超张伟民
第一章 引言
1.1竞赛背景
全国大学生智能汽车竞赛是本科自动化及相关专业学科领域的顶级赛事之一，是教育部倡导的全国大学生课外学术科技 A类竞赛，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科，对参赛大学生具有极高的基础知识要求、多学科交叉知识应用要求以及理论结合实践创新要求，竞赛以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为指导思想，锻炼大学生面对不同困难的应变能力，强化大学生创新能力和解决复杂工程问题能力的培养。
自 2006年创办至今，该竞赛已在全国 30多个省、市、自治区的 500多所高校普及，成为一项具有导向性、示范性和广泛参与性的大型赛事，取得了良好的人才效益和社会效益。
1.2设计概述
本报告详细地介绍了我们参加第十六届全国大学生智能汽车竞赛节能信标组的整体设计方案。本届节能信标组限定使用 InfineonAURIX TriCore系列芯片,我们选用了 SAK-TC264D作为车模的核心控制单元，选用 MT9V034作为图像传感器，该传感器具有全局快门和高动态范围，可以比较容易的获取更高质量的图像，为了使车模更加节能，我们设计了多款车模并搭建了多辆车进行比较和分析，后文将会依次论述各代车模的特点。最终设计了一套具有大功率无线充电，自动寻灯，路径规划和特殊状态检测的节能信标车。
1.2.1设计创新点
1. 采用高集成度主控板，将无线充电，核心最小系统，整车供电系统以及电机驱动集成在一张 10*8.2cm的电路板上，并使用 1.0mm板厚度，大大减小了电路板的重量。
1. 增加了特殊状态识别，优化了摄像头视角盲区的信标灯的灭灯率。
2. 车体设计过程采用 3D建模和仿真辅助设计，提高了设计稳定型和精度。
3. 多辆车模调试同步进行，比较分析优缺点，更快得出最优方案。
4. LCC-LCC,LCC-S,LCC-P，LCC+BUCK多种无线充电拓扑方案调试。
5. 采用大直径接收线圈，大大提高互感量，增大了接收效率和允许偏移量。7，
在这份报告中，我们主要通过对整体硬件方案、软件算法、车模结构等方面的介绍，详细阐述我队在此次智能汽车竞赛中的思想和创新。
第二章 方案设计概述
本章主要介绍了智能车的总体设计思路，具体设计细节将在后面第三第四第五章中阐述。
2.1车模机械结构设计方案
既然要节能，那车模结构的设计自然显得至关重要。我们采用 3D打印的方式来制作车模，选用硬度较高，易于塑性的 PLA材料打印车模，通过 3D建模软件的仿真功能找出受力点并加强，非关键部位使用 60%填充密度在保证车模足够强度的同时进一步降低车模重量。车模为三轮结构，利用后轮差速转弯，后轮为橡胶包裹尼龙骨架的窄轮胎，这种轮胎相比常用的厚轮胎重量更轻并且拥有不错的抓地力，非常适合节能组的要求，前轮为 TPE材质的 35mm全向轮。
重心的分布往往会影响到车模控制的精度，相同的程序在不同重心的车模上的效果大相径庭。我们将车模主要重心集中在后轮转向轴上，减小车模转弯时的转动惯量，减小车模转向时电机需要输出的功率，让车模拥有更快的响应速度。
动力源采用集成度较高的一体式微型伺服电机，该电机将减速箱，电机主体和编码器集成在一起，减速箱为一级行星减速器，电机为九级空心杯结构，编码器为改装的 512线磁编码器，三者结合可获得高达 78%的转换效率，减小车模行进时的耗电量。
▲ 图 2-1车模侧视图
▲ 图 2-2车模正视图
2.2车模硬件设计方案
如果说智能车整个系统是一座大厦，那硬件就是整座大厦的地基，决定着大厦的稳定性。
整个车体仅使用了一张 10*8.2cm的电路板，1.0mm的板厚减轻了 PCB的重量。充电部分采用了 LCC拓扑，和发射端构成双边 LCC。车模供电系统分为两部分，如图 2-4所示，一部分为电机供电，这部分使用 TPS63070升降压芯片将超级电容变化的电压稳定在 9V，该芯片在 1A负载下可以获得最高 95%的效率，低至 2V的下限电压允许超级电容以更低的电压放电，提高超级电容中电能的利用率。另一部分为逻辑器件供电，这部分使用了 DC-DC+LDO，这种供电结构可以在保证电压转换效率的同时降低输出纹波，DC-DC芯片采用 TPS630701固定 5v输出的升降压芯片，该芯片拥有和 TPS63070相同的效率和下限电压，LDO采用RT9013-3.3将 5V电压转换成 3.3V。
第三章 智能车机械结构
3.1动力及传动结构
车模为一体传动结构，采用了一颗直径为 13mm的空心杯伺服电机，电机自带减速箱和编码器，大大减小了设计难度与设计周期，自带的减速箱为一级行星减速，减速比 5.5:1，空载转速 2400转，堵转电流 450mA，自带的编码器为12线霍尔编码器，由于 12线的精度不能很好的应对智能车的高速运算环境，所以我们将这个编码器在维持原来大小不变的情况下改装成了 512线磁编码器，如图 3-1所示。
▲ 图 3-1改装后的伺服电机
轮胎直接与电机输出轴相连，无间接联结结构，提高传动效率，所使用的轮胎直径为 40mm，厚度 6mm，如图 3-2所示，骨架为尼龙材质，外围包裹软橡胶用以增大与地面的摩擦力。这种厚度较薄的轮胎虽然看上去比较低端，但实际装车效果并不比那种宽大厚重的轮胎差，反而拥有小巧轻便，易于控制的优点。
▲ 图 3-2智能车所使用的轮胎
3.2车体架构
车体采用 3D建模软件辅助设计，整体车模模型如图 3-3所示，使用 3D建模软件设计车模可以很方便的验证各个零件之间的配合是否适合，如果不适合可以直接进行调整，直到整体结构达到理想的设计性能。3D建模软件的受力仿真找出主受力点，单独加强，让材料用到真正该用的地方
▲ 图 3-3车模 3D模型
车模模型主要分为两部分，即主车体和线圈支架，主车体设计较为紧凑，在必要的地方设置加强筋，非必要地方做镂空设计，如图 3-4。
重心靠近转向轴利于车模的转向和减小转向过冲，经验证如图 3-5。
▲ 图 3-5车模重心验证
第四章 硬件电路设计
4.1无线充电接收电路设计
赛题要求车模通过无线充电为车载的超级电容充电，然后用超级电容中的电为车模行进提供电源。充电的速度对整体成绩的影响还是比较大的，由于发射端限定 72W发射功率，所以这部分就是要提高接收端的充电效率。
我们采用了 LCC拓扑的无线充电接收端，LCC拓扑可以在负载变化的情况下维持接收线圈中的电流的恒定，从而提高了系统的稳定性。
LCC电路补偿是在原来的发送线圈上增加三个补偿器件，它们组成一个 T型的电路网络，如图 4-1；
- T型左边支路；串联补偿电容 C2
- T型右边支路；串联补偿电感 L2
- T型下边支路；并联补偿电容 Cj2
发送和接收线圈采取对称的 LCC补偿方案。
▲ 图 4-1双边 LCC
相比原来串联补偿，只有一个补偿电容参数，在设计时只需要考虑到电路谐振频率便可以求出补偿电容的参数。
采用 LCC补偿方案，每边补偿网络的参数变成了三个参数：Lp,Cps,Cpp。这使得电路设计变得复杂。
为了简化设计，往往以下面对称 T型网络为基础来设计电路。如图 4-2，在负载Z0与电源 Ui之间，使用了两个 jX（电感）和一个-jX（电容）组成了一个 T型补偿网络。其中三个器件在工作频率下对应的电抗幅值均相同。因此这个电路在设计过程中只有一个参数 X，因此设计过程简单。
▲ 图 4-2
在通过电磁谐振得到了发射端的电能后，并不能够直接使用，因为此时谐振得到的是正弦交流电。在正式进行充电前，还需要对该交流电进行整流。整流的方式有半波整流，倍压整流，全波整流。因为半波整流效率低，不列入考虑。倍压整流和全波整流从原理上考虑具有相同的效率，实际测试发现全桥整流有比倍压整流更低的输出阻抗。因此我们最终选择了全桥整流作为我们的整流方案，如图 4-3。需要注意的是，整流二极管需要选择耐压足够的肖特基二极管。
▲ 图 4-3
4.2电源设计
整体电源系统设计如图 4-4，电机供电设计为可调，这样的设计方便后期更换不同工作电压的电机，电机供电经过分压后送入单片机 ADC引脚，单片机可以实时采样电机实际供电电压，配合电机驱动的电流感测功能就可以准确的计算出车模行进时的实时功率和耗电量，用以评估剩余里程，每个重要器件都采用独立供电，确保工作时器件之间不会相互干扰。
▲ 图 4-4
4.3电机驱动设计
由于我们采用的是高效率，低功耗的微型伺服电机，电机在堵转时电流也才 450mA，所以完全没有必要使用 H桥分立体驱动，在对比了多款集成驱动后，最终选择了 DRV8833双路集成电机驱动，如图 4-5，该芯片可以支持两路最大
1. 8A输出，完全满足要求，我们选择了大小仅 441mm的 QFN封装。
2. 4核心最小系统设计
▲ 图 4-5电机驱动电路
抛弃核心板而将主控芯片及最小系统直接集成在主控板上可以大大减小PCB的重量和体积。最小系统关乎着整个系统工作的稳定型，所以这部分在设计时要严格遵循 PCB设计规则及电气规则。
芯片的供电分为四种，第一，外部供电，这部分是芯片内部定时器，分频器等外设供电；第二，芯片模拟供电，这部分是芯片内部 ADC及其他模拟电路的供电；第三，ADC基准源，这部分是芯片 ADC参考电压，要想让芯片转换稳定的 AD值就必须使这部分供电稳定；第四，芯片核心供电，这是芯片内部 CPU的供电，Infineon为了降低芯片功耗，这部分采用了低至 1.3V的供电。其中核心供电较为特殊，芯片内部提供了一个稳压电路，但不完整，可以通过选择外部元器件来选择不同的降压方式，第一种是以 LDO方式降压出 1.3V，第二种是以同步整流 BUCK的方式降压出 1.3V，对于节能信标组来说，当然是最求节能高效，所以我们呢采用了第二种核心供电方式，其余供电皆通过 RT9013-3.3获得，如图 4-5。
▲ 图 4-5最小系统
4.5调试接口设计
智能车制作自然少不了漫长的调试过程，在这个过程中我们需要与单片机进行人机交互和数据传输，我们板载了 DAP调试接口，屏幕接口，按键，拨码开关，蜂鸣器，LED指示灯以及有线和无线串口，如图 4-6所示。
第五章 智能车控制软件设计
如果说硬件电路为小车跑动的基础，那么软件算法就是小车提速的“灵魂”，总体而言。
5.1传感器采集处理算法
我们将信标灯铺设在蓝膜上，并且信标灯能发出 10Hz闪烁的红光和常亮红外光，经过对比我们决定采用 MT9V032数字摄像头加可见光滤片，滤掉可见光，只采集信标灯发出的红外光，然后对采集到的图像进行二值化处理和自适应滤波算法对图像进行滤波，为了能够得到准确的 ROI区域，进而能够算出信标灯的准确坐标。
5.2定位算法
对于滤波后的图像我们采用了一种在线标记法以及区域增长法的基础上标记二值图像连通区域的新方法，这种方法综合了线标记法以及区域增长法的优点,充分利用区域的邻域信息,在区域增长的基础上以连通区域的目标段作为区域增长的“种子段”,一次扫描就可以标记图像中所有连通区域,从而能够准确快速的算出信标灯的坐标和大小。
5.3 PID控制
5.3.1 PID控制算法
PID实指“比例 proportional”、“积分 integral”、“微分 derivative”，这三项构成 PID基本要素。每一项完成不同任务，对系统功能产生不同的影响。它的结构简单，参数易于调整，是控制系统中经常采用的控制算法。
5.4寻灯控制策略分析
在控制信标车寻灯的方法中，我们设计了速度环和转向环，速度环作为外环，并且为了能够更好的控制车模我们利用 matlab拟合出了电机实际转速和所给 pwm之间的关系，以此方便计算设定速度和实力速度的偏差。另一方面在考虑转向时，不仅要考虑灭灯效率，更要考虑到灭灯后小车的位置以及是否快速寻找下一个灯。而赛道本身是平面结构，向心力将全部由来自地面的摩擦力提供转向角度决定了车辆过弯的稳定性。合适的转向角度会减少车辆在转弯时的调整，不仅路径可以保证最优，运动状态的稳定也会带来效率的提高，减少时间，所以我们采取了切灯斜边的方法来保证又快又高效率灭灯这样可以使磁铁完美贴合信标灯而且使小车跑动更加流畅，对于转向速度的分析，应该综合考虑路径和转向角度的影响。简单而言，我们会采取近处灯提前拐一个小角度，转向加速的方案。难点在于精准控制小角度转向以及速度把控。在车由 0度转到最大转角时，并不是每时每刻都能同时满足车身正对准信标灯的限制，那么为了赛车行驶的稳定性，我们可能会在小范围内对转角波动，以得到附近最合适的转角值，减小矛盾。
▲ 图5.1
5.5转弯策略分析
在车辆转弯灭灯时，需要对三个参数进行设定：转向角度、入弯速度。为此我们设计了转向环和速度环
float Dir_pid(float Midpoint,float Error)
{tpid.err=-(Midpoint-Error);
tpid.kpout=tpid.kp*tpid.err;
Tpid.out=tpid.kpout+tpid.kdout;
Tpid.err_last=tpid.err If(tpid.out>DutyMax)
Td.out=DutyMax;
If(tpid.out<-DutyMax)
tpid.out=DutyMax;
float Dir_pid(float Midpoint,float Error) { tpid.err=-(MidPoint-error); tpid.kdout=tpid.kd*(tpid.err-tpid.err_last); tpid.out=tpid.kpout+tpid.dout; tpid.err_last=tpid.err; If(tpid.out>DutyMax) tpid.out=DutyMax;
If(tpid.out<-DutyMax) Tpid.out=DutyMax;
5.6能量管理策略
基于第十六届全国大学生智能车竞赛无线节能信标组的比赛要求车模所有能量均来源于无线发射装置和机械预储能，这就要求车模必须统筹速度和能耗两个因素。相对于往届的信标组别而言，速度不再占主导地位。针对车模能耗方面，程序方面有所作为的并不多，其应主要从车模重量、车模形状以及硬件简易程度来大幅度降低车模能耗。尽可能地减少车模重量，优化车模形状，完善接受装置，简化硬件主板，这样在一定程度上可以将能量利用率最大化。从而提高车模的综合性能。但是利用程序可以做到使车模在行驶过程中做到“偷电”即在每个信标灯上做到一灯一充，几十个灯累计的电量也是很可观的，为此我们发现当车模线圈与信标灯相切时充电最快，所以我们设计相切边过灯法，保证每次过灯都能最大效率利用的灯充电保证车模流畅度以及无线续航能力使得车模首冲更少更加节能。
在刚开始发车时保证车充到 12v发车
while(VB_value1<=12&&batchargeflg==1)
{
ad_value1 = adc_mean_filter(ADC_1, ADC1_CH5_A21, ADC_8BIT, 50);
VF_value1=(ad_value1*3.3/256.0);
VB_value1=(VF_value1*11.0);
}
第六章 开发工具
6.1开发工具
ADS集成开发环境是 ARM公司推出的 ARM核微控制器集成开发工具，英文全称为 ARM DeveloperSuite。ADS主要包括 4个模块:SIMULATOR、C编译器、实时调试器和应用函数库。成熟版本为 ADS1.2。ADS 1.2支持 ARM10之前的所有 ARM系列微控制器,支持软件调试及硬件仿真调试,支持汇编、C、C++源程序,具有编译效率高、系统库功能强等特点，可以在 Windows98、WindowsXP、Windows7、Windows8以及 RedHat Linux上运行。
6.2上位机调试系统
我们既可以通过蓝牙通讯模块实时发送小车的运行数据，然后通过上位机来了解小车的状态，也可以实时地显示小车的运行状态。那么一个良好的上位机就显得格外重要了。我们选择了匿名科创地面站来进行上位机的开发，对数据进行处理，纪录并用波形显示。
如图所示为显示上位机。先通过单片机给上位机发送车模在行进过程中的各种运行状态中的数据，然后通过上位机进行分析。
6.3 TFT屏、按键调试
日常调试过程中，我们需要不断调试，修正参数，因此我们选用了显示屏幕配合按键的调试方法。在显示屏幕的选择上，我们选用了体积小的 TFT液晶屏，具有普通 OLED无法比拟的体积优势。
在按键的选择上，我们选用体积较小的贴片按键，并基于三行按键算法，仅需使用 4个按键，便能满足我们的调试。
第七章 模型车的参数
总结
自从参加了第十六届智能汽车竞赛以来，我们小组成员开始了漫长的调车之路，从刚开始无从入手开始查找资料，然后慢慢的开始设计车模的机械结构，然后组装车模，编写程序，经过我们不断地坚持、不断地努力分析并解决问题，最后终于我们成功的完成了我们的目标。唯独遗憾的就是第十六届全国大学生智能车竞赛是一次不同寻常的比赛，因为受新冠病毒疫情的影响，我们不能去哈尔滨参加比赛，只有线上赛，但我们并没有放弃参加这次比赛，在老师的支持下，克服了种种困难，最终完成了比赛。
在整体方案上，我们经过不段的努力最终确定了我们最终的方案在程序设计方面，我们利用比赛推荐的开发工具使用 C语言调试程序，经过我们的不断讨论并且结合场地原因调整车速，做到直线和弯道都能保持相对匀速的状态，保证在相对省电的状态下即快速又准确的灭灯。
在这么长时间的比赛中，我们特别感谢一直支持和关注智能车比赛的学校和学院领导以及各位老师，他们在场地、经费方面都的到了学校和学院的大力支持，同时也感谢比赛组委会能组织这样一项很有意义的比赛。这个比赛凝聚着我们每个人的心血和智慧，通过我们不断的面对困难解决困难，最终这份经验将永伴我们一生，成为我们最珍贵的回忆。
致谢
在这么长时间的比赛中，由衷的感谢这一年来和我们一起努力的队员们，感谢给我们指导的学长学姐和老师们，感谢一直支持和关注智能车比赛的学校和学院领导以及各位老师，他们在场地、经费方面都的到了学校和学院的大力支持，同时也感谢比赛组委会能组织这样一项很有意义的比赛，让我们能在课余生活中将自己所学知识用于实践中，给我们提供了一个可以广泛交流、学习的平台。这个比赛凝聚着我们每个人的心血和智慧，通过我们不断的面对困难解决困难，最终这份经验将永伴我们一生，成为我们最珍贵的回忆。
参考文献
[1]宋瑶,郎博.嵌入式在线开发方法的研究与应用[J].电脑知识与技术,2007(24):97
[2]飞思科技产品研发中心.神经网络理论与 MATLAB7实现[M].北京:电子工业出版社.2005.
[3]王家礼，朱满座，路宏敏,电磁场与电磁波（第三版）.西安：西安电子科技大学出版社,2009.8.
[4]余志生.汽车理论.北京.机械工业出版社. 2012.
[5]杨素行,模拟电子技术基础简明教程（第三版）.清华大学电子学教研组编北京：高等教育出版社,2005.
[6]谭浩强，C语言程序设计[M].清华大学出版社.2006.1
● 相关图表链接:
以上是关于智能车竞赛技术报告 | 节能信标组 - 洛阳理工学院 - Since 2021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 - 北京科技大学节能信标组
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-哈尔滨工业大学紫丁香五队