17届智能车竞赛技术报告 | 乐师逐飞二队 - 基础四轮组

Posted 2022-09-13 卓晴

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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17届智能车竞赛技术报告 | 乐师逐飞二队 - 基础四轮组相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

学校：乐山师范学院
队伍名称：乐师逐飞二队
参赛队员：唐冰奇罗文祝唐玉琴
带队教师：杨济豪李富钢

简介：本文以第十七届全国大学生智能车竞赛为背景，以大赛组委会指定的C型车模为平台，介绍乐师逐飞二队基础四轮组的智能车系统方案等。本设计以TC387单片机作为系统控制处理器，系统主要由主控模块、按键模块、显示模块、电机驱动模块、舵机转向模块和传感器模块组成。系统控制主要分为速度控制和方向控制，我们以摄像头作为循迹的传感器，以编码器作为速度反馈传感器，并以模糊PD方式对舵机转向进行反馈控制。我们采用增量式 PID 算法完成对车速的闭环控制，通过PWM控制驱动电路调整电机功率。最后，我们实现了小车对各个赛道特殊元素的准确识别和自动停车等功能。

关键词： 智能车，TC387，摄像头

01 引言

1.1 全国大学生智能汽车竞赛背景简介

全国大学生智能汽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委员会（以下简称自动化教指委）主办并负责。作为以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，其不仅是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，也是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛已发展成全国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）。

全国大学生智能车竞赛由竞赛秘书处设计、规范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，也正体现了该竞赛“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”的指导思想。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。其规则透明，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 第十七届全国智能车竞赛规则介绍

本届大赛要求基础四轮组使用 C 型车模，车模运行方向不限，若安装摄像头传感器，摄像头镜片中心的高度距离地面不超过10cm。车模必须采用Infineon系列单片机作为唯一车模微控制器。选手制作的车模完成从车库出发在赛道上往返一周后，然后在返回车库。比赛时间从车模驶出车库到重新回到车库为止，也就是说参赛队伍的车模需要能够识别赛道上的起跑线标志完成车模的出发和停止控制。

1.3 总述

本文主要包含了系统设计总方案概述和制作智能车过程中的机械设计、电路设计、软件设计等方面的介绍。

机械设计部分主要包括制作和调整两部分内容。其中，制作部分主要是车模的基础组装和对车模没有的部分进行设计，如传感器支架、电路板固定等。调整部分主要是针对车模本身已有的机械部分，在竞赛规则允许范围内进行调整和改装，以此来提高其运动性能，以适应高速行驶和快速控制，如舵机的固定结构改装、车轮定位调整等。电路设计部分主要的模块包括：单片机最小系统、电源模块、传感器模块、驱动模块。各模块的总体设计原则是：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。软件部分主要是基于速度和方向的设计。通过控制车模的后轮驱动电机完成，同时辅以编码器传感器和舵机的转向控制。

02 系统设计

本章主要介绍智能车系统总体方案的的选定和总体设计思路。

2.1 系统概述

本设计以TC387单片机作为系统控制处理器，系统主要由主控模块、按键模块、显示模块、电机驱动模块、舵机转向模块和传感器模块组成。在传感器模块中，采用摄像头传感器获取赛道图像信息，采用编码器传感器对电机速度进行检测，采用加速度陀螺仪传感器即姿态传感器检测是否遇到坡道；在舵机转向模块中，以模糊PD方式对舵机转向进行反馈控制；在电机驱动模块中，采用增量式 PID 算法完成对车速的闭环控制，通过PWM控制驱动电路调整电机功率；同时通过软件设计的相关算法识别赛道各元素等。系统整体结构框图如图 2.1.1所示。

▲ 图2.1.1 整体结构框图

2.2 车模整体布局

舵机直立安装，以提高舵机响应速度；
电池帖板放置，以降低小车重心；
摄像头前置，以便采集到更多的赛道信息；
降低整车底盘，以提高小车的行驶平稳性；
主板前置，驱动板后置，以便电线整体规划；

制作完成后小车整体布局如图 2.2.1下：

▲ 图2.2.1 车模整体布局

03 机械结构

智能车车模的机械结构设计是智能车制作过程中极具关键性的一环，它极大程度地影响着小车的行驶平稳性和精度。合理且合适的机械结构设计加上软件的算法控制能够使小车的运行状态得到最大的优化和提高。因此在实际设计中，学习和了解机械结构设计的基本知识同时，也要通过不断测试已做的机械设计的实际结果来不断调整优化机械结构来实现高效完美的小车机械结构。本章内容也将对车模类型、车模机械部分安装及改造、传感器的设计安装、系统电路板的固定及连接等进行介绍。

3.1 车模类型介绍

车模选择的是此次竞赛指定的C车模，但其却与往届同样要求使用的B3车模有所不同。与去年的B型车模相比，C型车模是双电机驱动结构，转向依靠舵机控制和后轮两个电机的差速调节。其优点是能方便的通过软件调节差速，同时也意味着需要掌握并精确地感知小车在不同行驶状态下所需要的差速。

3.2 机械结构设计方案

在经过前期不断地摸索和调试的过程中，我们发现C车模的原有机械结构存在的很多的问题使得小车的运行状态极差。所以在前期，我们对整车的机械结构进行了系统的分析和反复的探索，在规则允许的范围内对车模进行改进和调整，以提高小车的平稳性和整体精度。其中，车身对称、前轮定位、舵机灵敏度等对小车的运行状态有不可忽视的影响。因此，在整车的机械结构上我们进行了多方面的改进。

3.2.1 前轮定位调整

前轮是转向轮，它可通过调节主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角和前轮前束等进行调整。在小车调试的过程中，小车本身存在的不对称的问题使得小车在正反向跑时的转向不对称，因此为了增加前轮的抓地力和转向对称性等，我们选择了主销内倾角和前轮前束的调整。另外，由于车模本身的精度限制，这部分角度的调整并不是主要的，仅仅是为了避免负面影响以及修正车模本身的不对称和不平衡问题。如图 3.2.1所示

▲ 图3.2.1 车模前轮定位

（1）主销内倾角

主销内倾角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。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时越费力，轮胎磨损增大。对于模型车，因此汽车的主销内倾角都有一个范围，约5°－8°之间。对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，在调整时可以近似调整为0°-3°左右，不宜太大。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有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。

（2）前轮前束

前轮前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角，作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。内八字前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。前轮前束的前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。在模型车中，前轮前束可通过改变转向横拉杆的长度实现。

3.3 舵机安装

舵机转向机构在小车的行驶中是及其重要的部分，因此合适的舵机的安装位置和左右横拉杆的长度极大地影响着舵机的灵敏度。为了使舵机转向顺滑，我们选择架高舵机，即在其两侧选用铜柱将其架高并起两侧加固作用，在舵机上下部位加装车模机械组装物件中的铁座并用螺丝固定以此起到舵机上下固定作用。其中需要注意的是，为保证舵机转向精度，铜柱安装打孔时务必要注意左右的对称性。另一方面，为了提高舵机的反应灵敏度且使其在相同转角下有尽可能大的线行程，我们选择缩短了舵机的左右横拉杆。与此同时，舵机的左右横拉杆又不能太短，在相同的转矩下这反而会影响其反应灵敏度，因此经实验后我们选择将其缩短至相对平行的状态下。这也在最大程度上减少了舵机转向时因左右横拉杆太长而损耗的时间。如图 3.3.1所示

▲ 图3.3.1 舵机的安装

3.4 传感器的选择和安装

对车模来说，赛道信息的识别和速度检测等都少不了传感器的帮助。因此，传感器位置的安装和固定等是需要我们对小车的机械安装有整体的把控。

3.4.1 摄像头的选择和安装

对于摄像头的选择，主要考虑分辨率，动态特性，FPS,自动曝光等参数。摄像头有数字和模拟两种，我们选择了总钻风MT9V034数字摄像头，其能够将图像的灰度值以数组的形式传输给单片机。且相比其他摄像头，其具备较好的动态性能。

为了确保摄像头能够稳定循迹而不晃动，摄像头和其底座的固定是关键。由于今年要求的摄像头镜面中心离地面不得超过10cm，因此在安装时我们需要先确定位置。而后再进行摄像头前瞻和视野宽度等的调整，以便赛道信息采集。对于摄像头的安装固定，我们方案是选用碳纤维杆做摄像头支架、铝制的底座通过打孔后用螺丝固定其在小车上的位置，最后将支架和底座通过胶水进行二次加固。如图 3.4.1所示

▲ 图3.4.1 摄像头的安装

3.4.2 编码器的选择和安装

速度是反映智能小车运动快慢的一个重要物理量。编码器作为速度检测反馈传感器，其安装位置需要考虑到测速的准确性。我们选用的是逐飞科技的1024线编码器，其体积小、稳定性高。最终，我们选择将其安装在小车的最末尾部分。如图 3.4.2所示。

▲ 图3.4.2 编码器的安装

3.5 电路板的固定及安装

小车上的电路板分别为主板和驱动板。根据电路板的设计和小车的整体布局考虑，我们选择的是将主板置于小车中前方和将驱动板后置。主板和驱动板选用胶柱架高并打孔后用螺丝固定。如图 3.5.1所示。

▲ 图3.5.1 电路板的安装

3.6 智能车主要技术参数

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 1

▲ 图3.6.1 车模的主要参数

04 硬件设计

智能车电路部分主要的模块包括单片机最小系统、主控模块、传感器模块、驱动模块。在硬件设计中，我们需要考虑到系统的稳定性、可靠性、高效性、简洁性和美观性等，以此实现硬件电路的最优化。其中，稳定性和可靠性是电路设计的最优先原则。简洁性和美观性主要考虑到元器件的使用数量、电路板面积、PCB板布局和电路走线等。