機(jī)械學(xué)院“虹橋杯”智能小車

1、設(shè)計(jì)者：xxx xxx 本智能小車?yán)眉t外傳感器采集路況信息， 配合傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池等組成的 驅(qū)動電路進(jìn)行信息處理，以達(dá)到自動路徑 識別的目的，并控制模型車高速穩(wěn)定地在 跑道上行駛。 1.期望目標(biāo)： 車模的圖像是車模穩(wěn)定性的關(guān)鍵，機(jī) 械部分是速度的關(guān)鍵，優(yōu)良的輔助調(diào)試系統(tǒng) 是高效率調(diào)試的前提，而其它的控制、驅(qū)動、 決策等部分在以上部分良好的前提下，則顯 得相對次要。本次車模的制作目標(biāo)應(yīng)著重提 升機(jī)械性能，并提高圖像質(zhì)量。其它的部分 則應(yīng)盡量做得簡潔、可靠。 2.總體結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 分為五部分： 1.前輪的調(diào)整。 2.舵機(jī)安裝。 3.后輪差速調(diào)整。 4.車體重心調(diào)整

2、。 5.齒輪傳動機(jī)構(gòu)調(diào)整。 前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性， 使轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。 前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷內(nèi)傾、主 銷后傾、前輪外傾和前輪前束等決定，反映了 轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關(guān) 系。 主銷內(nèi)傾是指主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度， 它的作用是使前輪自動回正。角度越大前輪自 動回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時也越費(fèi)力， 輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正 的作用就越弱。 主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜 的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力所形成 的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏 轉(zhuǎn)后自動恢復(fù)到原來的中間位置上。主銷后傾 角越大，車速

3、越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。 前輪外傾角對賽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它 的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的 輕便性。如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生 變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪 聯(lián)接件損壞。事先將車輪校偏一個外八字角度， 這個角度約在1左右。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán) 節(jié)，為了減小此時間常數(shù)，通過改變舵機(jī)的安 裝位置，而并非改變舵機(jī)本身結(jié)構(gòu)的方法可以 提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。 安裝作用： 1) 改變了舵機(jī)的力臂，使轉(zhuǎn)向更靈敏； 2) 舵機(jī)安裝在了正中央，使左右轉(zhuǎn)向基本 一致； 3) 增加前輪下壓力，從而提高了前輪的抓地 力，當(dāng)然這樣也加重了舵機(jī)負(fù)載，不過因?yàn)檗D(zhuǎn)向 連

4、桿連接點(diǎn)和舵機(jī)軸心距離適中，所以不會燒毀 舵機(jī)。 差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與 地面之間的滑動，并且還可以保證在輪胎抱死的情 況下不會損害到電機(jī)。 當(dāng)賽車在正常過彎時 (假設(shè)無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過 度)，4個輪子的轉(zhuǎn)速依序?yàn)椋和鈧?cè)前輪外側(cè)后輪 內(nèi)側(cè)前輪內(nèi)側(cè)后輪。在過彎時，因外側(cè)后輪輪 胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)后輪輪胎 所遇的阻力較大，輪速便較低。 差速器調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊 都會使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打 滑，從而影響車模的過彎性能；保證右輪向前轉(zhuǎn)過 的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度近似相等，不會有遲 滯或者過轉(zhuǎn)動的情況發(fā)生。 重心調(diào)整主要包

5、括重心高度和前后位置 的調(diào)整。理論上，賽車重心越低穩(wěn)定性越好。 因此除了攝像頭裝得稍高以外，其他各個部件 的安裝高度都很低。除此之外，車輛重心前后 方向的調(diào)整，對賽車行駛性能也有很大的影響。 根據(jù)車輛運(yùn)動學(xué)理論，車身重心前移，會增加 轉(zhuǎn)向，但降低轉(zhuǎn)向的靈敏度（因?yàn)榇蟛糠种亓?壓在前輪，轉(zhuǎn)向負(fù)載增大），同時降低后輪的 抓地力，影響加減速性能；重心后移，會減少 轉(zhuǎn)向，但增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會增 加，提高加減速性能。 調(diào)整原則： 兩傳動齒輪軸保持平行，齒輪間的配合 間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會增加 傳動阻力，影響加減速性能；傳動部分要輕松、 順暢，容易轉(zhuǎn)動，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象。判

6、斷 齒輪傳動是否調(diào)整好的一個依據(jù)是,聽一下電機(jī) 帶動后輪空轉(zhuǎn)時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒 輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現(xiàn)象；聲音 悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小， 或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載加大。調(diào)整好的 齒輪傳動噪音小，并且不會有碰撞類的雜音。 主控芯片模塊（16位） 電源管理模塊 （5v直流電源） 路徑識別模塊（索尼CCD模擬攝像頭） 測速模塊（歐姆龍編碼器測速） freeclarXs128組成： 1.端口整合模塊 2.脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM) 3.定時器模塊 4.模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（高速A/D) 攝像頭方案:根據(jù)系統(tǒng)各部分正常工作的需要， 各模塊的電壓值可分為2.5 V,

7、5 V, 6.5 V, 7.2 V, 12 V五個擋，主要包含以下五個方面： （1）采用穩(wěn)壓管芯片LM2576將電源電壓穩(wěn) 壓到5 V后，給單片機(jī)系統(tǒng)電路、車速檢測的 轉(zhuǎn)角編碼器電路供電，且為后面的升壓降壓做 準(zhǔn)備； （2）經(jīng)過一個二極管降至6.5 V左右后供給 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)； （3）直接給直流驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動芯片 MC33886電路供電； （4）采用升壓芯片B0512S將5 V電壓升壓 到12 V后，給攝像頭供電； （5）采用穩(wěn)壓芯片LT1764將5 V電壓穩(wěn)壓 到2.5 V后，作為單片機(jī)A/D模塊參考電壓。 由于穩(wěn)壓芯片LM2576的額定輸出電流 較小，故采用兩片LM2576分別對單片機(jī)電路

8、、 車速檢測電路供電。 電源電源分配分配圖：圖： 1.CCD工作原理： 攝像頭以隔行掃描的方式采樣圖像，當(dāng) 掃描到某點(diǎn)時，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn) 處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度對應(yīng)的電壓值， 然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。當(dāng)掃 描完一行，視頻信號端就輸出一個低于最低 視頻信號電壓的電平（如0.3 V），并保持一 段時間，相當(dāng)于一個電壓“凹槽”。此“凹 槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。 1.CCD攝像頭的安裝： 正向安裝攝像頭，實(shí)際采集到的圖像是水平分辨 率低，垂直分辨率高，與所需的檢測圖像要求剛 好相反。為了保證不漏檢黑色引導(dǎo)線，正向安裝 就需要提高水平方向的分辨率，因此，我們使用 了

9、高速AD轉(zhuǎn)換芯片TLC5510提高AD轉(zhuǎn)換速率。 安裝攝像頭的底座和支桿應(yīng)使用剛度大、 質(zhì)量輕的材料，以防晃動。 要能有效地采樣攝像頭視頻信號，首先要 處理好的技術(shù)問題就是能提取出攝像頭信 號中的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈 沖。 有以下兩種可供參考的提取方法。 方法一：直接采用A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行提取?？稍O(shè) 一個信號電平閾值來判斷A/D轉(zhuǎn)換采樣到的 攝像頭信號是否為行同步脈沖、消隱脈沖或 場同步脈沖。 方法二：就是給單片機(jī)配以合適的外圍芯片， 此芯片要能夠自己提取出攝像頭信號的行同 步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖，以供單片 機(jī)控制之用。 最終，我們使用了芯片提取攝像頭的場中斷 和行中斷信號。 電路

10、圖： 提供5V電源 程序的主流程：通過外部中斷采集程序?qū)?攝像頭的視頻信號進(jìn)行采集，主程序在兩 次外部中斷的間隙中完成對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 及計(jì)算并給出控制量。 主程序主要完成的任務(wù)是：單片機(jī)初始化, 圖像濾波算法，舵機(jī)控制算法及驅(qū)動電機(jī) 控制算法。 1脈沖寬度調(diào)制（PWM） 初始化PWM是用于舵機(jī)和驅(qū)動電機(jī)的控制， 主要包括以下六大步驟：禁止PWM；選擇時鐘； 選擇極性；選擇對齊模式；對占空比和周期編程； 使能PWM通道。 2定時中斷及輸入捕捉通道的初始化 主要用于產(chǎn)生周期中斷以進(jìn)行速度采集，其初始 化工作主要包括：設(shè)定預(yù)分頻系數(shù)；定時器溢出 中斷使能；定時器使能。其中斷函數(shù)主要包括： 清標(biāo)志位；

11、用戶自己的代碼。 3A/D轉(zhuǎn)換模塊初始化 A/D轉(zhuǎn)換模塊主要用于視頻信號的采集， 將模擬的視頻電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)值，以便 于后面的黑線提取算法實(shí)現(xiàn)。 4.外部中端（IRQ）的初始化 IRQ主要用于捕捉視頻信號的行同步信號， 產(chǎn)生外部中斷以進(jìn)行圖像采集。 在調(diào)試過程中會出現(xiàn)兩段黑線情況，這種 圖像信息比較復(fù)雜，這時可能存在三種路 況： （1）賽道比較密集時，檢測到多條賽道； （2）大“S”彎道； （3）“十”字交叉道。 處理策略為：保留最底下的一段，這主要 是從安全角度考慮的，防止賽道周圍環(huán)境 對小車的干擾 另外，由于智能車上安裝的攝像頭相對于 賽道存在一定的傾斜角度，因此會造成采 集到的賽

12、道圖像具有一定的梯形失真，即 圖像中的賽道遠(yuǎn)端窄、近端寬，因而也會 對路徑的正確識別產(chǎn)生影響。對于這種失 真，可以通過對每行提取的賽道位置添加 一個線性修正值來消除，一般通過實(shí)驗(yàn)的 方法確定線性補(bǔ)償?shù)南禂?shù)。 1 賽道參數(shù)的計(jì)算 2轉(zhuǎn)向控制 3速度控制 舵機(jī)控制方法選擇： 本系統(tǒng)伺服器控制目標(biāo)是舵機(jī)可以快速 而連續(xù)的轉(zhuǎn)動合適的角度。舵機(jī)控制常見的算法 有三種： 1、模糊控制。調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，但是打 角不連續(xù)且參數(shù)不直觀，調(diào)試?yán)щy。 2、PD算法。打角比較連續(xù)，但是響應(yīng) 速度較慢。 3、直接PWM控制?？梢詼?zhǔn)確快速的響 應(yīng)PWM占空比的變化，但對于輸入占空比的連 續(xù)性要求較高。 轉(zhuǎn)向角度的計(jì)算：

13、角度的計(jì)算有如下幾種方法。 1、偏差法。根據(jù)實(shí)際值與目標(biāo)值計(jì)算出一個偏差， 然后乘以一個系數(shù)，再將轉(zhuǎn)角方向考慮進(jìn)去，最終形成 打角輸出給舵機(jī)。 2、斜率法。即計(jì)算根據(jù)優(yōu)化路徑計(jì)算路徑的斜率 和截距，根據(jù)斜率和截距確定車轉(zhuǎn)向角度。 3、模式識別法。賽道曲線大致分為直線、90度曲 線、大S曲線、小S曲線和環(huán)路。根據(jù)賽道曲線類型來 確定轉(zhuǎn)向角度方案。 綜合考慮，我們最終采用以偏差法為主，斜率法為 輔的計(jì)算轉(zhuǎn)角策略。 同時，使用分段比例控制可解決系數(shù)過大會導(dǎo)致小車振 蕩，過小會導(dǎo)致最大控制量偏小，小車轉(zhuǎn)向不足，過彎 時容易沖出賽道的問題。 本系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)控制采用閉環(huán)PID控制，為 了避免誤差累加，采取

14、增量PID算法。 PID算法簡介：PID控制即比例、積分、微 分控制，該算法具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、 便于調(diào)整、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。PID控制，實(shí) 際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根 據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì) 算出控制量進(jìn)行控制的。 PID 函數(shù)的一般形式為： U(s)=Kp(1+1/(TI*s)+TD*s)；其中Kp 為比 例系數(shù)，TI 為積分時間，TD 為微分時間常 數(shù)。 PID控制系統(tǒng)原理圖 整定步驟一般如下： 1、預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng) 工作； 2、僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸 入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放 大系數(shù)和臨界振蕩周期； 3、在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到