河南理工大学hpu双车会车组技术报告

1、第十四届全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛技术报告学校： 河南理工大学队伍名称： HPU 双车会车组参赛队员： 秦耀华肖涛孙艺铭候俊芳范佩升带队教师： 张张丽伟关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第 14 届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和恩智浦半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报全国大学生智能汽车邀请赛技术报告摘要本设计以第十四届全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛为背景，以大赛组委会指定的 F 型车模和 D 车模为平台，搭建了一个以恩智浦半导体公司的 32 位微控制器 M

2、K66FX1M0VLQ18 为控制核心的智能车控制系统。本文介绍了河南理工大学 HPU 双车会车组队员们在准备第十四届飞思卡尔智能车大赛中的工作成果。文中主要介绍了智能小车控制系统的机械结构、软硬件结构及设计开发过程。整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略的优化等多个方面。以安装在车体前的工字电感作为循迹传感器，采用干簧管检测起跑线，以 512 线编码器检测速度信息，利用 PID 控制算法控制速度变化。结合MATLAB 软件仿真最终确定了各项控制参数。 关键字： 智能车、恩智浦、循迹、PID、双车会车、MT9V032 2全国大学生智能汽车邀请赛技术报告目录摘要1

3、 第一章 引言4 1.1 “恩智浦”杯智能车大赛介绍4 1.2 第十四届智能车大赛规则介绍5 第二章 机械结构设计7 2.1 智能车前瞻的固定7 2.2 重心的调整6 2.3 车身布局7 2.4 关于轮胎9 第三章 硬件电路设计10 3.1 供电管理11 3.2 主控电路和驱动电路12 3.3 放大电路13 3.4 总结14 第四章 控制算法设计与说明15 4.1 主要程序流程15 4.2 赛道信息采集及处理16 4.2.1 电感信息处理14 4.2.2 位置偏差的获取14 4.2.3 直立与三轮的方向控制14 4.3 控制算法实现15 4.3.1 模拟式 PID 调节器15 4.3.2 数字

4、式 PID 调节器16 4.3.3 基于位置式 PID 的方向控制18 4.4 特殊赛道元素处理方案19 4.4.1 双车控制策略19 4.4.1 横断处理策略19 4.4.1 坡道处理策略19 4.4.1 环岛处理策略19 第五章 系统开发与调试20 5.1 开发环境20 5.2 调试工具21 5.2.1 上位机调参21 5.2.2 调参板22 第六章 车模各项参数23 第七章 主要软件工具25 第八章 结论26 3全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第九章 参赛心得与致谢27 参考文献31 附录 A：部分程序源码29 第一章 引言1.1“恩智浦”杯智能车大赛介绍本文以第十四届全国大学生“恩智浦

5、”杯智能汽车竞赛为背景，该比赛从 4全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2006 开始，是由教育部高等教育司委托高等学校自动化类教学指导委员会举办的旨在加强学生实践、创新能力和培养团队精神的一项创意性科技竞赛。至今已经成功举办了十三届。在继承和总结前十三届比赛实践的基础上，竞赛组委会努力拓展新的竞赛内涵，设计新的竞赛内容，创造新的比赛模式，使得围绕该比赛所产生的竞赛生态环境得到进一步的发展。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

6、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 第十四届智能车大赛规则介绍本届智能车比赛在总结上一届

7、比赛规则与经验后，为了兼顾现在比赛规模的要求，同时避免同组别内出现克隆车的情况，能够便于参赛学校在有限的场地内使用兼容的赛道完成比赛准备，竞速比赛将按照七个组别进行设置，每个学校在每个小组最多只允许报名一支队伍参赛。每个组别选用的车模、赛道的识别方法、完成任务方面存在差别，对于比赛选手不同学科知识和能力要求也不一样。环境： 不再强行要求室内遮光，规则中明确表示“一般会安排在室内场地，比赛过程中可能会有阳光直接照射，或者强烈的灯光照射”，对于五个室内的组别来说的确对赛车对于环境的适应能力提出了新的挑战。 尺寸要求： 今年在车模尺寸上也做出了有史以来最统一的规定。除了越野组，其他组别制作5全国大学

8、生智能汽车邀请赛技术报告出的用于参赛的作品的外轮廓需小于 30*25*20CM（长*宽*高），特别注意一下是外轮廓。 关于双车是选择交汇后继续行驶还是选择返回行驶，初步认为是继续行驶更容易点，当然根据赛道特点不同而定。我们假设这两辆车都基本做的很完美，那么四轮的速度一定更快，再结合交汇处在赛道所处的位置，有可能掉头返回更节省整体时间。但是又要考虑掉头浪费的时间，直立车掉头的难度，所以在常规情况下，大胆猜测大多数人都会选择交汇后继续行驶。 另外，双车必不可少的便是两车的通信，怎样确保更短时间差去通过起跑线， 通信就必不可少。 我们选择的组别是双车组，比赛要求采用恩智浦半导体公司的 8 位、16

9、位、32 位系列微控制器作为车模中唯一可编程处理器件。对微控制器的数量没有限制。今年引入了阳光的干扰，因此我们双车组采用了主电磁，摄像头予以辅助判断特殊元素的模式。 6全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第二章 机械结构设计2.1 智能车前瞻的固定对于双车组来说，采用电磁循迹，前瞻固定的好坏可以决定你的爱车速度提升的极限，在 30CM 长度限制下最大限度的下，为了更好利用前瞻。所以我们三轮车模采用了稳定的三角形结构，直立采用的是倒立摆模型结构。与此同时，经过对前瞻高度的多次调整，我们最终把三轮前瞻的高度确定在 20cm 左右，直立车前瞻确定在 20cm 左右以便于我们能够更好的对爱车进行速度的提升

10、。 图 2.1 三轮和直立的前瞻示意图 7全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2.2 重心的调整车模最终要达到的效果就是重心稳定，可以达到人为很容易的就可以把小车放到一个自己可以平衡的位置，并且可以自己长时间处于平衡状态，这样说明小车的重心相对比较稳定了。重心前后方向的调整，对赛车行驶的性能有很大的影响，根据车辆运动学理论，车身重心前移，会增加转向，但会降低转向的灵敏度（因为大部分重量压在前轮，转向负载增大），同时降低后轮的抓地力；重心后移，会减少转向，但会增大转向的灵敏度，后轮的抓地力也会增加。因此，调整合适的重心，让车模更加适应比赛的赛道是非常关键的。电池的位置同时也决定者三轮和直立车的速度。

11、所以我们选择了在三轮车和直立车的后面搭建一个安装电池的结构，尽量降低车头的重量，使得车模能够灵活转向。车模总质量的的探讨：我们大家都知道物体质量越大，它的惯性就越大，然而惯性越大对于智能小车来说就不容易停车，灵活性大大降低，这对于一个用程序控制的小车是一大，所以在设计小车时，尽一切可能的减轻车模的整体质量，所以在画电路板时尽可能小。且不能给智能车添加配重。对直立车模重心的探讨：对于直立车来说重心的选择尤为重要，它对小车的整体运行性能起着关键性作用，车模的重心较高有利于直立控制，车模的直立效果会非常的好，但是最终小车是要跑起来的，所以重心低一点对小车的速度的提升有很大的帮助，区赛时我们看到其他学

12、校有一辆直立车模，稍微一放便能立起来，于是我们借鉴了这个的车模搭建方法，最终我们把小车的重心调整到车模整体大概中间位置中等高度的位置，车模前后的重量应该是差不多相等，使我们的直立车也能达到放一下就行立起来的那种状态。我们调的直立位置并不是参考方案的垂直直立，而是与地面有一定的夹角，这样对调直立和提升小车速度都有好处，并且后期调车的事实证明我们是对的，尽量降低车模重心对小车高斯稳定运行时有很大的帮助的！对三轮车模重心的探讨：区赛时我们三轮用的是滚珠作为前轮，在参与组织的车模检查过程中，我们看到了很多很优秀的车模，其中有一辆是用轴承做的前轮，会使变得更加灵活，于是我们搭车的时候，也特意做了个轴承作

13、为前轮，另外，为了使转向更加灵活，我们减轻了车头的重量，使车模更加简洁。8全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2.3 车身布局关于电磁杆长度： （ 1） 短前瞻： 10-30cm。短前瞻对于慢速车来说是最好的选择。因为前瞻短， 舵机臂的负载小，车身转向会非常稳定。在追求速度的竞赛当中，没有谁会单纯地为了稳定性而放弃了速度。所以这个方案只适用于初期制作智能车的熟悉阶段。 （ 2） 中距离前瞻： 30-50cm。此方案有效提高了车的检测距离，来自于舵机等延迟机构产生的滞后效应可以抵消，为提高车速提供了重要的保证，但是由于车长 30cm 以内的限制，因此这个方案是不可取的。 关于我们的前瞻是经过了多次改

14、进，而且比赛的要求是车身的长度不能超过 30cm,我们尽可能为爱车提供了较远的前瞻，所以我们的直立车身最终确定在27cm，前瞻 20cm 左右，三轮车身最终确定在 29cm，前瞻 20cm 左右，双车主要追求的是稳定性，因此这样的前瞻对于双车组来说，其实已经足够。 2.4 关于轮胎车的轮胎我们认为一方面是跑出来的，另一方面也要勤擦轮胎，我们是每跑一圈都会擦拭，勤跑勤擦，再加上每天晚上涂软化剂，用保鲜膜包裹一晚上，轮胎就会越来越软，摩擦力也会满足一般速度的需求。9全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第三章 硬件电路设计硬件电路对于整个小车系统至关重要，只有好的硬件才能保证程序员在后期的调试效果，因此

15、在做车前期要尽量设计出合理的电路。 由于本届智能车我们的双车组的三轮和直立分别采用的是 F 车模和 D 车模，所以在考虑电路稳定的情况下，我们的电路板一共有四块，一块是电磁信号放大电路板，电磁信号放大电路对 PCB 的走线比较严格，把信号放大电路集成到主控板上放大信号容易被主控板上的电流干扰，最终决定把信号放大板子单独分割出来。一块是主控板和驱动板，我们把主控和驱动画在了一块板子上，我是的原则是在不影响电路的前提下，尽可能的把板子画的和车模后端相吻合，以便于我们后期的搭车。还有调参板，我们用的是把按键和 lcd 液晶屏屏结合的方式，这样可以合理地应用空间，保证了车的简洁。 其中还有最后一块就是

16、车头，是专门给三轮车用的，主要固定干簧管，灰度，摄像头。 图 3.1 小车放大板 10全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 3.2 小车主控板 图 3.3 小 车 调 参 界 面 图 3.4 小 车 车 头 3.1 供电管理好的电源分配才能保证电路的正常工作。11全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 3.5 小车电源分配图 在参照前几年学长的经验， 以及前几届的技术报告后， 我们决定采用TPS76833 和 TPS76850 进行稳压供电，这种芯片外围电路少，且稳定性好，所以是一款不错的芯片，但是价格需要 10 元一片，在电源分配中，单片机及放大电路都是单独供电，编码器，LCD 调参板等都是

17、3.3 供电。 3.2 主控电路和驱动电路在考虑成本和稳定的情况下，我们放弃使用 BTN7971 搭建 H 桥，而是使用MOS 管搭建，IR7843 的 N 沟道 mos 管， 并且它的导通电压只有 4.5V 最大承受的瞬间电流达 到 100A，对于驱动电机来说足够了，一片价格在 2 元左右，此款 MOS 管还 需要 IR2401 驱动芯片来驱动， 一片价格也在 2 左右，最后一版电路中我们去掉了多余的电路，板子也接近完美。 12全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 3.6 小车 PCB 原理图 3.3 放大电路对于用电磁循迹的小车最难的电路设计应该就是放大电路的设计了，放大电路设计时由于需要

18、考虑信号的传输，因此对于 PCB 的设计要求非常严苛，首先在制板时地线应大于电源线大于信号线，其次尽量不要让地线在布线时形成回路这样对电路的干扰是非常大的。在此我们选用的是 LM386 这款老芯片。另外我们的直立和三轮用的都是一样的放大板。13全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 3.7 小车放大板原理图 图 3.8 小车放大板 PCB 图 3.4 总结小车的硬件确实很能影响整个队伍的成绩，硬件的稳定才能保证系统的正14全国大学生智能汽车邀请赛技术报告常工作，如果在调试时总是出现电路有问题的情况这样会很影响整个队伍的士气，因此在做车前期就应该设计较好的电路，在后期的经验积累下不断进步。第四章

19、控制算法设计与说明4.1 主要程序流程智能车控制算法是智能车设计的核心，一个好的系统框架能够使小车运行的更加高效与安全。我们的智能车控制流程大致如下：首先初始化各种模块，包括 AD 检测模块、电机控制模块、陀螺仪模块、蓝牙通信模块、LCD 液晶调参板、灰度模块、超声波测距模块、检测起跑线与停车模块以及编码器测速模块。并且根据现场的测试情况，通过调参板来设定小车的具体参数。当小车的各种功能模块初始化完成之后，根据具体要求来设定好系统的中断优先级，来完成小车的寻迹与行驶。主要程序流程图如图 4.1 所示。 15全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 图 4.1 主程序流程图 4.2 赛道信息采集及处理在

20、智能车的控制中，赛道信息的采集及处理尤为关键。对于我们的电磁车而言，所有的赛道信息都来自传感器支架上七个电感采集到的赛道信息，通过分析16全国大学生智能汽车邀请赛技术报告每组数据之间的关系计算出小车与当前赛道的相对位置并根据赛道信息发出合适的控制信号控制舵机转向以及控制电机加减速。4.2.1 电感信息处理 从放大器出来的电压信号经过倍压整流及RC 滤波电路直接送到单片机的AD 检测通道。虽然经过硬件滤波，但是输入电压的幅值还是存在一定的纹波。由于我们采用的 AD 采集精度为 10 位精度，模拟信号经过采样、保持、量化、编码后转化为最大值为 1024 的数字信号，采样精度较高，得到的原始数据波动

21、较大。因此需要对数据进行软件滤波及归一化处理。为了保证采样的周期性，我们将数据的采集放在了周期定时中断中进行，中断的定时时间为 1ms，每一次进中断都会调用一次原始数据采集函数，为了保证电感采集到的赛道信息的有效性，对于采集到的电感值通过采集多次，然后用冒泡排序法，并通过平滑滤波求平均值。为了克服放大板带来的温漂问题，以及提高赛道的适应性，最后需要对电感值进行归一化处理。 4.2.2 位置偏差的获取 关于小车的偏差计算，结合自身调试的经验，主要有相对式和绝对式，相对式即通过比值进行计算，该方法的最大特点是适应性较强，缺点是获得的信息不多。绝对式即通过差值的形式，例如将赛道最大值减中间电感的值获

22、取偏差。在不同弯道的测试下，我们最终的方法采用的是最简单的差比和的形式，即两边电感的差除两边电感与中间电感的和。采用此偏差算法我们双车最终速度在2.0m/s 左右，存在的问题是对于信号发生器的不同设定值，圆环处采集到电感值非线性变化。 4.2.3 直立与三轮的方向控制（1） 电机差动控制 利用电感的偏差检测信号分别与车模速度控制信号进行加和减，形成左右轮差动控制电压，使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向。 （2） 方向控制算法 17全国大学生智能汽车邀请赛技术报告方向控制算法根据车模检测到中心线的偏差来生成电机差动控制量。通过左 右电机速度差驱动车模转向消除车模距离道路中心的偏差。通

23、过调整车模的方向，再加上车前行运动，可以逐步消除车模距离中心线的距离差别。车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车模方向控制，而我们的三轮也用了陀螺仪 Z 轴方向的角速度，作为微分控制量，使车模方向控制更加灵活，准确。但是由于车模本身安装有电池等比较重的物体，具有很大的转动惯量，在调整过程中会出现车模转向过冲现象，如果不加以抑制，会使得车模冲出赛道。根据前面角度和速度控制的经验，为了消除车模方向控制中的过冲，需要增加微分控制。微分控制就是根据车模方向的变化率对电机差动控制量进行修正的控制方式。这样可以保证车模稳定的转过各种弯道。 4.3 控制算法实现PID (proportiona

24、l-integral-derivative)控制是比例-积分-微分的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID 控制是历史最悠久，生命力最强的基本控制方式。此后，随著科学技术的发展，特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多先进控制策略，然而直到现在，PID 控制仍然得到广泛的应用，概括起来该算法具有原理简单，使用方便，适应性强，鲁棒性强等优点。 PID 调节器分为模拟式和控制式。前者采用运算放大器，阻容元器件等模拟电路构成，早起使用广泛，随著微处理器的发展，采用单片型微型计算机的数字式 PID 调节器引用越来越广泛。 4.3.1 模拟式 PID 调节器 以模拟量连续控制为基础的理想 PID

25、控制算法表达式如下： de(t)1Titu(t) = Kpe(t) +e(t)dt + Td 公式 1 dt0式中 Kp 是比例放大系数，Ti 是积分时间常数，Td 是微分时间常数，u(t)是t 时刻得输出，e(t)是 t 时刻控制器的输入，e(t)=r(t) y(t),r(t)和 y(t)18全国大学生智能汽车邀请赛技术报告分别是 t 时刻控制器的设定值和当前值。 u(t)r(t) +y(t)积分被控对象-图 4.2 PID 控制流程图 在模拟 PID 控制器中，比例环节的作用是对偏差作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减小偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比

26、例系数越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数选择必须恰当，才能过渡时间少，静态误差小而又稳定的效果。 积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增 加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会 产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间 也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当积分常数较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定积分常数。 微分环节的

27、作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。 19+微分比例+全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4.3.2 数字式 PID 调节器 由于计算机控制技术的发展非常迅速，数字化 PID 算法得到了大量应用。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能 像模拟控制那样

28、连续输出控制量量，进行连续控制。由于这一特点模拟 PID 公式中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为： 以 T 作为采样周期，k 作为采样序号，则 离散采样时间 kT 对应着连续时间 t，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换： tkT （k=0,1,2）tj =kj =k T e(jt) = T ej e(t)dt 公式 0j =0j =0de(t)- ee(kT) - e(k- 1) Te= kk -1T dtT2 上式中，为了表示的方便，将 e(kT)简化成 e(k),将上式带入模拟 PID 的公式中得到离散的 PID

29、表达式为： e- ekTu= K e + e+ T kk -1 公 式kPkjdTTj =0i3 或： kuk = KP * ek + Ti ej + T（d ek - ek -1） 公式 4 j =0其中 k-采样序号，k = 0，1，2； u(k)-第 k 次采样时刻计算机的输出值； e(k)-第 k 次采样时刻偏差的输入值； e(k-1)-第 k-1 次采样时刻偏差的输入值； Ki-积分系数，Ki=Kp*T/Ti； Kd-微分系数，Kd=Kp*Td/T； 20全国大学生智能汽车邀请赛技术报告如果采样周期足够小，则（公式 3）或（公式 4）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连

30、续过程十分接近。 （公式 3）或（公式 4）表示的控制算法式直接按（公式 1）所给出的 PID 控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式 PID 控制算法。 这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对 e(k)进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的 u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的 u(k)将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实际生产中是不允许的。 增量式 PID 控制算法可以避免这种现象发生。 所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量u

31、(k)。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式 PID 控制算法进行控制。 增量式 PID 控制算法可以通过（公式 3）推导出。由（公式 3）可以得到控制器的第 k1 个采样时刻的输出值为： e- eTk -1 e+ T k -1k -2 公 式 5 u= K e+k -1Pk -1jdTTj =0i将（公式 3）与（公式 5）相减并整理，就可以得到增量式 PID 控制算法公式为： e k -2ek -1+ ek -2 公 式 6 TDu= u- u= K e - e+ e + Tkk -1Pkk -1kkdTTi由（公式 5）可以看出，如果计算机控制系统采用恒

32、定的采样周期 T，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（公式 5）求出控制量。 增量式 PID 控制算法与位置式 PID 算法相比，计算量小的多，因此在实际中得到广泛的应用。 而位置式 PID 控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式： uk = Duk + uk -1 公 式 7 （公式 7）就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推 PID 控制算法。 21全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4.3.3 基于位置式 PID 的方向控制 PID 算法的应用非常灵活，在实际引用中，可以根据执行器的不同特性选择增量式或位置式 PID，对于方向环，我们选择采用位置式的 PD 控制，经过测试发现

33、，具有良好的控制效果。具体实现如下： p-Final_value=AD_pid.Kp*p-Err*1.000000 + AD_pid.Kd *Ang_y /1000.0000; 公式 8 对于方向环的调试，通常有两种处理，一是将算出的偏差经过 PD 运算后得到的值，与当前速度进行加减进行差速，二是得出偏差后计算出两个轮的当前速度，进行闭环，形成差速，或者将编码器采集的值进行相减，与 PD 计算的值进行闭环控制，但是如果调试不当会和速度环有所冲突，因此我们采用直接相加减的处理方法。 在自动控制原理中增加一系统的稳定性可以通过加入积分反馈，或者加入PD 控制器，因此我们在小车中加入陀螺仪，将陀螺仪

34、算出的角速度，进行双闭环策略，在双闭环的策略下小车行驶的更加稳定。 4.4 特殊赛道元素处理方案4.4.1 断路会车区处理策略 用摄像头或灰度来简单识别断路，因我们用的是电磁循迹，断路区可以直接过，而不受影响。另外对于双车组，必须要在断路实现两车相会，对此，我们使用蓝牙模块，来达到两车通信的目的，使车模可以正常通过断路区。4.4.2 横断处理策略 因为今年有光线因素，因此，特使用超声波模块来识别横断，来避免阳光的影响，用固定偏差的方式绕过横断。22全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4.4.3 坡道处理策略 对于我们现在的车模来说，车头比区赛时轻了很多，但是高速时，车模容易翻，于是，用陀螺仪来检测

35、车头抬起的角度，当车头抬起角度大于我们的设定值时，判别为坡道，减速，避免速度较快时车翻出去。4.4.4 环岛处理策略 对于圆环这一特殊元素，我们通过多次分析电感值的特征，最终通过三个水平电感与两个斜电感来判断进入圆环的标志。通过斜电感和水平电感计算偏差。在通过圆环时，斜电感会先大后小，我们利用这一特征进行识别，并且计算偏差，在实际调试中并未区分大小圆环。 图 4.3 检测圆环示意图 23全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第五章 系统开发与调试5.1 开发环境IAR Embedded Workbench 是瑞典 IAR Systems 公司为 微处理器开发的一个集成开发环境(下面简称 IAR EW

36、),支持 ARM，AVR，MSP430 等芯片内核平台。它包含一个全软件的模拟程序(simulator)。用户不需要任何硬件支持就可以模拟各种 ARM 内核、外部设备甚至中断的软件运行环境。 IAR EWARM 的主要特点如下： 1、高度优化的 IAR ARM C/C+ Compiler 2、IAR ARM Assembler 3、一个通用的 IAR XLINK Linker 4、IAR XAR 和 XLIB 建库程序和 IAR DLIB C/C+运行库 5、功能强大的编辑器 6、项目管理器 7、命令行实用程序 8、IAR C-SPY 调试器(先进的高级语言调试器） 如图 5.1 所示为 IA

37、R 的编程界面 24全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图 5.1 IAR 编程界面 5.2 调试工具5.2.1 上位机调参在调车过程中，我们使用的上位机是山外制作的上位机。通过使用蓝牙模块与上位机进行连接，然后来调节电机的 PID 参数，以及在用来显示赛道信息以及寻找程序的缺陷的时候，都会通过上位机来进行调试。 图 5.2 电机 PID 调试曲线 图 5.3 电感值采集曲线 25全国大学生智能汽车邀请赛技术报告5.2.2 调参板每次在发车之前，对赛道信息采集完毕之后，都会通过调参板来设定其中的一些控制参数，比如舵机的 PD 值的大小，以及小车的速度，会车方式等等。 图 5.4 调参界面 26全国

38、大学生智能汽车邀请赛技术报告第六章 车模各项参数6.1.1 三轮车车模基本尺寸车长： 290mm 车宽： 245mm 车高： 190mm 车重：810g（不加电池） 6.1.2 三轮车电路功耗及电容总容量电路功耗：约 2.1W 电容总容量： 470uF 6.1.3 三轮车传感器及伺服电机数量工字电感：5 个 测速传感器： 1 个测距传感器：1 个蓝牙：1 个 陀螺仪：1 个干簧管：3 个 灰度传感器 2 个UWB 传感器 1 个 总计传感器： 5 个无额外的伺服电机 6.1.4 直立车车模基本尺寸车长： 270mm 车宽： 245mm 车高： 190mm 车重： 830g（不加电池） 6.1.

39、5 直立车电路功耗及电容总容量电路功耗：约 2.1W 电容总容量： 470uF 6.1.6 直立车传感器及伺服电机数量27全国大学生智能汽车邀请赛技术报告工字电感：7 个 测速传感器： 1 个测距传感器：1 个蓝牙：1 个 陀螺仪：1 个干簧管：3 个 灰度传感器 2 个UWB 传感器 1 个 总计传感器： 5 个无额外的伺服电机 6.1.7 赛道信息检测精度、频率直立与三轮赛道检测精度： 0.24cm 直立与三轮赛道检测周期： 1ms 28全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第七章 主要软件工具IAR for ARM V8.32.4 ARM 集成开发环境Altium Design 18 电路板设

40、计 LABVIEW 开发环境 Matlab 7.8.0 混合编程开发环境和算法仿真环境 29全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第八章 结论本文主要介绍了车模的搭建，硬件电路设计，软件算法，以及一些问题的解 决思路和解决方法，该方案能实现双车的正常方式会车，以及双车的短距离跟随， 但是其中仍然存在一些问题： 1. 在前瞻方面使用的是碳素杆，在新型材料日益增多的今天，碳素杆已经不是最佳的方案。 2. 电机频率给的不高，但是电机跑几圈之后，导致特别容易发烫，可能我们的控制存在一些问题，导致了电机堵转。希望在今后的学习中能逐渐解决这些问题， 这也就要求我们更加深入的学习和研究。 30全国大学生智能汽车邀

41、请赛技术报告第九章 参赛心得与致谢智能车不像其他比赛，出去国奖省奖一大堆，这个比赛几乎需要用一年的心血去完成，但是这也是这个比赛最大的迷人之处，越是来自不易，越是懂得珍惜。在这个过程中，我们收获了软件硬件等各个方面的提升，收获了队友之间来自不易的友情，收获了一起熬夜调车为小车哪怕 0.1s 提升时的内心的愉悦，愿繁华荣耀，记忆永存。 感谢组委会为我们提供这样的一个机会，感谢指导老师对我们的耐心支持与帮助，感谢各位队友之间的互帮互助，希望在全国总决赛中我们能取得优异的成绩。 31全国大学生智能汽车邀请赛技术报告参考文献1 竞赛秘书处: 第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛 电磁组直立行车参

42、考设计方案 （版本 2.0）.2012. 2 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发M.北京.清华大学.2004 3 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育4 谭浩强著.C 语言程序设计.北京：清华大学，2000. ，2003. 5 智能车设计与实践.北京：高等教育 ，2003. 32全国大学生智能汽车邀请赛技术报告附录 A：部分程序源码/*brief：十四届智能车双车会车组四轮主函数param：nonereturn：noneauthor：HPU 双车会车组date：第十四届智能车大赛*/void main()System_Init();/所有硬件软件参数初始化while(1)/电感采集处理AD

43、_Collect_Deal();DG_Rec_Circle(pid_data.M_Th,pid_data.L_Th,pid_data.R_Th);/电感识别圆环if(Image_flag = 0)camera_get_img();/摄像头获取图像,黑白摄像头img_extract(uint8*)img,imgbuff,CAMERA_SIZE);/解压缩,一维数组变二维数组 CAMERA_IMG/左环处理L_Circle_Deal();if(trade_mode=0)/图像dir_pid.Act_value = Mid_Output(img,g_imgdata,1);33全国大学生智能汽车邀请赛

44、技术报告dir_ctrl(&dir_pid);/处理完置 1，舵机打角Image_flag = 1;if(trade_mode=1) /电感dir_pid.Act_value = Err_Output();dir_ctrl(&dir_pid);if(Try_Run_flag)speed_temp = pid_data.V_EX;ten_min_try = 0;if(run_flag)if(!L_Circle_flag)speed_temp = pid_data.V_EX;elsespeed_temp = pid_data.Cir_Spd;else if(!run_flag & ten_min_

45、try)speed_temp=0;34全国大学生智能汽车邀请赛技术报告Display();debug();/*brief：1ms 中断函数 控制环param：nonereturn：noneauthor：date：2019-8-17*/void PIT0_IRQHandler(void)PIT_Flag_Clear(PIT0); /清除标志位time_cnt+;/ AD_Collect_Deal();/电感采集处理/ DG_Rec_Circle(pid_data.M_Th,pid_data.L_Th,pid_data.R_Th);/电感识别圆环if(time_cnt%10 = 0)/10ms 控制一次电机speedL_pid.EX_Value = speed_temp;speedR_pid.EX_Value = speed_temp;Moter_Diff(dir_pid.Final