机械学院“虹桥杯”智能小车

1、设计者：xxx xxx 本智能小车利用红外传感器采集路况信息， 配合传感器、电机、舵机、电池等组成的 驱动电路进行信息处理，以达到自动路径 识别的目的，并控制模型车高速稳定地在 跑道上行驶。 1.期望目标： 车模的图像是车模稳定性的关键，机 械部分是速度的关键，优良的辅助调试系统 是高效率调试的前提，而其它的控制、驱动、 决策等部分在以上部分良好的前提下，则显 得相对次要。本次车模的制作目标应着重提 升机械性能，并提高图像质量。其它的部分 则应尽量做得简洁、可靠。 2.总体结构图 机械设计 硬件设计 软件设计 分为五部分： 1.前轮的调整。 2.舵机安装。 3.后轮差速调整。 4.车体重心调整

2、。 5.齿轮传动机构调整。 前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性， 使转向轻便和减少轮胎的磨损。 前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主 销后倾、前轮外倾和前轮前束等决定，反映了 转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关 系。 主销内倾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，但转向时也越费力， 轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正 的作用就越弱。 主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜 的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成 的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏 转后自动恢复到原来的中间位置上。主销后倾 角越大，车速

3、越高，前轮稳定性也愈好。 前轮外倾角对赛车的转弯性能有直接影响，它 的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的 轻便性。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生 变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮 联接件损坏。事先将车轮校偏一个外八字角度， 这个角度约在1左右。 舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环 节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安 装位置，而并非改变舵机本身结构的方法可以 提高舵机的响应速度。 安装作用： 1) 改变了舵机的力臂，使转向更灵敏； 2) 舵机安装在了正中央，使左右转向基本 一致； 3) 增加前轮下压力，从而提高了前轮的抓地 力，当然这样也加重了舵机负载，不过因为转向 连

4、杆连接点和舵机轴心距离适中，所以不会烧毁 舵机。 差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与 地面之间的滑动，并且还可以保证在轮胎抱死的情 况下不会损害到电机。 当赛车在正常过弯时 (假设无转向不足亦无转向过 度)，4个轮子的转速依序为：外侧前轮外侧后轮 内侧前轮内侧后轮。在过弯时，因外侧后轮轮 胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧后轮轮胎 所遇的阻力较大，轮速便较低。 差速器调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧 都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打 滑，从而影响车模的过弯性能；保证右轮向前转过 的角度与左轮向后转过的角度近似相等，不会有迟 滞或者过转动的情况发生。 重心调整主要包

5、括重心高度和前后位置 的调整。理论上，赛车重心越低稳定性越好。 因此除了摄像头装得稍高以外，其他各个部件 的安装高度都很低。除此之外，车辆重心前后 方向的调整，对赛车行驶性能也有很大的影响。 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，影响加减速性能；重心后移，会减少 转向，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增 加，提高加减速性能。 调整原则： 两传动齿轮轴保持平行，齿轮间的配合 间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加 传动阻力，影响加减速性能；传动部分要轻松、 顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象。判

6、断 齿轮传动是否调整好的一个依据是,听一下电机 带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿 轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音 闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小， 或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。调整好的 齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。 主控芯片模块（16位） 电源管理模块 （5v直流电源） 路径识别模块（索尼CCD模拟摄像头） 测速模块（欧姆龙编码器测速） freeclarXs128组成： 1.端口整合模块 2.脉冲宽度调制模块（PWM) 3.定时器模块 4.模数转换模块（高速A/D) 摄像头方案:根据系统各部分正常工作的需要， 各模块的电压值可分为2.5 V,

7、5 V, 6.5 V, 7.2 V, 12 V五个挡，主要包含以下五个方面： （1）采用稳压管芯片LM2576将电源电压稳 压到5 V后，给单片机系统电路、车速检测的 转角编码器电路供电，且为后面的升压降压做 准备； （2）经过一个二极管降至6.5 V左右后供给 转向伺服电机； （3）直接给直流驱动电机、驱动芯片 MC33886电路供电； （4）采用升压芯片B0512S将5 V电压升压 到12 V后，给摄像头供电； （5）采用稳压芯片LT1764将5 V电压稳压 到2.5 V后，作为单片机A/D模块参考电压。 由于稳压芯片LM2576的额定输出电流 较小，故采用两片LM2576分别对单片机电路

8、、 车速检测电路供电。 电源电源分配分配图：图： 1.CCD工作原理： 摄像头以隔行扫描的方式采样图像，当 扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点 处图像的灰度转换成与灰度对应的电压值， 然后将此电压值通过视频信号端输出。当扫 描完一行，视频信号端就输出一个低于最低 视频信号电压的电平（如0.3 V），并保持一 段时间，相当于一个电压“凹槽”。此“凹 槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。 1.CCD摄像头的安装： 正向安装摄像头，实际采集到的图像是水平分辨 率低，垂直分辨率高，与所需的检测图像要求刚 好相反。为了保证不漏检黑色引导线，正向安装 就需要提高水平方向的分辨率，因此，我们使用 了

9、高速AD转换芯片TLC5510提高AD转换速率。 安装摄像头的底座和支杆应使用刚度大、 质量轻的材料，以防晃动。 要能有效地采样摄像头视频信号，首先要 处理好的技术问题就是能提取出摄像头信 号中的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉 冲。 有以下两种可供参考的提取方法。 方法一：直接采用A/D转换进行提取。可设 一个信号电平阈值来判断A/D转换采样到的 摄像头信号是否为行同步脉冲、消隐脉冲或 场同步脉冲。 方法二：就是给单片机配以合适的外围芯片， 此芯片要能够自己提取出摄像头信号的行同 步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲，以供单片 机控制之用。 最终，我们使用了芯片提取摄像头的场中断 和行中断信号。 电路

10、图： 提供5V电源 程序的主流程：通过外部中断采集程序对 摄像头的视频信号进行采集，主程序在两 次外部中断的间隙中完成对数据进行处理 及计算并给出控制量。 主程序主要完成的任务是：单片机初始化, 图像滤波算法，舵机控制算法及驱动电机 控制算法。 1脉冲宽度调制（PWM） 初始化PWM是用于舵机和驱动电机的控制， 主要包括以下六大步骤：禁止PWM；选择时钟； 选择极性；选择对齐模式；对占空比和周期编程； 使能PWM通道。 2定时中断及输入捕捉通道的初始化 主要用于产生周期中断以进行速度采集，其初始 化工作主要包括：设定预分频系数；定时器溢出 中断使能；定时器使能。其中断函数主要包括： 清标志位；

11、用户自己的代码。 3A/D转换模块初始化 A/D转换模块主要用于视频信号的采集， 将模拟的视频电压信号转换成对应的数值，以便 于后面的黑线提取算法实现。 4.外部中端（IRQ）的初始化 IRQ主要用于捕捉视频信号的行同步信号， 产生外部中断以进行图像采集。 在调试过程中会出现两段黑线情况，这种 图像信息比较复杂，这时可能存在三种路 况： （1）赛道比较密集时，检测到多条赛道； （2）大“S”弯道； （3）“十”字交叉道。 处理策略为：保留最底下的一段，这主要 是从安全角度考虑的，防止赛道周围环境 对小车的干扰 另外，由于智能车上安装的摄像头相对于 赛道存在一定的倾斜角度，因此会造成采 集到的赛

12、道图像具有一定的梯形失真，即 图像中的赛道远端窄、近端宽，因而也会 对路径的正确识别产生影响。对于这种失 真，可以通过对每行提取的赛道位置添加 一个线性修正值来消除，一般通过实验的 方法确定线性补偿的系数。 1 赛道参数的计算 2转向控制 3速度控制 舵机控制方法选择： 本系统伺服器控制目标是舵机可以快速 而连续的转动合适的角度。舵机控制常见的算法 有三种： 1、模糊控制。调节响应速度快，但是打 角不连续且参数不直观，调试困难。 2、PD算法。打角比较连续，但是响应 速度较慢。 3、直接PWM控制。可以准确快速的响 应PWM占空比的变化，但对于输入占空比的连 续性要求较高。 转向角度的计算：

13、角度的计算有如下几种方法。 1、偏差法。根据实际值与目标值计算出一个偏差， 然后乘以一个系数，再将转角方向考虑进去，最终形成 打角输出给舵机。 2、斜率法。即计算根据优化路径计算路径的斜率 和截距，根据斜率和截距确定车转向角度。 3、模式识别法。赛道曲线大致分为直线、90度曲 线、大S曲线、小S曲线和环路。根据赛道曲线类型来 确定转向角度方案。 综合考虑，我们最终采用以偏差法为主，斜率法为 辅的计算转角策略。 同时，使用分段比例控制可解决系数过大会导致小车振 荡，过小会导致最大控制量偏小，小车转向不足，过弯 时容易冲出赛道的问题。 本系统驱动电机控制采用闭环PID控制，为 了避免误差累加，采取

14、增量PID算法。 PID算法简介：PID控制即比例、积分、微 分控制，该算法具有结构简单、工作可靠、 便于调整、性能稳定等优点。PID控制，实 际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根 据系统的误差，利用比例、积分、微分计 算出控制量进行控制的。 PID 函数的一般形式为： U(s)=Kp(1+1/(TI*s)+TD*s)；其中Kp 为比 例系数，TI 为积分时间，TD 为微分时间常 数。 PID控制系统原理图 整定步骤一般如下： 1、预选择一个足够短的采样周期让系统 工作； 2、仅加入比例控制环节，直到系统对输 入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放 大系数和临界振荡周期； 3、在一定的控制度下通过公式计算得到