03-技术报告(湖北汽车工业学院惠捷一号)

全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 PAGEIVPAGEIII第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：湖北汽车工业学院队伍名称：湖北汽车工业学院惠捷一号参赛队员：王江吕鑫冯荣君带队老师：石振东吕科200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四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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，比赛组委会和飞思卡尔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、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名:带队教师签名：日期：目录第一章绪论1.1智能车的由来、应用前景51.2智能车大赛的介绍61.2.1大赛简介61.2.2大赛规则6第二章主要思路及技术方案概要122.1系统硬件结构122.2系统软件结构12第三章电路设计说明143.1系统电源模块设计143.2电机驱动模块设计143.3转速传感器电路设计153.4摄像头供电模块电路设计16第四章视频采集和图像处理174.1视频采集174.1.1摄像头工作原理4.1.2摄像头的选择4.1.3信号分离电路4.2图像处理204.2.1目标指引线的提取第五章模型车机械设计说明225.1车体的具体参数225.2前轮倾角调节225.3齿轮传动机构调节235.4后轮差速机构调节245.5舵机安装方式245.6其他机构的调节25第六章控制策略266.1转向控制266.2速度控制29第七章开发工具、制作调试过程317.1车模开发工具317.2在线编程软件设计与应用31结语：33参考文献：34附录A:车模技术参数统计35附录B:车模外形照片36附录C:部分程序源代码36全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 PAGE38PAGE37·第一章绪论1.1智能车的由来、应用前景1953年，美国BarrettElectric公司制造了世界上第一台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车”。20世纪60年代和70年代初，AGV仍采用这种导向方式。但是，20世纪70年代中期，具有载货功能的AGV在欧洲得到了应用并被引入到美国。这些自动导向车主要用于自动化仓储系统和柔性专配系统的物料运输。在20世纪70年代和80年代初，AGV的应用领域扩大而且工作条件也变化多样，因此，新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发。在最近的10-15年里，各种新型AGV杯广泛地应用于各个领域，单元式AGV主要用于短距离的物料运输并与自动化程度较高的加工设备组成柔性生长线。例如，自动导向叉车用于仓储货物的自动装卸和搬运；小型载货式AGV用于办公室信件的自动分发和电子行业的装配平台。除此之外，AGV还用于搬运体积和重量都很大的物品，尤其是在制造过程中用于载货平台AGV组成移动式输送线，构成整车柔性装配生产线。最近，小型AGV应用更为广泛，而且以长距离不复杂的路径规划为主。AGV从仅由大公司应用，正向小公司单台应用转变，而且其效率和效益更好。至此出现了智能车的概念。城市公共交通是与人民群众生产生活息息相关的重要基础设施。然而，目前世界上许多大城市都面临着由私人汽车过度使用而带来的诸多问题，例如道路堵塞、停车困难、能源消耗、噪声污染和环境污染等，这些问题严重降低了城市生活的质量。优先发展城市公共交通是提供交通资源利用效率，缓解交通拥堵的重要手段。国务院总理温家宝于2005年10月做出重要批示，要求优先发展城市公共交通，这是贯彻落实科学发展观和建设节约型社会的重要举措。大容量城市公共交通，如地铁、轻轨等，其最大优点是空间利用率和能源利用率较高。然而，由于缺乏足够的时间、空间、运行成本过高，难以大力推广和应用。回顾汽车发展的百年历史，不难发现其控制方式从未发生过根本性改变，即由人观察道路并驾驶车辆，形成“路-人-车”的闭环交通系统。随着交通需求的增加，这种传统车辆控制方式的局限性日益明显，例如安全性低（交通事故）和效率低（交通堵塞）。最新调查表明，95%的交通事故是由人为因素造成，交通堵塞也大都与驾驶员不严格遵守交通规则有关。如果要从根本上解决这一问题，就需要将“人”从交通控制系统中请出来，形成“车-路”闭环交通系统，从而提高安全性和系统效率。这种新型车辆控制方法的核心，就是实现车辆的智能化。智能车有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适巡航并把车开得开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来撞车就不会发生了。1.2智能车大赛的介绍1.2.1大赛简介受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛于2006年在清华大学成功举办。此项赛事，在韩国已举办过多届，其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。在前两届比赛中参赛选手必须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，以Freescale公司生产的16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元，本次中参赛对除了X系列的微处理器不用以外，其他8位和16位微控制器可由参赛对自己选择（8位的单片机最多可选两块），这无疑给大家一个更位大的选择余地，我对选用了MC9S12D64作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线‘并且可以实时输出车体状态的智能车控制软硬件系统。各参赛队伍之名次以赛车现场成功完成赛道比赛时间排名。但与以往的比赛来看，今年又增大了难度，即要在车跑完两圈自动停在出发线的3米而准本的技术方案。1.2.2大赛规则参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器（除x系列，其他微控制器自选）作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定。竞赛秘书处制定如下比赛规则适用于各分赛区预赛以及最终决赛。在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。秘书处将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。一、器材限制规定1.须采用统一指定的车模，细节及改动限制见附件一；核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以选用飞思卡尔公司8位、16位系列微控制器（单核,例如不允许使用MC9S12X系列）芯片自制控制电路板。每台模型车的电路板中只允许使用一种型号微控制器。8位微控制器最多可以使用2片，16位微控制器限制使用1片；不得同时使用8位和16位微控制器；3.其他事项如果损毁车模中禁止改动的部件，需要使用相同型号的部件替换；车模改装完毕后，尺寸不能超过：250mm宽和400mm长，高度无限制。二、有关赛场的规定1.赛道基本参数（不包括拐弯点数、位置以及整体布局）见附件三；2.比赛赛道实际布局将在比赛当日揭示，在赛场内将安排与实际赛道具有相同材料的测试赛道供参赛队进行调试；三、裁判及技术评判竞赛全国决赛阶段，由组委会全体主任、副主任（或其授权代表）组成组委会执委会负责审查及批准比赛赛优胜名单，受理参赛队对裁判决定提出之异议或抗辩，并作出最终裁决。组委会下设独立的技术评判组及现场裁判组，分别负责技术评分及现场车赛裁判，成绩确认等事项；两个组共同商议决定赛道布局。所有竞赛组织委员会工作人员，包括技术评判组及现场裁判组人员均不得参与除提供S12培训以外的任何对个别参赛队的指导或辅导工作。在分赛区预赛阶段中，裁判以及技术评判由各分赛区组委会参照上述决赛阶段组织实施。四、分赛区、决赛区比赛规则在分赛区、决赛区进行现场比赛规则相同，都分为初赛与决赛两个阶段。在计算比赛成绩时，分赛区只是通过比赛单圈最短时间进行评比。决赛区比赛时，还需结合技术报告分数综合评定。1．初赛与决赛规则1）初赛规则比赛场中有两个相同的赛道。参赛队通过抽签平均分为两组，并以抽签形式决定组内比赛次序。比赛分为两轮，两组同时在两个赛道上进行比赛，一轮比赛完毕后，两组交换场地，再进行第二轮比赛。在每轮比赛中，每辆赛车在赛道上连续跑两圈，以计时起始线为计时点，以用时短的一圈计单轮成绩；每辆赛车以在两个单轮成绩中的较好成绩为赛车成绩；计时由电子计时器完成并实时在屏幕显示。2）决赛规则参加决赛队伍按照预赛成绩进行排序，比赛顺序从第25名开始至第1名结束。比赛场地使用一个赛道，决赛赛道与预赛赛道形状不同，占地面积会增大。每支决赛队伍只有一次比赛机会，在跑道上跑两圈，以计时起始线为计时点，以最快单圈时间计算最终成绩；计时由电子计时器完成并实时在屏幕显示。预赛成绩不记入决赛成绩，只决定决赛比赛顺序。比赛过程规则按照比赛顺序，裁判员指挥参赛队伍顺序进入场地比赛。同一时刻，一个场地上只有一支队伍进行比赛。在裁判员点名后，每队指定一名队员持赛车进入比赛场地，将赛车放置在赛道出发区。裁判员宣布比赛开始后，赛车应在30秒之内离开出发区，沿着环形赛道黑色引导线连续跑两圈，由计时起始线两边传感器进行自动计时。跑完后，选手拿起赛车离开场地。如果比赛完成，由计算机评分系统自动给出单圈最好成绩。3．比赛犯规与失败规则比赛过程中，如果赛车碰到赛道两边的立柱并使之倾倒或移动，裁判员将判为赛车冲出跑道。赛车前两次冲出跑道时，由裁判员取出赛车交给比赛队员，立即在起跑区重新开始比赛，该圈成绩取消。选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败：裁判点名后，1分钟30秒之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备；比赛开始后，赛车在30秒之内没有离开出发区；赛车在离开出发区之后2分钟之内没有跑完两圈；赛车冲出跑道的次数超过两次；比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车；决赛前，赛车没有通过技术检验。如果比赛失败，则不计成绩。比赛成绩规则在各分赛区进行预赛时，比赛成绩由赛车单圈最快时间决定。在决赛区进行比赛时，比赛成绩由赛车单圈最快时间以及队伍技术报告成绩综合决定。大赛相关规定附件如下：附件一：智能竞赛车模的规定禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；禁止改动驱动电机的型号及传动比；禁止改造滚珠轴承；禁止改动舵机，但可以更改舵机输出轴上连接件；禁止改动驱动电机以及电池，车模主要前进动力来源于车模本身直流电机及电池；为了车模的行驶可以安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。附件二：电路器件及控制驱动电路限制核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以选用飞思卡尔公司8位、16位系列微控制器（单核,例如不允许使用MC9S12X系列）芯片自制控制电路板。每台模型车的电路板中只允许使用一种型号微控制器。8位微控制器最多可以使用2片，16位微控制器限制使用1片；不得同时使用8位和16位微控制器；伺服电机数量不超过3个；传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元计为1个传感器，CCD传感器记为1个传感器）；直流电源使用大赛提供的电池；禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力；全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。可以选择参数：开发软件可以选择CodeWarrior3.1，也可以另行选择；开发调试硬件可以选择秘书处统一提供的BDM工具，也可以另行选择；电路所使用元器件（传感器、各种信号调理芯片、接口芯片、功率器件等）种类与数量都可以自行设计选择。附件三：赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局）赛道路面用专用白色基板制作，在分赛区以及决赛区进行初赛阶段时，跑道所占面积不大于5000mm*7000mm，跑道宽度不小于600mm；决赛阶段时跑道面积可以增大。赛道路面制作材料型号会在网站给出。跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；跑道最小曲率半径不小于500mm；跑道可以交叉，交叉角为90；°赛道直线部分可以有坡度在15度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。赛道有一个长为1000mm的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与结束时刻图一：出发起始线第二章主要思路及技术方案概要2.1系统硬件结构此智能车辆定位系统用摄像头拍车辆前方的赛道，通过MC9S12D64采样视频信号，获得图像数据。然后用合适的算法，如跟踪边缘检测法，分析图像数据，提取目标指引线。然后，系统根据目标指引线的位置信息，对舵机和电机施以合适的控制。本智能车定位系统的结构图如图2-1所示：摄像头摄像头视频采样辅助电路MC9S12D64数据处理舵机驱动电路舵机电机驱动电机图2.1智能车定位系统结构图因为系统是一个有机的整体，所以任何一部分的改进都能提高小车的性能。虽然轮胎、驱动电机、舵机和电池等车模主要结构不能作改动，但是一个机械结构上的细节仍然会对小车的性能产生影响，为此我们对这些细节进行了一定的调整。系统所用的传感器包括光电（1个用于测速）、JY043W（黑线识别）和摄像头（路径识别），它们可以完成赛道信息的采集和小车行驶参数的获取，算法部分主要涉及到模糊算法和PID控制算法等，这些部分将在后面详述。2.2系统软件结构系统硬件位于底层，是整个系统的基础，系统软件结构则根据硬件和控制需要来制定。系统的基本软件流程为：首先，对各功能模块和控制参数进行初始化。然后，通过图像采集模块获取前方的图像数据，同时通过速度传感器模块获取小车的速度，用前排传感器获取路面的信息，采用模糊算法来控制舵机的转向。另外根据检测到的速度，结合速度控制策略，对小车速度进行不断的调整，使小车在符合比赛规则的前提下，沿赛道快速行驶。系统的基本软件结构如图2-2所示。图2-2系统的基本软件机构系统初始化场同步信号检测视频采集系统初始化场同步信号检测视频采集速度采集传感器采集传感器采集舵机采集舵机采集速度调整速度调整第三章电路设计说明3.1系统电源模块设计全部硬件电路的电源由7.2V，2A/h的可充电镍镉电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包括多个稳压电路，将充电电池电压换成各个模块所需要的电压。主要包括如下不同的电压：5V电压。主要为单片机、信号调理电路及部分接口电路（如速度传感器）提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。6V电压。主要是为舵机提供工作电压。实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。7.2V电压。这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块提供电源。12V电压。采用摄像头进行路径检测时，需要12V工作电源。整个电源模块的电路结构为：图3-1电源模块电路结构3.2电机驱动模块设计该车模驱动电机堵转电流为12A，车模正常行驶时电机电流为3A左右，车模行驶时需对车速加以控制，则对电机必须进行PWM调速，图4-2所示为本次驱动电机的电路设计，使用两片MC33886并联是为了防止由于电流过大发热加剧导致其过热保护。图3-2电机驱动电路3.3转速传感器电路设计车速传感器为对射式光电传感器，具体电路如图4-3。由光电对管采集输出为类似正弦波的信号，为使最终的车速信号为单片机所能处理的数字信号，在光电对管输出端接电压比较器LM2903。图3-3车速传感器电路3.4摄像头供电模块电路设计图3-4摄像头供电模块电路第四章视频采集和图像处理4.1视频采集视频采集模块由摄像头、1881视频采集信号分离芯片以及S12的AD模块构成。视频信号是AD采集的基础，下面先介绍视频信号的特征，然后再展开。4.1.1摄像头分为黑白和彩色两种，根据赛道特点可知，为达到寻线目的，只要提取到画面的灰度信息，而不必要提取其色彩信息，所以本设计中采到的是黑白摄像头。摄像头主要由镜头、图像传感芯片和外围电路构成。图像传感芯片是其最重要的部分，但该芯片要配以合适的外围电路才能工作。将芯片和外围电路制作在一块电路板上，称为“单板”。若给单板配上镜头、外壳、引线和接头，就构成了通常所见的摄像头。摄像头的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而言（参见图5-1），摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，该电压信号的高低起伏反映了该行图像灰度变化。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0.3V），并保持一段时间。这样相当于，紧接着每行图像信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。然后，跳过一行后（摄像头是隔行扫描的），开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着会出现一段场消隐区。该区中有若干个复合消隐脉冲，其中有个远宽于（即持续时间远长于）其它的消隐脉冲，称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨在上一场的结尾和下一场的开始部分，得等场消隐区过去，上一场的视频信号才真正到来。摄像头每秒扫描25幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50场图像。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。图4-1摄像头视频信号4.1.2因为S12单片机的AD转换时间在不超频的情况下最短为7us,所以如果选用一个分辨率为320的摄像头，则单行视频信号持续时间约为20ms/320=62.5us，AD对单行视频信号采样的点数将不超过[62.5/7]+1=9个。若使用分辨率越高的，则其采到的点数将更少。如前所述，摄像头的分辨率越高，尽管可提高纵向分辨能力，却会减少单片机AD采样单行信号的点数，削弱了横向分辨能力。现在市场上摄像头的分辨率通常都在300线以上，由此推得单行视频信号的持续时间至多为20ms/300=66us，AD采样每行视频信号的点数至多为[66/7]+1=10个（不超频的情况下），这对赛车定位来说是不够的，所以在选用摄像头时，应当尽量选择分辨率低的摄像头，这样做会降低摄像头的纵向分辨率能力（但降低都仍然远远够用），却可以增加单片机采样视屏信号的点数，提高横向分辨能力。在本次设计过程中，在市场上我们找到了索尼的CCD摄像头，其分辨率为200万像素，以下章节中的视频采集工作就是基于此摄像头。4.1.3要对有效地对视频信号进行采样，首先要处理好的问题是如何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。这里有两种可行的方法。第一，直接通过单片机AD进行提取。因为行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉冲信号的电平低于这些脉冲以外摄像头信号的电平，所以据此可设定一个信号电平阀值开判断AD采样到的信号是否为上述三类脉冲。第二，就是给单片机配以合适的外围芯片，此芯片要能够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作控制之用。考虑到单片机的速度有限，而一些脉冲的间隔时间又较短，为了减轻其处理负担，采用了第二种方法进行信号的时序信息，如行同步脉冲、场同步脉冲和奇、偶场信号信息等，并将它们转换成TTL电平直接输出给单片的I/O口作控制信号之用。1881的端口接线方式如图5-2所示。图4-2LM1881其中，引脚2为视频信号的输入端，引脚1为行同步信号输出端（图5-3中的b）。引脚3为场同步信号输出端，当摄像头信号的场同步脉冲到来时，该端将变为低电平，一般维持230us，然后重新变回高电平（如图5-3中的c）。引脚7为奇-偶场同步信号端输出端，当摄像头信号处于奇场时，该端为高电平，当处于偶场时，为低电平。事实上，不仅可以用场同步信号作为换场的标志，也可以用奇-偶场间的交替作为换场的标志。图4-3LM1881信号时序图4.2图像处理4.2.1智能车通过图像采样模块获得车前方的赛道图像信息，往下介绍如何分析此二维数组来提取黑线，我们采用边缘检测的方法。二维数组的行数和列数即为像素的图像坐标，我们若求出了黑线边缘的图像坐标，就知道了黑线的位置。黑线边缘的特点是其左、右两像素为一黑一白，两像素值的差的绝对值大于某阀值，大于可根据试验确定；而其余处的相邻两像素或全白，或全黑，像素值差的绝对值小于该阀值。这样，只要我们对两数组每行中任何相邻两点做差，就可以根据差值的大小是否大于该阀值来判断此两点处是否为黑线边缘，还可以进行根据差值的正负来判定边缘处是左白右黑，还是右黑左白。从最左端的第一个有效数据点开始依次向右进行阀值判断：由于实际中黑白赛道边缘可能会出现模糊偏差，导致阀值并不是个很简单介于两相邻之间，很可能要相隔两个点。因此：第line为原点，判断和line+3的差是否大于该阀值，如果是则将line+3记为i，从i开始继续在接下的从i+3到该行最末一个点之间的差值是否大于阀值，如果大于则将line+i/2+1的坐标赋给中心给黑线中心位置值，如5-4图4-4单行黑线提取法利用该算法所得到的黑线提取效果不仅可靠，而且实时性好；在失去黑线目标以后能够记住是从左侧还是从右侧超出视野，从而控制舵机转向让赛车回到正常赛道。试验表明：只要阀值取得合适，该算法不仅可靠，而且实时性较好。如果更进一步可以设置阀值根据现场情况的变化而变化。在黑线引导线已经能够可靠提取的基础上，我们可以利用它来进行相应的弯、直道判定，以及速度和转向舵机控制算法的研究。第五章模型车机械设计说明任何的控制算法和软件程序都是需要一定的机械结构来执行和实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调节整赛车的机械结构。本章将主要介绍车模的机械特点和调整方案。5.1车体的具体参数此次比赛用的车模采用1/10的仿真车模。车模机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，后轮驱动方案。车模具体参数如下：表5-1车模基本尺寸参数:基本参数尺寸轴距197cm前轮距124cm后轮距136cm车轮直径50cm车长316cm车宽172cm传动比18/765.2前轮倾角调节调试中发现，在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，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4个因素决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。主销内倾是由主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时就越费力，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。它使用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，迫使车轮偏转自动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也越好。主销内倾和主销后倾都有使转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾回正作用大，低速时内倾的回正作用大。前轮外倾角对汽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和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字”，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。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约为1°左右。所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前轮数值之差，也值前轮中心线与纵线向中心线的夹角，其惯性力会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就会减少。5.3齿轮传动机构调节车模后轮采用RS-380SH-4045电机驱动，由竞赛主办方提供。电机轴与后轮轴之间的传动比为9：38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终的成绩。调整的原则是：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，白白浪费动力，传动部分要轻松、顺畅，容易传动，不能有卡住或迟滞现象。判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。调整好的齿轮传送噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。5.4后轮差速机构调节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。当车辆在正常的过弯中（假设：无转向不足亦无转向过度），此时4个轮子的转速（轮速）皆不相同，依次为：外侧前轮>外侧后轮>内侧前轮>内侧后轮。此时所使用车模配备的是后轮差速器。差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高，以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。差速器的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。好的差速器，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左后轮转过的角度之间误差很小，不会有迟滞和过转向情况。5.5舵机安装方式图5-1舵机安装方式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机构的方法可以提高舵机的响应速度。分析舵机控制转向的理论可以发现，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。这相当于增大力臂长度，提高线速度。针对上述特性，改变了原装车模的安装方式，将舵机安装在相对的一对称面上。这样安装的优点是：1）改变了舵机的力臂，使转向更灵敏，2）舵机安装在正中央，使左右的转向基本一致；3）重心相对来说靠后，减轻舵机的负载。5.6其他机构的调节在调试过程中，除去对以上部分的调整以外，其他机械部分也要根据实际情况来调整，悬挂臂、转向连杆的动作要灵活自如，准确无误；主悬架要松紧适度；驱动电机的螺丝一定要上紧，并要经常检查，一旦在行驶中松动就会造成零件的损坏。调试中还发现主悬架的第二个螺丝容易松动，测试时要检查是否上紧。第六章控制策略6.1转向控制几乎绝大多数的智能车系统都是用PD来控制转向，我们在测试只能够发现这样很难达到令人满意的控制，我们利用了S12的模糊控制器对小车进行了控制，经过测试，得到了一个比较满意的结果。模糊逻辑控制（FuzzyLogicControl）简称为模糊控制，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术，从实质上来看模糊控制是一种非线性的控制，从属于智能控制的范畴。其最大的特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的基本机构原理如6-1所示。图6-1模糊控制的基本原理可以看出，模糊控制的核心是模糊推理机，它是嵌入在一个闭环系统之中的，模糊控制器主要包括模糊控制规则、模糊决策、模糊量化处理和去模糊化处理四个部分。事实上，模糊控制器可视为一个实时闭环系统中依赖操作者经验的控制器，它根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择的系统输入变量，再将输入变量的精确值变为模糊量，并根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量），最后由上述得到的控制量（模糊量）计算精确量，保证被控制对象输出得到满足。在根据该车模的系统，我们设计了一个双输入和单输出的系统，输入的量是所得到的外界信息，输出的是转向PWM图6-2转向PWM模糊控制原理图以下是按照该系统做的模糊控制器、规则库、数据结构表及输出的单值隶属度函数的程序：********************************************************;*S12模糊控制器(B)********************************************************B_FUZZIFY:LDX#B_INPUT_MFSLDY#B_FUZ_INSLDAAB_CURRENT_INSLDAB#5B_GRAD_LOOP:MEMDBNEB,B_GRAD_LOOPLDAAB_CURRENT_INS1LDAB#5B_GRAD_LOOP1:MEMDBNEB,B_GRAD_LOOP1LDAB#36B_RULE_EVAL:CLR1,Y+DBNEB,B_RULE_EVALLDX#B_RULE_STARTLDY#B_FUZ_INSLDAA#$FFREVB_DEFUZ:LDY#B_FUZ_INS+8LDX#B_SGLTN_POSLDAB#9WAVEDIVTFRY,DSTABB_COG_OUTB_FUZZIFY_END:RTS********************************************************;*S12模糊控制器输入规则库(B)********************************************************B_INPUT_MFS:B_MF0:FCB000,060,000,013FCB020,120,013,013FCB080,180,013,013FCB140,255,013,000B_MF1:FCB00,04,000,085FCB01,08,085,085FCB05,11,085,127FCB08,20,064,000********************************************************;*S12模糊控制器数据结构表(B)********************************************************B_RULE_START:FCB$00,$04,$FE,$08,$FEFCB$00,$05,$FE,$09,$FEFCB$00,$06,$FE,$0A,$FEFCB$02,$07,$FE,$13,$FEFCB$03,$04,$FE,$14,$FEFCB$03,$05,$FE,$15,$FEFCB$03,$06,$FE,$16,$FEFCB$03,$07,$FE,$17,$FEFCB$FF********************************************************;*S12模糊控制器输出单值隶属度函数(B)********************************************************B_SGLTN_POS:;+++++|FCB100,094,088,085;||;||||+|FCB095,092,088,081;|;||||+|FCB090,088,080,077;|;||||+|6.2速度控制本车模安装了车速传感器（图6-3）,来采集速度图6-3车速传感器那么对车速的控制便可采用PID闭环控制。数字PID控制分位置式PID、增量式PID和速度式PID控制，本次采用增量式PID调速策略，其计算公式为：Δμn=KP(en-en-1)+Kien+Kd（en-2en-1+en-2）其中，Δμn为第n次输出增量；en第n次偏差；en-1第n-1次偏差；en-2第n-2次偏差具体控制流程如6-4所示：图6-4速度PID控制原理图通过大量试验；并采集转速信号，如图6-5可看到PID调速效果。从此采样周期为20ms，目标转速设为45，从图可看出，从启动稳定速度调节时间大约只有300ms响应较快，并且调速稳定，速度基本在44-46之间波动。图6-5第七章开发工具、制作调试过程7.1车模开发工具Codewarrior是由Metrowerks公司提供的专门面向Freescale所有MCU与DSP嵌入式应用开发的软件工具。其中包括集成开发环境IDE、处理器专家、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理及调试器等。其中在本设计方案中最为重要的部分就是集成开发环境IDE以及调试器。7.2在线编程软件设计与应用在线编程软件基于Labview7.0环境设计开发，由上位PC机通过RS232串行行总线与车模控制ECU通讯，可对微控制器FlashROM中的程序做在线擦写，主要功能如下：可灵活选择、设置串行端口及波特率。显示应用程序代码在FlashROM的起始、结束地址及握手信号设置。显示调入的*.sx文件内容系统无须重新启动，可在任意状态下做程序的在线擦写微控制器FlashROM在线编程软件的控制台界面如7-1所示。图7-1在线编程软件控制界面

结语很高兴能够参加2009年第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能车大赛，此项比赛是对智慧和毅力的双重挑战。通过本次车模的制作，我们收获颇多。根据赛车总体方案，针对性的查找了大量资料，设计制作了赛车各模块的测试电路。通过实验测试设计方案的可靠性，针对实验结果对方案进行修改，最终确定了各模块的方案，并完成设计。至此，赛车的所有硬件部分已经设计完毕。在编写了流程图后，我们首先提取了赛道各典型位置的图像数据，并对数据进行分析，获得了宝贵的数据资料，为算法的编写提供了依据。最后在编写完程序后，经实道调试不断修改、优化，赛车的性能不断提高。制作完成的智能车模各项技术指标都满足大赛组委会的要求，并在测试赛道上顺利完成了自主的寻迹行驶，测试速度最高可达4m/s尽管我们的车是从上一届的基础上作了大大小小的修改，但是在指导老师的领导下我们相信在本届智能车比赛中会成为一道闪光点。参考文献：[1]邵贝贝。单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京：清华大学出版社，2004.[2]王宜怀，刘晓升。嵌入式应用技术基础教程[M].北京：清华大学出版社，2005.7[3]陈家瑞。汽车构造[M]。第2版，北京：机械工业出版社.2005.1[4]余志生，汽车理论[M]。第4版。北京：机械工业出版社2006.5[5]王晓明。电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.5[6]苏明，陈伦军，林浩。模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].现代机械，2004年第4期[7]胡晨晖，陆佳南，陈立刚。第二届“