第十一届智能车技术报告_上海交通大学

第十一届“恩智浦”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
学校：上海交通大学
队伍名称：思源致远
参赛队员：张兆瑞
郭恒
于欣禾
带队教师：王冰
王春香
目录
目录 (V)
第一章引言 (2)
1.1摘要 (2)
1.2章节安排 (2)
第二章整体方案设计 (3)
2.1车体结构 (3)
2.2硬件电路 (3)
2.3控制算法 (3)
第三章机械结构 (4)
3.1车模重心调节 (4)
3.2编码器安装 (4)
第四章电路设计 (5)
4.1总述 (5)
4.2电源模块 (5)
4.3主控模块 (6)
4.4驱动模块 (6)
4.5PCB图绘制 (7)
第五章算法设计 (8)
5.1概述 (8)
5.2赛道识别算法 (8)
5.3速度控制算法 (8)
第六章总结 (10)
第七章主要技术参数 (11)
第一章引言
1.1摘要
全国大学生智能汽车竞赛至今已举办十届，通过十年间全国各地参赛队员的不断探索，较为传统的光电组已经形成了一套较为完整的体系，各类识别及控制算法均已较为成熟。

本设计为“恩智浦”杯第十一届全国大学生智能汽车竞赛的循迹行驶的方案，赛题组别为光电组。

本文主要介绍了从方案设计到硬件制作最后控制算法实现的过程，整个系统涉及硬件电路设计、控制方案、整车机械架构等多个方面。

最后通过长期的算法改进及参数调试测试了方案的可行性，并提升了控制算法的鲁棒性及整套系统的稳定性。

1.2章节安排
在本文中，将详细介绍机械设计、硬件电路及软件设计的调试与实现过程。

其中机械设计包括重心调节以及各部分的安装等影响，硬件电路则包括各个子模块的功能、设计与实现。

而算法部分则系统的讲述了车模信息的采集、路径处理算法、舵机和电机控制策略等。

其中,第一章是讲述了智能车竞赛的背景和本文章节安排；第二章讲述了车模的整体设计；第三章分析硬件结构对于小车的影响；第四章是从各模块出发，详细讲述了硬件电路各部分功能；第五章讲述了车模的软件算法设计从基础训先控制和速度算法控制两个方面；第六章项目总结；第七章是车模的主要技术参数。

第二章整体方案设计
模型车设计的总体思路上分为三部分进行，车体结构，硬件电路和控制算法。

2.1车体结构
光电组的竞赛采用线性CCD传感器为智能小车驱动引导信号，车体硬件结构主要采用C车模。

赛道识别传感器采用TSL1401线性CCD（数量2个，视角为56度，未采用广角镜头），车模后轮采用双电机驱动，电机型号为C车模标准电机RN‐260，转向通过前轮舵机转向及后轮电机差速协同控制，舵机为C车模标准舵机
S3010。

后轮转速反馈采用欧姆龙500线双向编码器。

供电采用智能车竞赛专用电池（7.2V2000mA）全车传感器个数少于16个，符合竞赛要求。

2.2硬件电路
本设计的控制器采用了32位的Kinetis（ARM Cortex-M4）的K系列，单片机型号为MK60DN512VLQ。

本次比赛使用小车的电路模块均为自行设计，主控模块、电源模块、电机驱动模块等均采用Altium Designer绘制的PCB电路。

为使整个车身重量较轻，需尽量减小电路板体积较小，因此将全部电路画在同一块板上。

2.3控制算法
程序采用IAR软件进行编译及烧写。

控制算法设计包括对赛道的识别、特殊元素处理、加减速控制、电子差速控制等。

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第三章机械结构
本设计中车模机械结构均采用比赛规定零件搭建。

为转弯时更加灵活，需降低整个车体中心，因此将电路板安装在较低的位置。

在调试过程中发现经常会撞到周围物体，因此在车前端安装海绵进行防撞。

将CCD装在碳纤维杆上，并在底盘合适的位置打孔，用螺丝固定碳纤维杆的底座。

3.1车模重心调节
重心是影响智能车稳定性速度的关键因素之一。

车模的的重心要尽量低，这样使车子在运行过程中才能更加稳定。

在硬件安装过程中我们尽量使硬件靠近车盘底侧，并且将电路板设计的很精简，从而降低重心。

3.2编码器安装
编码器是速度控制的核心因素，其安装好坏将直接影响小车的运行。

在安装编码器时应注意编码器齿轮与电机齿轮的咬合，安装时应注意调整好齿轮间隙。

第四章电路设计
4.1总述
电路模块主要包括主控模块、电源模块、电机驱动模块等。

4.2电源模块
飞思卡尔竞赛专用电池标准电压为7.2V，通过LM2596设计开关稳压电路，将7.2V输入电压转换为5V，如图4-1所示，
图4-1开关稳压电路
5V电压主要用于舵机供电，电机供电及编码器供电。

将所得的5V电压利用1117线性稳压获得3.3V电压，如图4-2所示，
图4-2线性稳压电路
3.3V电压主要用于CCD、OLED等电路内其他外设供电。

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4.3主控模块
主控模块采用MK60144管脚实现，如图4-3所示。

图4-3主控模块
4.4驱动模块
驱动模块采用BTN7971B实现，共4个，对双电机进行供电。

以左侧驱动电桥为例，原理图如图4-4所示。

图4-4驱动模块
4.5PCB图绘制
利用Altium Designer软件将原理图绘制为PCB图。

PCB文件铺铜层如图4-5所示。

图4-5PCB文件部分图层
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第五章算法设计
5.1概述
控制算法是智能车设计的最核心部分。

本章主要包括赛道识别算法和速度控制算法两个方面。

5.2赛道识别算法
5.2.1阈值选取
阈值的选取包括动态阈值方式及静态阈值方式，由于实验室调车场地，及华东赛区比赛场地光线较好，因此选用了静态阈值的方式。

当控制周期为10ms时，黑色赛道边缘及蓝色背景的亮度值始终小于50，而白色跑道的灰度值始终大于200，因此采用中值法，设定（200+50）/2=125为阈值。

5.2.2巡线算法
TSL1401共有128个像素点，因此，第[128/2]个点为视野中心点，即预瞄中心点。

从第[128/2]个点开始，分别向左、向右遍历，当读取到灰度值小于阈值的点时停止遍历，记录从高于阈值跳变到低于阈值的点的编号，左端为left，右端为right。

设定赛道中心mid=（left+right）/2。

将得到的预瞄中心与赛道中心做差，令e=[128/2]-mid，即为预瞄中心与赛道中心的偏差。

记录当前e值及上一次的e_last，设定舵机偏转角度为dir，通过PD方式可以求得dir=P*e+D*（e-e_last）。

通过调整P和D参数直至当赛车转弯时前轮始终与赛道边缘平行，此时给赛车设定一个基本速度，即可实现基本赛道元素的巡线。

5.2.3特殊元素处理
十字弯处理：根据十字弯图像特性，会出现一次left<2和right>127的情况，当出现这种情况时，我们将舵机输出值定位0，则可以顺利通过十字弯。

障碍物处理：根据原有的寻迹算法，当小车前方为障碍物时，会自动将障碍物与赛道的边界判定为新的left和right，这时便会自动绕过障碍物。

当车速较快时可能存在判断不及时的情况，这时可以通过减小控制周期的方式加以改善。

终点线处理：终点线有较为明显的图像特征，我们采用数黑白转换跳变边沿个数的方法来确定终点线，当跳变沿个数大于5时即判定为终点线。

5.3速度控制算法
5.3.1加减速控制
速度整体速度控制思想为，直线加速，弯道减速。

首先已匀速方式通过所
有弯道，然后逐渐提速，以确定每种弯道的最大速度。

然后测出每种弯道的偏差值e，然后根据e来确定速度。

当e在-2~2之间时，判定为直道，此时速度最大。

5.3.2电机PID控制
小车通过BTN7971B电桥输出不同大小的PWM值实现对电机的控制。

通过编码器测量到的转速信号可以形成速度闭环。

核心步骤包括：假定期望速度为
exp_speed，编码器示数为taoch，电机的输出PWM值为pwm，定义期望速度与编码器示数差为error，令sum为每次error的总和，last_error为上一次的差值，则有pwm=P*error+I*sum+D*last_error。

通过整定P、I、D参数，使exp_speed 与taoch示数保持基本一致，则完成电机的PID控制。

5.3.2电子差速处理
由于C车模后轮为双电机控制，因此利用后轮的两个电机的差速可以辅助转弯。

根据弯道时编码器示数设定偏差比例k，转弯时，左轮输出为pwm_L=pwm*（1+k*dir）；右轮输出为pwm_R=pwm*（1-k*dir）；则可实现后轮的差速控制。

第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
第六章总结
通过不断地算法改进及参数调试，车模最终可以实现稳定的通过直道、弯道、连续弯道、十字路口、障碍物、坡道等道路元素，并可以在终点线后3m停车区域内停车。

平均速度可达2.6m/s以上，且具有较好的稳定性。

第七章主要技术参数
赛题组别光电
供电电池7.2V2000mAh
车模几何尺寸（长*宽*高）（厘米）280*160*320前轮驱动舵机型号S3010
微型处理器型号和个数MK60DN512VLQ;1个
线性CCD;TSL1401;2个传感器种类及个数
编码器；2个。