1、 第十届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告 学 校：辽宁工程技术大学 队伍名称：幻影 参赛队员：张阔 张韶 黄文强 娄孝东 带队教师：李鑫 杨桢 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第十届“飞思卡尔”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：张阔 张韶 黄文强 娄孝东 带队教师签名：李鑫 杨桢 日 期：2015.8.20 I 目目
2、录录 第一章 引言.1 1.1 概述.1 1.2 方案内容安排.1 第二章 整体方案选择.3 2.1 整体车辆布局.3 2.2 控制方案.4 2.3 电磁组的主要特点.5 第三章 机械调整.6 3.1 前轮定位.6 3.1.1 前轮前束.6 3.1.2 主销前倾.7 3.1.3 主销内倾.8 3.2 电路板的安装.9 3.3 传感器支架.9 3.4 舵机的安装.11 3.5 后轮差速的调节.13 3.6 传感器支架的安装.14 3.7 智能车转向机构调整优化.15 第四章 硬件电路原理.16 II 4.1 硬件电路整体架构.16 4.2 电磁传感器电路设计.16 4.3 放大电路设计.18 4
3、.4 检波电路设计.19 4.5 单片机最小系统板电路.20 4.6 起跑线检测电路.20 4.7 电机驱动电路设计.21 4.8 舵机驱动电路设计.22 4.9 红外测距电路.23 4.10 液晶按键电路设计.24 4.11 系统电源电路设计.24 4.12 蓝牙通讯部分.25 4.13 系统主板电路设计.25 4.14 小结.26 第五章 软件系统设计.27 5.1 软件控制的总体思路.27 5.2 传感器数据采集处理.27 5.2.1 循迹行驶算法实现.27 5.2.2 方向控制算法：基于 PD 的舵机控制.28 5.2.3 速度控制算法.28 5.3 小结.30 第六章 开发工具与综合
4、调试.32 6.1 开发工具.32 III 6.2 车载人机接口.33 6.3 上位机调试接口.33 第七章 车模技术参数说明.34 7.1 车模主要技术参数.34 第八章 总结.I 致 谢.II 参考文献.III 附录 A 部分程序源代码.V 附录 B 部分原理图.XLI IV 摘摘 要要 智能车的车模采用大赛组委会统一提供的 B 型车模,硬件平台采用了mk60dn542zvlq10 处理器作为控制单元的核心，软件平台为 IAR 开发环境。本文主要介绍了智能车硬件电路的组成及原理，软件控制的思想策略和实际控制效果及整车机械结构调整。智能车以 mk60dn512zvlq10 单片机为控制核心，
5、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，以欧姆龙旋转光电编码器检测速度。车模系统的工作原理是工字电感检测赛道上的电磁信号由后级放大电路放大后传给单片机作为采集信息，结合旋转光电编码器的速度反馈信号，由单片机处理后控制舵机转角和电机转速，从而达到使得智能车在赛道上循迹。同时由干簧管电路来检测磁铁的位置返回给单片机，使得智能车自己启动和停止。本届电磁车为两车同时运行，所以在后车上安装了红外测距传感器作为采集两车距离信息，同时用蓝牙进行两车信息交互，来调整两车之间的距离。整个系统涵盖了机械、电力电子、软件程序和自动控制等多方面的知识，结合上位机传回的赛道信息和 MATLAB 软
6、件仿真，通过大量的调试最终确定了各项控制参数。由于我们采用了两辆 B 车模的组合，两车在电路、机械结构和算法上都相差不多，所以本技术报告仅对其中一辆车进行详尽说明。关键字：关键字：智能车、电磁寻迹、智能车、电磁寻迹、PID PID 控制、上位机控制、上位机 1 第一章 引言 1.1 概述 飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，涵盖了机械、模式识别、电子、电气、传感技术、计算机、自动化控制、汽车理论等多方面知识，从一定程度上反映了当代大学生综合运用所学知识和探索创新的精神。同时该赛事是教育部高等教育司委托(教高司函 2005201 号文)，由教育部
7、高等自动化专业教学指导分委员会（以下简称自动化分教指委）主办的全国性、多学科交叉、趣味性、创新性赛事，旨在加强大学生实践与团队合作精神，促进高等教育改革。竞赛规则透明，评价客观标准，坚持公开、公平、公正的原则，从而保持了竞赛的健康、普及、持续的发展。大赛在第五届为了扩展赛道检测的多样化和锻炼学生的各项能力，在原来的 CCD 组与光电组的基础上新增了以 20KHZ、100ma 交变电流（方波）为引导方式的电磁组，迄今为止电磁组已经举办了五届。本技术报告主要讲述幻影电磁组智能车的制作历程，包括机械和硬件的设计、改装，k60 单片机的学习和使用，控制算法的研究与应用，车模机械参数的讨论和修改等。根据
8、竞赛规则相关规定，智能车系统采用大赛组委会统一提供的 B 型车模。我们采用飞思卡尔半导体公司的 mk60dn512zvlq10 微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车的硬件制作及软件调试。我们采用了 10mh 的工字电感与 68nf 电容谐振作为传感器来选择出赛道磁场信号，加以合理的传感器布局，经过后续放大电路的处理，完成对赛道信号的检测并以此来控制车子的转向和行驶速度，通过红外测距来测量两车距离，以此控制两车间的距离。关于软件，我们采用 PID 控制算法来作为车子的主导控制。为满足智能车在高速行
9、驶与急转弯等情况下的动力性能和稳定性能，我们参考了前几届队伍的参赛经验，经过反复调整对整车经行了合理的重心布局与电路设计。1.2 方案内容安排 本技术报告的正文分为四个部分。第一部分是对整个系统实现方法的一个第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2 概要说明，对整个技术方案的概述；第二部分是对系统机械结构的说明，主要介绍机械结构改装等；第三部分是对硬件电路设计的说明，主要介绍系统传感器的设计及其他硬件电路的设计原理、创新点和实现过程等；第四部分是对系统软件设计部分的说明，主要内容是智能模型车设计中主要用到的控制理论、算法说明及代码设计介绍等。3 第二章 整体方案选择 2.1 整体车辆布局 由
10、于电磁组的速度和前瞻有着极大的关系，所以我们采用支架将传感器伸到前方以达到较远的前瞻性。关于支架的选取有过很多方案，最后我们采用高强度、重量轻的碳杆配合塑料底座构成传感器的支架方案，使得车子的转动惯量达到最小化，从而车子在转弯时更加迅速、灵敏。前瞻支架固定于前轮，并通过碳纤杆拉伸固定于车身后方，利于整车稳定性。鉴于赛道的摩擦力及车模运行过程中转弯的性能，我们在尽可能不伤害赛道并且确保能顺利过坡道的情况下最大限度降低整车重心，因为车子重心高低和位置对车子行驶、转弯有很大影响，我们将 PCB 电路板尽可能与低盘贴近安装，同时去掉了车模的悬挂系统，这样使得车模整体重心降低，同时使电感安装支架在运行时
11、减轻晃动，使赛道信号能够比较准确的采集，减小误判的发生。为了实现车子的闭环控制，我们采用欧姆龙 CWZ5C-500P 编码器为测速器，将编码器齿轮咬合车模主动轮来获取智能车的行驶速度，最后在程序中根据编码器采集回来的信号设计速度控制策略，实现车速的闭环控制。由于大赛使用统一的电池和电动机及传动齿轮，并不允许使用升压电路对电机进行升压，故车模的输出功率是一定的，这也意味着更轻的车模质量将使车模拥有更为优良的加减速性能，不仅如此，车模的转向灵活性也会有较大的提高，所以为了减轻整车重量，我们采用了碳素杆作为传感器支架，并拆除了车体上一些不必要的部件。主体构造：智能车整体包括：官方指定 B 车模；信号
12、检测与放大部分；编码器测速部分；干簧管检测磁铁起跑线位置电路；按键及 LED 液晶；单片机最小系统及相应电路；电源电路和电机驱动电路；按键和拨码开关电路；传感器支架等。整体构造如图 2.1 所示。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 4 图2.1 智能车整体图 2.2 控制方案 由于今年电磁组是采取双车追逐比赛，和往届比赛有着极大的不同，这就需要在往届比赛方案的基础上，对电路和控制算法进行进一步的提升和优化。我们在参考了往届电磁组的方案后，经过多次试验获得最终的方案。电感感应得到的电压信号只有几十 mv,所以我们采用集成运放把信号进行放大，然后将其检波为直流电平送入 k60 的 AD 口。同
13、时编码器的信号也同步输入，由 k60 的输入捕捉通道进行上升沿或者下降沿计数，从而计算得到车子行驶的速度。舵机采用 PID 控制算法进行控制，并且加入连续控制函数进行修正，使前轮的转向更加具有连续性和精确性；驱动电机在最佳的驱动频率（15KHZ）下，采用PID 控制 k60PWM 通道的占空比而调整电机输出功率。红外测距实时对两车间距离进行测量返回给 k60 的 AD 口，使两车之间保持的适当距离。具体控制流程见图 2.2。第二章 整体方案的选择 5 电磁信号单片机处理编码器测速红外测距蓝牙信息交互干簧管检测磁铁电机舵机人机交互 图2.2 智能车控制流程图 2.3 电磁组的主要特点 电磁组的信
14、号由 LC 并联谐振得到，相比 CCD 和光电，信号为模拟信号，故电磁小车的巡线信号相对连续，不存在断点，所以在车模相对于 CCD 和光电组更加不容易出现丢线。同时，作为信号采集的谐振电感制作简单，价格低廉。可是在空间中，磁场信号会发生叠加与抑制等，由此得到的混合磁场是三维矢量，其分布有很大的方向性和对称性，又矢量的运算较为复杂，所以在赛道上电磁车的前瞻较短而且容易出现误判。比如十字交叉线的磁场信号和 90 度弯的磁场信号极为相似，容易发生车子行驶时直接忽略 90 度弯的情况。鉴于水平变化率和竖直变化率有一定联系和区别，我们将传感器放置为对赛道信号变化敏感的方向以便最快、最灵敏的检测到赛道变化
15、引起的信号变化。这一点可以参考官方的文档：电磁小车设计参考。6 第三章 机械调整 3.1 前轮定位 为了使智能车转向轻便，转向后能自动回正，并减少轮胎和转向系零件的磨损，在直线行驶时更加稳定，在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的相对安装位置，叫车轮定位。其中包括主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。我们今年的比赛车模主销后倾角与前轮外倾可直接调整。接下来主要介绍主销后倾、主销内倾和前束对车子行驶的影响及调整。3.1.1 前轮前束 调节合适的前轮前束在转向时有利过弯，还能提高减速性。将前轮前束调节成明显的内八字，运动阻力加大，提高减速性能。由于阻力比不调节前束时增大，所以直线加速会变慢。智能车采用
16、稳定速度策略或者采用在直道高速弯道慢速的策略时，应该调节不同的前束。后一种策略可以适当加大前束。根据我们小车的实际情况，我们选择了较小的前束。图3.1 前轮前束 为了增加车子的转向性能以及满足阿克曼转弯原理，我们将车子的前束调教为大概 6 度左右。如图 3.2 所示。第三章 机械调整 7 图3.2 前轮前束 3.1.2 主销前倾 主销前倾：由于车模运行时动力后置，采用主销前倾可以增加汽车直线行驶时的稳定性和在转向后使导向轮自动回正。由于主销后倾，主销（即转向轴线）与地面的交点位于车轮接地点的前面。这时，车轮因受到地面的阻力，总是被主销拖着前进。这样，就能保持行驶方向的稳定。当汽车转弯时，由于离
17、心力的作用，地面对车轮的侧向反力作用在主销的后面，使车轮有自动回正的趋势。主销后倾角越大，方向稳定性越好，自动回正作用也越强，但转向越沉重。实际汽车主销后倾角一般不超过 30，由前悬架在车架上的安装位置来保证。图3.3 主销前倾 本车模的实际主销前倾角大概在 15-20 度左右。由于智能车行驶的速度较低，可以适当增加主销前倾角。下方与车体连接孔的高度调节可以在一定范围内调整主销前倾角。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 8 图3.4 主销前倾角 3.1.3 主销内倾 从汽车的正前方看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即“主销内倾角”。主销内倾的作用同样是使车轮转向后能及时自
18、动回正和转向轻便。图3.5 主销内倾 由于主销内倾，转向轮在转向时绕主销定轴转动，必须使车轮陷入地面以下。这当然是不可能的，实际转向时，是强迫汽车的前轮稍稍抬高。这样，汽车轮的重力将使前轮自动回正。确定主销内倾角时，主销内倾不能过大，否则在转向时车轮绕主销定轴转动过程中，轮胎与跑道将产生较大的滑动，从而会增加轮胎与路面的滑动摩擦。第三章 机械调整 9 这不仅会使得转向过于沉重，还将加速轮胎的磨损。通常主销内倾角不大于 8。主销内倾角通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，调整的范围为 0 10。3.2 电路板的安装 由于车模在赛道上高速行驶和连续急转弯，所以整车重心的高低决定了车模的
19、加减速性能、转向性能、行驶稳定性等。我们最开始是将电路板放在电池上边，但是不久发现重心太高不利于车模转向，所以后来决定将电路板安装在底盘上。为了能够在狭小的空间里安装电路板，我们将电路板设计为两块：单片机及外围电路的主控部分、舵机供电和电机驱动部分，分别安装在电池前面的底盘和电机支架上。为了节省车模宝贵的空间位置，我们将去掉了车模的后轮悬挂系统，改用 pcb 电路板打孔将底盘固定死，这样虽然减弱了车模的抗震性能，但让整体有了一个极大的改进。同时将电池放在原有电池支架的后边，使得我们电路主板顺利的安装在底盘上，将整车重心最大限度地降低。图3.6 电路板安装 3.3 传感器支架 在车行驶过程中，由
20、于智能车需要一定的反应时间，如果小车的前瞻较近，如果车模速度较快，则会因为来不及反应而冲出赛道，不利于小车的快速灵活转向；如果前瞻较远，那么在赛道之间过近的情况下则容易出现判断错误使小车窜道，致使比赛失败。规则中只限制了车模的宽度，并没有限制电磁组的长度，我们决定从基础上改造传感器支架来获得合适距离的前瞻。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 10 碳杆长度直接决定着前瞻。所谓前瞻就是小车能检测到的距离离前轮中心的长度。同时分析车模运行过程中的受力情况，假如将车体的运动看成平动，将车身看成一个质点系。车身本身是一个惯性系，但是由理论力学知识可以知道，以质点的相对速度或以其绝对速度计算质点系对
21、于质心的动量矩，其结果是相等的。即：质点系相对于质心的动量矩等于质点系内各质点现对于质心平移参考系的动量对质心的矩的矢量和。换句话说，就是由于质心在动力学中的特殊性，我们可以将车身转向运动直接看随质点的平移以及绕质点的转动运动合成。因此，在分析转动惯量时我们可以将平移运动去掉，单纯看车身绕质点转动。根据转动惯量的定义：2iiiImr 公式1 由公式 1 可以知道：当前瞻越长时，前瞻部分对应的2ir越大，导致转动惯量 I 过大。又根据动量矩的定义以及动量矩公式：=()公式2=公式3 ddt=()公式4 由公式 3 可知，当 zw 越大，Lz也越大；由公式 4 可知，在一定的时间内，MZ 越大，则
22、主动力提供的动量矩随之越大，即舵机输出的力矩也要更大才行。对于前瞻长度，我们尝试了很多方案。方案一：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，会极大减小车模在转弯时整个支架的惯性，舵机臂的负载小，使得转弯较为灵活，车身转向会非常稳定。但比赛追求的是速度，所以该方案只在前几届限制车模整体长度时才会采用。方案二：中距离前瞻：30-50cm。这个长度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，时智能车提高车速的重要保证。第三章 机械调整 11 这个前瞻是目前各个电磁组普遍选择的方案 方案三：长前瞻：50cm。该前瞻对于直道多、弯道少的赛道来说是最佳
23、方案，能够对直角弯做出及时的预判，很容易将车速提高至 3m/s 以上。但是根据往届赛道来看，太长的前瞻有三大弊端：一是长前瞻可能会造成系统超前调整，即车身在未入弯之前就已打角，对于连续弯来说转弯效果十分差；二是长前瞻造成舵机负载加重，对于摩擦系数不够好的赛道车身会由于转动惯量过大引起严重的侧滑和跑偏现象；三是长前瞻使得车身在转弯时赛道丢失时间太长，检测到的赛道信息量反而下降，甚至可能蹿到别的赛道上使成绩无效。通过以上的分析和实际的不断测试，我们最终确立选用质量更轻的碳杆作为传感器支架，将前瞻调整到 45cm，使得在转动惯量不大的情况下，加长前瞻，改善入弯的效果。关于支架的选取，我们采用碳杆支架
24、固定的方案，碳杆具有架构简单，质量轻，强度大的优点，可以使传感器支架做长，获得较远前瞻。因为这种架构的转动惯量较小，而且车模行驶时传感器支架抖动较小，所引起的传感器值变化变小（后级的运放放大后会使信号出现异常，因此减小抖动很重要）；可以做在任何位置，从而我们直接将支架固定在降低重心的配件里，很牢固而且整车看起来简洁、坚固。图3.7 传感器支架和架构 3.4 舵机的安装 舵机安装直接关系到转向问题。如果舵机调整不到位，将很大程度上限制第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 12 转向角度和转向响应速度。舵机安装有两种方式。方案一：卧式安装。方案二：立式安装。卧式安装安装会使左右两边轮子连杆不等长
25、，根据杠杆原理可知舵机对长连杆轮子用的力要大些，因此造成了舵机对左右两边转向响应时间不一样。另外由于卧式安装会使连杆与水平面呈现一定角度，从力学知识可以知道在轮子转向获得的力只是舵机施加在连杆上力的一个水平方向上的分力。综合考虑，我们选择了舵机立式安装方式。舵机立式安装能够解决上述卧式安装的缺点，即连杆等长和连杆与水平面夹角小的问题。立式安装需要将自制舵机与连杆之间的连接器，我们使用一块铝片制作。舵机以前安装位置位于车体的中心，这种安装方式会大大减少小车本来就狭小的车体空间并且其安装高度太低，在这种长度的力臂下舵机输出的力将远远大于小车转向时所需要的力从而造成了舵机力量输出的浪费。而我们知道，
26、力矩等于力乘以力臂长度，即：M=LF 公式5 其中 M 为力矩，L 为力臂长度，F 为力。由此可知，当力矩一定时，力臂越短，输出力越小，相反的，力臂越长，输出力越大，而舵机恰好是一个恒力矩输出的装置，并且车模标配的 SD-5 舵机在 5.5V 供电时响应速度为.14sec/60。由于舵机输出角速度恒定不变，故力臂越长的话其臂端的线速度就越大，则车模的转向速度就越大，但同时也会带来一个问题，就是转向力量变小，甚至可能导致小车在转向时不能提供足够的力进行转向。所以反应速度与输出力之间是一个二次函数关系，该二次函数开口向下，存在着一个极值点，该点两坐标即为力与速度相平衡的最大值。在对舵机力臂进行适当
27、加长时舵机臂的活动范围将会由于车模机械特性上的限制而减小，这就导致了舵机控制上的不连续，进而导致转向时不平滑。不但如此，当舵机臂加长时，由于臂端运行轨迹为圆弧，在水平方向上分解时越远离中心线的部分需要更大的打角才能产生相同的水平位移，故会造成舵机打角与转角间的非线性，增加系统的控制难度。所以在经过一系列的计算与权衡之后，我们选择了 2.8cm 长度的舵机臂长。舵机安装如图 3.8。第三章 机械调整 13 图3.8 舵机安装图 3.5 后轮差速的调节 依据阿克曼转向数学模型,由于小车行走系统为刚性，若无侧向力，我们可以推断小车的四个车轮的轴线都互相平行的，在转向过程中，全部车轮都必须绕一个瞬时中
28、心点做圆周运动，而且前内轮与前外轮的转角应该满足：ctg ctg=K/L。式子中，为汽车前外轮转角，为汽车前内轮转角，K 为两主销中心距，L 为轴距，B 为后轮两轮的轮距。如图 3.9。图3.9 阿克曼角 假如最优路径为左前方与车正前方夹角为 的直线（可正可负），拐弯半径在左边与后轮齐平，转弯半径为 R，那么后两轮的角速度相等，也就是后面两轮的速度相同，即leftrightVV，这样的话，我们可以得出 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 14 leftinrightoutVRVRV R（假设后轮中间速度为 V），同时 R=L/tan，inR=R-B/2，outR=R+B/2，所以可以推出：
29、leftV=aV K+Btana/2L,rightV=aV K-Btana/2L,其中，V 为根据黑线判断的速度，leftV为左轮速度，rightV为右轮速度，a，k 为转弯系数。我们可以通过调节 a 来改变差速的大小，通过增加 k 的值可以在入弯时提前差速。在车实际跑的过程中，我们发现，后面两个轮的相对松紧程度，也就是差速对拐弯有很大的影响。差速太紧，则拐弯容易甩尾，速度快的时候很容易甩出去，但是差速如果太松，虽然会改善转弯性能，但是严重影响了直线上的加减速，而且齿轮的咬合也不是很好，对齿轮会有一定的损坏。所以，后面两个轮子的相对松紧程度要适中，经过多次的调试，我们得出了比较满意的效果，即将
30、模型车放到跑到上，用手抓住后轮的一只轮子使其不能转动，在赛道上推车子转弯，如果车子能够稍轻松的推动，则此时的差速器为最适合。当然，实际还需要根据不同的赛道和车的机械性能进行相应的微调。调节差速可以通过工具旋紧或者旋松右后轮来得到合适的差速控制，其实就是适当的调整两片轴承的压力以满足后轮驱动和差速的要求。3.6 传感器支架的安装 一辆小车的速度的极限取决于机械结构的处理与优化，其中对于支架的摆放方式也是极为重要，同时也是有讲究的。我们都知道，三角形具有较其他形状而言较强的稳定性，所以我们在支架的摆放上运用了三角形的方案。图3.10 支架的三角形固定 第三章 机械调整 15 3.7 智能车转向机构
31、调整优化 理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的转向建模。在这种理想的模型下，车体的转向半径可以计算得到。如图 3.11，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。车轮满足转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合适的转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性。正是由于这些原因，转向系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到
32、赛车能否顺利地完成比赛。在实际操作中，我们通过理论计算的方案进行优化，然后做出实际结构以验证理论数据，并在实际调试过程中不断改进。图3.11 智能车转向示意图 16 第四章 硬件电路原理 本章将详细说明智能车的各部分硬件电路的原理及设计的实现方法。4.1 硬件电路整体架构 电磁信号放大检波电路编码器电路电源电路起跑线检测电路电机驱动电路单片机电路红外测距电路其他辅助电路硬件结构 图4.1 硬件结构图 系统整体结构如图 4.1 所示，可以将硬件电路分成几个模块：单片机最小系统，电源电路，编码器速度检测电路，电磁信号采集与放大检波电路，红外测距电路，干簧管电路，电机驱动电路，调试用的液晶显示&按键
33、电路。在设计时我们将大电流驱动电路与小电流的主控及传感电路分开制作腐蚀电路板，并用相应的隔离芯片将其隔开，减轻两者之间的相互干扰，并实现物理上和电气上的隔离。因为电磁组的信号为模拟电路，抗干扰能力较弱，所以将电磁信号放大等模拟电路与单片机最小系统电路之间尽量布置的相对较远，地线采用单点接地，并用零欧姆电阻相互隔开，以实现较强的电磁兼容。上述措施可以防止电磁干扰，显著的提高电路的稳定性。4.2 电磁传感器电路设计 电磁传感器主要有是霍尔，磁敏电阻，磁敏二极管，电感，电子罗盘的磁场传感器等。霍尔检测频率一般不能到达 20KHz（组委会特意选的频段），因此排除。赛道产生的磁场是交变磁场，且电磁强度小
34、于地磁场，因此电子罗盘的磁场传感器也不可采用。磁敏电阻和磁敏二极管产生信号太小，远不及单片机较好的识别，不利于处理。由于电磁组已经行过好几届比赛，前面几届的最成熟的电磁传感器为电感，因此我们在传感器方案上延续了前几届大多数队伍第四章 硬件电路原理 17 的传感器方案工字谐振电感，同时电感加上电容形成 LC 谐振电路。根据经验，挑选电感的时候要选择磁芯磁导率大的，电感圈数比较多的，等效内阻小的。综合考虑后选择 10mH 的工字电感。市场上电感有大小两种，大的可接受更大的原始感应电压，但由于支架较长，因此转动惯量较大，小的可以使小车在转弯时更加灵活。根据并联谐振电路的频率，带入频率可以得到电容大小
35、。公式为 f=1/(2(LC)。其中 L=10mH,得到 C=6.33nF，在实际电容选取时，由于并没有 6.33nf的电容，我们选择了与之相近的 6.8nf电容，同时为了使谐振波形比较平滑，有利于放大后信号的稳定性，我们选择了个头较大的校准电容，而不是普通的电容，虽然占了较大的位置，但是提高了放大后信号的波形的完美性，有利于后续整流电路输出的稳定，使得单片机较简单处理采集的信号后就可利用。在后续调车过程中证明我们的方案是完全正确的，1）电感、电容的参数误差使得实际的谐振频率大概在 20KHZ 左右；2）由于比赛时信号源和我们在实验室调车时用的有一定差异，信号频率存在着一定误差，所以我们的传感
36、器的随机误差能增强车子的适应性能；后来我们专门制作了传感器筛选支架。将传感器依次固定于相同点，将长直信号导线铺设于水平可滑动的导轨下方正中央。测试时用示波器观察各个传感器在导轨滑动过程中感应电压的幅值大小、左右对称性和谐振频率是否是在 20KHZ 左右等性能。通过严格筛选，保证了传感器的一致性，为后来的信号采集奠定良好的匹配性、对称性基础。传感器布局大概有三种方案。方案一：采用多个电感构成一排或两排构成电磁总传感器，感应电动势最大的电感是最靠近导线的电感。此方案能够采集大量的数据，但是此种方法的采集信息是离散的点，不利于精细的控制，无法做到流畅的过弯。如果增加电感的个数，那么将会使得整车重心靠
37、前，转向负载很大，且需要数量较多的放大电路来提供信号放大，会增加电池电量的使用，且会占用车体较大体积，对整车机械都有非常不好的影响，而且电感如果靠的十分近互感就是一个不得不考虑的问题。方案二：使用少量的电感，直接使用感应电动势的模拟量的精确数值，精第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 18 确的计算导线与传感器正中心的距离，具体计算方法依照毕奥萨伐定理。2302222()IRBRXu 公式 6 这种办法使得计算出来的距离是连续的数值，方便控制，而且电感数量少有利于减少车身重量，但缺点也是很致命的，车身的振动使得传感器高度发生变化，或者电流的变化使得磁场大小发生变化会使得传感器数值发生突然的变
38、化，而且后级还有运放对信号进行放大，因此抗干扰能力较弱。方案三：将电感在不同方向上各排布少量几个，分为平放和竖放，竖放的两个用来判断弯道和直角弯，有利于减轻程序的负担，同时减轻整车重量，所以我们采用了第三种方案。图4.2 传感器排布 4.3 放大电路设计 由于电感感应出来的感应电动势比较小，所以需要放大电路进行放大。放大电路大概有四种。方案一：三极管放大。这是组委会推荐的方案，是最开始几届常用的方案，优点是电路简单，成本低廉。缺点也十分明显，有很严重的零点漂移和温度漂移。当电感几乎没有感应到信号时输出电路就有不小的电压。当温度发生变化时，调试的参数就会发生变化。方案二：双电源供电运放。直接对电
39、感信号差分放大。优点是电路简单，失调电压小，线性度好。缺点是共模抑制比小，一般的 Boast 电路负向电压纹第四章 硬件电路原理 19 波比较难控制，运放的工作条件很难得到保证。方案三：双电源仪表放大器。直接放大差分信号。优点是共模抑制比高，线性度高，失调电压小。缺点是负压纹波难控制。且智能车为直流电池电源供电，要得到负电源需用专门电路来实现，使得电路比较复杂。方案四：单电源供电运放。在放大电路上加上运放电源一半的偏置，对电感的两端输出信号差分放大。优点失调电压小，线性度好，目前的工艺下高性能的运放价格也不高。缺点是共模抑制比小。为了简化电路，我们选择了第四种方案，此方案能够满足我们放大的需求
40、，随着技术的进步，现在单电源运放芯片的共模抑制比也得到了很大的提升，所以可供选择的单电源运放也比较多，我们按照这个思路查找器件选型表，最终选择了 LM386。LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。电源电压 4-12V 或 5-18V(LM386N-4)；静态消耗电流为 4mA；电增益为20-200dB；在 1、8 脚开路时，带宽为 300KHz，对于 20khz 的电磁信号完全能够满足需求，输入阻抗为 50K，设计原理图比较简单。因为 lm386 内部固定增益为 20dB,所以在 1、8 脚
41、之间加入电容和可调电阻来使得放大倍数可调，通过调节使电磁信号采集的对称性较好，也可提升在不同环境中智能车的适应性能，具体电路见图 4.3。图4.3 lm386放大电路图 4.4 检波电路设计 从运算放大器出来的信号是类似正弦波的信号。为了将该信号转化成直观的电压信号，我们也从网上参考了三种方法。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 20 方案一：直接对该信号进行高速采样。采样速率在信号频率的 20 倍以上。放大器出来的信号时 20KHz，那么采样频率就应该在 40KHz 以上才能算出比较准确的值。这样无疑增加了程序上计算的负担，而且也没有电路转换得到的结果的稳定。方案二：AD637 真有效值
42、转换芯片。参照 AD637 的 Datasheet，要得到我们所需要精度的有效值需要 100 以上的周期，也就是 5ms。这种方法虽然结果准确，但是延时是十分严重的，不适合高速情况下使用。还有一个致命的缺陷是成本太高。图4.4 检波原理图 方案三：运放检波。这种方法是最稳定，反映最快，效果最好的电路。由于放大之后信号幅值较小，所以我们最终选用了倍压整流电路，使得单片机采集比较容易进行，同时电路也比较简单，制作出来的 PCB 大小为较小，减轻了车体重量。具体电路如图 4.4 所示。4.5 单片机最小系统板电路 因为规则上可以使用单片机最小系统，为了减轻制作腐蚀电路板费用同时提高智能车运行时的稳定
43、性，我们选择了已经过检验的最小系统板。该系统板在运行时非常稳定，给我们搭建智能车节省了大量宝贵的时间。4.6 起跑线检测电路 检测磁场的传感器有霍尔传感器和干簧管，按照比赛规则，起跑线是 6 个按照一定间隔放置的磁钢（表面磁场强度 3000 到 5000 高斯）组成，而且磁钢的极性是随机放置的，而霍尔方式检测会有极性问题所以一对霍尔传感器至少是两个。但是如果使用干簧管，就不用考虑极性的问题，而且干簧管不用供电。第四章 硬件电路原理 21 所以我们选择了干簧管检测，将干簧管的一端接地，一端接 IO，再在两端并上一个 0.1uf电容来滤掉干扰，然后利用外部上拉，用程序去检测低电平。这样就可以完全利
44、用单片机来检测到起跑线。因为干簧管检测距离有限，我们采取了六个干簧管并联来提高检测的准确性，同时将其固定在碳素杆上接近底盘安装，使得起跑线检测极为准确和敏捷。4.7 电机驱动电路设计 对于电机驱动电路，可有多种选择，有专用电机驱动芯片 MC33886、L298N 等，但是以上芯片集成度高，导通内阻大，瞬间电流小，驱动效果差。因此我们选择用 H 桥的全桥电路，使得小车能够快速变速，有利于直道上的提速，直角和弯道的减速，大大提高小车整体的速度。另外，今年电磁组采用 540 大电机，启动或者堵转时电流可以达到 5A（适当的驱动频率下）。开始我们采用英飞凌的集成半桥芯片 BTS7971B 构成 H 桥
45、来驱动电机，在开始开环调速时并没有太大的压力，但在后期加入闭环以后，由于调速的频繁性大大提高，电机耗电较大，使得芯片发热严重，同时 BTS 的成本也相对比较高。于是我们又开始艰难的尝试新的驱动方案。最终我们找到了 4NMOS 搭的 H 桥方案，采用内阻小的 8 片 NMOS 来搭建的 2 个 H 桥使得双电机驱动问题彻底解决。具体电路如图 4.5 所示。图4.5 驱动电路 PCB 板 因为上下桥都用 NMOS，所以上桥 MOS 管并不能完全导通，这就会使得MOS 管发热严重，所以必须提高上桥的开启电压，我们采用了 MC34063 对电池电压进行了升压处理，同时使用专门的 MOS 管驱动芯片 I
46、R2104，IR2104 内部自置死区时间，所以不用我们去调节，使得电路搭建比较容易，在输入端输入第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 22 驱动信号后，芯片会直接输出双极性驱动信号，可以驱动两块 NMOS 工作，实际使用时，由四块 NMOS 就可搭出一个完整全 H 桥，并且由于 MOS 管导通内阻较小，使得电机驱动能力大大增强。为了防止电机电流倒灌入单片机及其他电路造成损坏，我们使用单向总线驱动器 74HC244 进行单片机与电机驱动的隔离。4.8 舵机驱动电路设计 今年 B 车转向舵机采用的是 S-D5 数字舵机，工作电压只能在 5.5v 以下，有堵转保护功能，舵机在堵转后 3 秒后开始
47、保护，降低电流，保护马达以及电板,正常工作电流 200mA，堵转电流，800mA 频率是 300Hz。为了稳定性和舵机寿命，我们于是给该舵机提供 5.2V 到 5.4V 的电压。方案一：使用开关电源芯片。方案二：使用可调线性电源芯片。由于静态电流较小，我们并没有采用开关电源 LM2576 和 LM2596，开关电源会对其他电路造成造成干扰，通过比较最后采用了低压差 LDO 型降压稳压器 lm2941（输入级直接是电池电压），LM2941 最大工作电流 1A，足以满足转弯时舵机打死所需电流，所以足够提供舵机的供电。实际测试的过程中也没有出现因为舵机供电的问题导致舵机反映迟钝。所以最终就采用了这种
48、方案。舵机的控制除了需要 5.4V 的供电电压还需要一路 PWM 波，以 20ms 为周期（实际 S-D5 数字舵机可以用最大 300HZPWM 信号控制），不同的占空比会使舵机稳定在不同的角度上，具体如图 4.6 所示。图4.6 不同PWM对应的舵机旋转角度 第四章 硬件电路原理 23 为了保证舵机打角的精准，所以我们将 PWM0 和 PWM1 两个 8 位（最大值为 255）PWM 级联形成 16 位（最大值为 65535）PWM，即 PWM01，显著提高了舵机的转向 精度，同时为舵机控制程序的高精度运算（有 float 型数据运算）做好准备。4.9 红外测距电路 由于今年是电磁组双车追逐
49、赛，所以为了防止两车在行进过程中发生碰撞，我们使用了测距模块，我们想到的测距方案有三种。方案一：红外对管进行测距，但红外对管只能在一定范围内输出高低电平的数字信号，在检测时不能满足需求。方案二：超声波测距，超声波测距能够有效检测两车之间距离，且检测距离较远，但其准确度并不是很高，且程序编写复杂，会影响正常单片机运行的时序，故淘汰掉。方案三：红外测距模块，该模块能够直接将距离信号转换为电压信号，由于该信号为模拟信号，具有连续性，弥补了红外对管的不足，故我们最终采用了第三种方案，选用夏普红外测距传感器，能够在 4.5-5.5v电压下工作，完全与小车电源系统兼容，具体输出特性图如图 4.7 所示。图
50、4.7 输出特性图 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 24 4.10 液晶按键电路设计 为使软件上参数调节的方便，我们特意制作了这个液晶加键盘模块。调试中，这个模块给我们对参数的确定带来了极大的方便，不用为改一个参数而重新为单片机下载一下程序。模块采用按键和 5110 液晶结合使用。此模块直接与最小系统板连接，并将其永久的固定在车的尾部。液晶采用 AMS11173.3V 电源供电，按键则是采用 4 个按键，由于电路较为简单，所以不在此列举。实物图如图 4.8。图4.8 液晶按键实物图 4.11 系统电源电路设计 系统要稳定工作，首先电源要稳定，系统中有多路电源，7.2V，5.5V，5V，
