全國大學(xué)生智能汽車競賽是一項以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”為指導(dǎo)思想，面向全國大學(xué)生開展的具有探索性的工程實踐活動。它以設(shè)計制作在特定賽道上能自主行駛且具有優(yōu)越性能的智能模型汽車這類復(fù)雜工程問題為任務(wù)，鼓勵大學(xué)生組成團隊，綜合運用多學(xué)科知識，提出、分析、設(shè)計、開發(fā)并研究智能汽車的機械結(jié)構(gòu)、電子線路、運動控制和開發(fā)與調(diào)試工具等問題， 激發(fā)大學(xué)生從事工程技術(shù)開發(fā)和科學(xué)研究探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團隊協(xié)作的人文精神。

作為一名智能車?yán)线x手，今年的智能車競賽是非常艱難的一屆，在疫情的影響下還能正常舉辦實屬不易，所以我也非常珍惜此次的比賽機會。在疫情期間就逐步開始了相關(guān)工作，由于疫情期間不在學(xué)校，沒有相應(yīng)的設(shè)備，主要做的是設(shè)計結(jié)構(gòu)和電路等工作。9 月份開學(xué)后便將這些想法逐步實現(xiàn)，最終完成車模的設(shè)計、組裝、調(diào)試。

本次我參加的組別是直立節(jié)能組，該組別是以直立運行為前提，和追求節(jié)能和速度為目標(biāo)，完成特定賽道內(nèi)各種元素的識別處理。首先機械結(jié)構(gòu)方面我采用自制車模，在實際制作車模的過程中我們并非一味的追求輕量化，而是以提高效率為主要目標(biāo)，減重為次要目標(biāo)，因為我認為提高效率才是真正貼合“節(jié)能”這一主題，機械結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化調(diào)試，最終可以很好的滿足本次智能車比賽的需求。硬件方面使用STC8H 的單片機作為主控芯片控制車模運行，通過無線充電的方式獲取車模運行過程中所需的電能，通過DC-DC 轉(zhuǎn)換電路來提供車模運行所需的電壓。車模的控制部分主要由直立環(huán)、速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)組成，三個環(huán)協(xié)同完成車模的直立運行。

在正式制作車模之前，我通常會對車模的基本性能指標(biāo)做一個大概的預(yù)期，今年的主要預(yù)期目標(biāo)有兩個：

1. 實現(xiàn)2.2m/s 的最高速度；
2. 能耗達到平均1.6J/m。

最終的整車效果在速度方面并沒有達到設(shè)計目標(biāo)，因為要考慮到能耗、輪徑等限制，最終只達到2m/s 的速度，但是在能耗方面達到了1.2j/m，實際上充入的電量越多車模的平均能耗會更低。

本文將會對參賽車模的設(shè)計思路、制作過程進行一個細致的說明，將會圍繞機械結(jié)構(gòu)、硬件電路和控制算法三個大方面來進行講解。

機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計是節(jié)能車中比較基礎(chǔ)的一個環(huán)節(jié)，但也是最重要的一個環(huán)節(jié)。我們該如何去設(shè)計車模的機械機構(gòu)呢？本章將會對機械結(jié)構(gòu)做一個具體的講解。

2.1 車模整體結(jié)構(gòu)

由于是節(jié)能組，減重是降低能耗的一個重要方法。所以我的思路是在保持整體強度的情況下盡量減輕車模的重量。除了減重之外，風(fēng)阻也是我們需要考慮的一個細節(jié)，雖然影響不那么明顯，但這也是真實存在的一個因素，所以減小迎風(fēng)面積也是結(jié)構(gòu)設(shè)計需要注意的一個方面。其次我們的車模需要直立運行，對此我也參考了之前很多直立組的機械結(jié)構(gòu)，總結(jié)一下就是重量集中，重心適中，太高或太低的重心都不利于我們后期的控制。整體機械結(jié)構(gòu)如下圖所示。

▲ 圖2.1 整體機械結(jié)構(gòu)（主視圖） ▲ 圖2.2 車模整體結(jié)構(gòu)（側(cè)視圖）

2.2 傳感器安裝

車模上的傳感器主要由姿態(tài)傳感器電磁傳感器和光電傳感器組成，傳感器的安裝對于后期車模的穩(wěn)定性和速度上限也存在很大的影響。

2.2.1 姿態(tài)傳感器的安裝

姿態(tài)傳感器采用直接焊接在主板背面的安裝方式，省去了連接線，這樣也降低了故障率，主板預(yù)留安裝位置可以兼容MPU6050 和ICM-20602 兩款傳感器。安裝位置在下圖用紅框標(biāo)出。

▲ 圖2.3 姿態(tài)傳感器安裝

2.2.2 電磁傳感器的安裝

電磁傳感器相對于光電類傳感器有著更強的抗干擾性能，所以我選擇使用電磁傳感器來進行循跡。電磁傳感器部分采用了一塊PCB 板作為載體，五顆電感依次排布，使用3D 打印件和碳素桿和車體進行固定，再通過FPC 軟排線和主板進行連接。

電磁傳感器的高度和前瞻首先要能夠滿足正常循跡的需要，即前瞻長短合適，離地高度適中。在適應(yīng)正常循跡的基礎(chǔ)之上還要能夠滿足對特殊元素的處理，比如坡道和圓環(huán)，電感高度太低可能會導(dǎo)致坡道無法正常通過等情況發(fā)生。

▲ 圖2.4 電感安裝圖

2.2.3 線性CCD 的安裝

線性CCD 在車模上的唯一作用是用來識別斑馬線入庫，它的安裝可能是整個車上最不協(xié)調(diào)的一個地方。具體原因是因為最早設(shè)計車模的時候設(shè)想使用電感板上的紅外對管作為斑馬線的識別，CCD 僅僅作為備選方案，但是由于紅外對管實際測試效果并不是十分理想，后期才將斑馬線檢測換為線性CCD。所以CCD 傳感器中間部分被排線遮擋，好在通過算法處理，并不會對最終的斑馬線識別造成影響。整個CCD 的安裝都是通過3D 打印件與車身進行連接，并且可以靈活調(diào)節(jié)角度，以此達到更好的適應(yīng)性。

▲ 圖2.5 CCD 的安裝

2.3 電路板的安裝

對于該車模，與其說是電路板安裝到車模上，倒不如說是電路板構(gòu)成了車模，我們的車身最主要的承重、連接的結(jié)構(gòu)，就是兩塊電路板構(gòu)成，上層的主控板和下層的恒功率充電板，兩塊電路板并沒有任何導(dǎo)線相連接，而是通過固定銅柱進行電能的傳輸。

2.3.1 主控板的安裝

主控板是整個車身最重要的一塊電路板，也是在調(diào)車過程中最常接觸的電路板，集成了開關(guān)、OLED、下載接口、撥碼開關(guān)、指示燈等等功能，所以將此電路板放置于最上層無疑是最好的選擇，也會更方便后期的調(diào)試、下載。

▲ 圖2.6 主控板的安裝

2.3.2 恒功率板的安裝

該電路板除了恒功率的相關(guān)電路之外還是整個車模結(jié)構(gòu)的基石，除此之外還肩負了放置儲能元件的重任，由于超級電容這種儲能元件一般禁不起碰撞，所以將其放置于恒功率板的上方，主控板的下方，不僅會得到更好的保護，還會使車?？臻g的利用更加合理化。

▲ 圖2.7 恒功率板的安裝

2.3.3 整流小板的安裝

由于設(shè)計充電板時并沒有最終確定整流方式，并且本著后期升級方便的想法，就將整流板與恒功率充電板分為兩塊電路板，整流小板也理所當(dāng)然的就近放置，安裝在充電線圈與恒功率板之間。

▲ 圖2.8 整流小板的安裝

2.4 電機的選擇與安裝

對于節(jié)能電機的選擇，通常最常用的方案有直流有刷電機、普通無刷電機和空心杯電機。

有刷直流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低和便于控制的優(yōu)勢，但是相對來說工作效率并不是很高，如果選擇不合理，通常并不能在節(jié)能組的比賽中取得優(yōu)異的成績。

普通無刷電機并沒有有刷電機的換向器，無刷直流電動機是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，而且無刷電機的效率相對于普通有刷直流電機要高上不少。但是控制更加復(fù)雜，需要對應(yīng)的電子調(diào)速器，其制作的工作量與難度均大于目前的智能車直流電機驅(qū)動。更何況今年需要車模直立，由于水平有限，因此選擇放棄此方案。

相比之下空心杯電機似乎更加適合今年的節(jié)能，空心杯電動機在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。這種新穎的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同時其重量和轉(zhuǎn)動慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機械能損耗。由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變化而使電動機的運轉(zhuǎn)特性得到了極大改善，不但具有突出的節(jié)能特點，更為重要的是具備了鐵芯電動機所無法達到的控制和拖動特性。但是最常見的航?？招谋姍C轉(zhuǎn)速太高，并不是非常適合用于車上。對比之下比較合適的電機可能就是德國Faulhaber 和瑞士MAXON 的產(chǎn)品了，但是全新原廠產(chǎn)品價格相對較高，權(quán)衡之下選擇了二手Faulhaber 電機，雖然有著重量過大（雙電機加車輪已經(jīng)占到車重的一半）、減速比不夠完美等缺點，但也基本可以滿足使用要求。電機與車身使用3D 打印件進行連接。

▲ 圖2.9 電機的安裝

2.5 車輪的設(shè)計與安裝

今年節(jié)能組的規(guī)則限制自制車輪的直徑小于5cm，我選擇使用3D 打印來制作車輪，再通過聯(lián)軸器與車軸進行連接。

▲ 圖2.10 3D 建模的車輪

2.6 無線充電線圈的安裝

無線充電線圈選擇置后放置，一方面可以平衡車身重量，另一方面可以減少充電線圈對于車模啟動時的干擾。

▲ 圖2.11 充電線圈的安裝

節(jié)能車硬件的設(shè)計最重要的一個原則就是穩(wěn)定，抗干擾能力強，其次才是高效。所以我隊的小車自搭建完成之后，就沒有出現(xiàn)過燒毀電源、電機驅(qū)動等故障，即使堵轉(zhuǎn)，也不會燒毀硬件，排除了這些后顧之憂，才能讓后續(xù)的車模調(diào)試更加順利。

3.1 單片機最小系統(tǒng)

十五屆全國大學(xué)生智能汽車競賽首次可以使用STC 系列的單片機作為主控芯片， 并且節(jié)能組只能使用：STC8G2K64S4-36I-LQFP48 、STC8H8K64S4U-48I-LQFP48 和STC8A8K64S4-28I-LQFP64/48/44。通過芯片手冊對比和實際測試，最終選定STC8H8K64S4U-48I-LQFP4 作為參賽車模的主控芯片。

STC8H 系列單片機是不需要外部晶振和外部復(fù)位的單片機，是以超強抗干擾/超低價/高速/低功耗為目標(biāo)的8051 單片機，在相同的工作頻率下，STC8H系列單片機比傳統(tǒng)的8051 約快12 倍（速度快11.2~13.2 倍），依次按順序執(zhí)行完全部的111 條指令，STC8H 系列單片機僅需147 個時鐘，而傳統(tǒng)8051則需要1944 個時鐘。STC8H 系列單片機是STC 生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是寬電壓/高速/ 高可靠/低功耗/強抗靜電/較強抗干擾的新一代8051 單片機，超級加密。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。

▲ 圖3.1 單片機最小系統(tǒng)

下圖為車模使用的單片機最小系統(tǒng)，由復(fù)位電路和濾波電容組成，晶振使用單片機內(nèi)部晶振。

3.2 單片機下載電路設(shè)計

STC 系列單片機支持串口下載，所以我采用串口對單片機進行下載調(diào)試，CH340 作為電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)USB 電平和TTL 電平的轉(zhuǎn)換，使用type-c 接口與電腦連接，只需要一根type-c 數(shù)據(jù)線即可完成下載調(diào)試的功能。

▲ 圖3.2 下載電路

3.3 電源管理模塊

超級電容作為車模的供能元件，由于其自身特性，所儲存的能量和電壓有以下關(guān)系，J=1/2CU*U，所以其電壓是不穩(wěn)定的，而且放電是非線性。因此我們需要DC-DC 模塊來得到我們想要的電壓。

3.3.1 主控及各種傳感器的供電

節(jié)能組已經(jīng)出現(xiàn)好幾年了，出現(xiàn)了一個又一個優(yōu)秀的方案，但是有一款芯片始終備受各參賽隊伍的青睞，那就是德州儀器的TPS63070。TPS6307x 是一款具有低靜態(tài)電流的高效降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，適用于那些輸入電壓可能高于或低于輸出電壓的應(yīng)用。在升壓或降壓模式下,輸出電流可高達2A。此降壓-升壓轉(zhuǎn)換器基于一個固定頻率、脈寬調(diào)制(PWM)控制器，此控制器通過使用同步整流來獲得最高效率。在低負載電流情況下，此轉(zhuǎn)換器進入省電模式以在寬負載電流范圍內(nèi)保持高效率。轉(zhuǎn)換器可被禁用以大大減少電池消耗。在關(guān)斷期間，負載從電池上斷開。此器件采用2.5mm x 3mm QFN 封裝。

▲ 圖3.3 主控供電電路

3.3.2 電機驅(qū)動的供電

電機驅(qū)動的供電電壓通常是由選用的電機決定的，最后我們選擇使用12V作為電機驅(qū)動的供電電壓，選用的芯片依舊是德州儀器的，此款芯片早年在充電寶上工作過，也算是經(jīng)受過實戰(zhàn)的考驗。TPS61088 采用自適應(yīng)恒定關(guān)斷時間峰值電流控制拓撲結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)輸出電壓。在中等到重負載條件下，TPS61088 工作在PWM 模式。在輕負載條件下，該器件可通過MODE 引腳選擇下列兩種工作模式一種是可提高效率的PFM 模式；另一種是可避免因開關(guān)頻率較低而引發(fā)應(yīng)用問題的強制PWM 模式?？赏ㄟ^外部電阻在200kHz 至2.2MHz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)PWM 模式下的開關(guān)頻率。TPS61088 還實現(xiàn)了可(VQFN) 封裝編程的軟啟動功能和可調(diào)節(jié)的開關(guān)峰值電流限制功能。此外，該器件還提供有13.2V 輸出過壓保護、逐周期2 應(yīng)用過流保護和熱關(guān)斷保護。TPS61088 采用20 引 腳4.50mm × 3.50mm VQFN。

▲ 圖3.4 電機驅(qū)動供電電路

3.4 運放模塊

根據(jù)大賽規(guī)則，賽道鋪設(shè)有中心電磁引導(dǎo)線。引導(dǎo)線為一條鋪設(shè)在賽道中心線上， 直徑為0.1~1.0mm 的漆包線，其中通有20kHz、100mA 的交變電流。頻率范圍20k±1kHz，電流范圍100±20mA。

所以我們選擇10mH 電感配合6.8nf 電容對電磁線進行檢測，但是檢測出的信號并不能直接給到單片機ADC 口檢測，因為首先感應(yīng)出的電壓太小，其次是交變電流。所以我們選用運放芯片LMV358 將信號進行放大，再通過二極管倍壓檢波得到與磁場強度相對應(yīng)的直流電壓給到單片機ADC 口，實現(xiàn)對賽道的檢測。該方案借鑒了競賽秘書處于2010-1 發(fā)布的電磁組競賽車模路徑檢測設(shè)計參考方案。

▲ 圖3.5 運放模塊

3.5 編碼器方向

由于車模使用的是AB 相編碼器，同時STC 單片機沒有正交解碼功能，所以我決定通過硬件的方式來對編碼器旋轉(zhuǎn)方向進行一個判斷，實際上就是用到了數(shù)字電路中學(xué)過的D 觸發(fā)器，AB 相編碼器的兩個脈沖信號分別接入D 觸發(fā)器的時鐘CLK 和輸入D，此時就可以通過輸出Q 的電平高低來判斷編碼器的正反轉(zhuǎn)。很多帶方向輸出的編碼器也利用了相同的原理。

▲ 圖3.6 D 觸發(fā)器

3.6 電機驅(qū)動模塊

智能車電機驅(qū)動的方案早已經(jīng)非常成熟，目前智能車比較流行的驅(qū)動方案有BTN 和BTS 集成驅(qū)動和分立元件搭建的MOS 管全橋驅(qū)動，BTN 只需要兩塊芯片和少許外圍即可實現(xiàn)對單個電機的控制，相比之下分立元件搭建的電機驅(qū)動更加復(fù)雜，但是其強大的輸出功率往往讓人愛不釋手。但是我們要做的是節(jié)能啊，以上兩種方案的性能絕對可以滿足，但是有點大材小用的感覺。所以我決定采用單芯片集成驅(qū)動，說到這里就不得不提L298N 和MC33886。L298N 很多做過51 循跡小車的同學(xué)估計都認識，一塊芯片即可完成我們所有的需求。MC33886在多年前的智能車競賽中也被廣泛應(yīng)用過。但是我還是覺得這兩款芯片的體積太大，所以最終選擇了東芝公司的一款集成驅(qū)動芯片，雖然其內(nèi)阻相對較大，但是勝在體積小巧，一塊芯片便能滿足我們的需求。

▲ 圖3.7 電機驅(qū)動

3.7 功率檢測電路

這里的功率檢測并不是恒功率充電中使用的功率檢測，而是檢測車模運行功率的功率檢測。加入這個功能，最初的想法就是為了在后期調(diào)試車模時能夠發(fā)現(xiàn)因為控制不利而導(dǎo)致的功率異常情況，以此來優(yōu)化控制，降低功耗，并且該功能還可以對堵轉(zhuǎn)等異常情況實現(xiàn)保護。主要電路的構(gòu)成是由電阻分壓的電壓檢測和電流檢測構(gòu)成，通過單片機ADC 端口對電壓和電流進行采集，計算出當(dāng)前功率，通過無線模塊傳回上位機進行分析。

▲ 電流檢測（左）電壓檢測（右）

3.8 陀螺儀&加速度計接口

陀螺儀&加速度計模塊采用IIC 進行數(shù)據(jù)的讀取，接口如下。

▲ 圖3.10 陀螺儀接口

3.9 人機交互電路

為了方便調(diào)試，在車模上增加了OLED 液晶、LED 指示燈、按鍵和撥碼開關(guān)，可以通過OLED 觀察車輛的一些數(shù)據(jù)，LED 在車模運行時指示某些特殊元素，按鍵可以用來調(diào)參和實現(xiàn)特定功能，撥碼開關(guān)用于策略調(diào)整。

▲ 圖3.11 人機交互電路

3.10 無線充電電路

在正式制作無線充電電路之前，曾經(jīng)以卓老師公布的預(yù)賽賽道為基準(zhǔn)，心中定下了一個預(yù)期的充電時間。不是5s，也不是4s，而是3s。最后做到了嗎？嗯，是的，做到了。最后實測2.8s 即可完成對運行預(yù)賽賽道一周所需的能量的獲取。如果以更加節(jié)能的方式去跑，充電時間可以降到2.5s。完成3s 充電，充電電路肯定非常重要，但并不起決定性作用，歸根結(jié)底是車模運行時需要的能量少，所以充電的時間才會縮短。功率控制部分我使用的方案是卓晴老師公眾號推文“如何把大象裝進冰箱”中的方案，這算得上一個很優(yōu)秀的方案。

3.10.1 充電線圈的選擇

無線充電接收線圈通常是使用紗包線制作而成的，主要原因是因為電流在高頻的情況下電流分布變得不均勻。大部分電流會集中在導(dǎo)體表面附近。這種現(xiàn)象稱之為趨膚效應(yīng)。除了使用紗包線外還可以使用銅箔繞制線圈。這兩種方法都嘗試過，因為最終整流方案的選擇，所以最后還是選用紗包線制作的成品線圈。

▲ 圖3.12 充電線圈

3.10.2 整流電路

為了方便后期的升級，所以我將整流電路從恒功率電路中獨立出來制作。整流電路也是充電損耗的一個重要環(huán)節(jié)，做好這部分對于充電效率的提升非常重要，所以在車模還未搭建的時候便著手準(zhǔn)備相關(guān)的工作。

目前比較常見的整流方案有全橋整流、全波整流、倍壓整流等，這三種方案對比來看，全波整流的效率理論是最高的，其次是倍壓，最后是全橋。所以我決定全波整流中的二極管用MOS 管進行替代，以此希望能夠達到更高的效率。最后還是給做出來了，單獨測試整流效果也還不錯，雖然相較于二極管全波整流效率并沒有明顯提升。

▲ 圖3.13 全波同步整流

然后尷尬的事情就來了，在與恒功率板進行配合的時候充電器會出現(xiàn)“Wireis Broken”并蜂鳴器報警，具體原因是恒功率充電板在剛上電的時候單片機需要一定的時間才能正常工作，在這一段時間沒有PWM 輸出會導(dǎo)致整流板相當(dāng)于空載，引起充電器諧波比例過高導(dǎo)致報警。最終在賽前換成了更加穩(wěn)定的全橋整流。還好用到了恒功率電路，所以整流板通常工作在十幾伏以上的電壓，此時二極管的壓降造成效率下降就沒有那么嚴(yán)重了。

▲ 圖3.14 全橋整流

3.10.3 電源模塊

恒功率充電電路在進行工作的時候需要給半橋驅(qū)動芯片供電的12V，和給單片機供電的5V。12V 由整流后的直流電壓通過降壓模塊得到，5V 電壓通過12V降壓后得到。12V 的電源芯片選型使用德州儀器的TPS54061DRBR。5V 采用和主控5V 相同的TPS63070(見3.3.1)。

▲ 圖3.15 12V 電源

3.10.4 功率檢測

使用電阻分壓檢測電壓，AD8217 配合采樣電阻檢測電流，通過單片機對電壓電流進行采樣后得到當(dāng)前功率。

▲ 圖3.16 功率檢測電路

3.10.5 半橋功率輸出電路

通過PWM 控制功率輸出:

▲ 圖3.17 半橋功率輸出電路

3.11 電路板實物展示

下圖依次為主控板（正）、主控板（反）、充電板（正）、充電板(反)。

控制程序是智能車的靈魂，在之前的機械篇和電路篇已經(jīng)完成了對硬件方面的制作，現(xiàn)在需要通過控制程序使其將硬件的水平充分發(fā)揮，以此達到更好的成績。由于節(jié)能限制以直立的方式運行，所以對于控制算法的要求也相對較高，首先能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的直立運行，其次還要在直立的狀態(tài)下保持較高的運行速度，而且還不能消耗過多的能耗。這就需要在控制方面注意更多的細節(jié)。

4.1 傳感器信號處理

4.1.1 電感信號處理

智能車通過電感實現(xiàn)循跡，對于電感信號我們使用ADC 獲取信號數(shù)值，通過均值濾波之后將其進行歸一化處理，然后通過差比和計算出轉(zhuǎn)向偏差，代入轉(zhuǎn)向環(huán)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作。

4.1.2 陀螺儀&加速度計信號處理

車模想要保持直立就必須知道當(dāng)前的車身角度，單純的使用陀螺儀或者是加速度計都沒有辦法準(zhǔn)確的活動車身的角度。只用將加速度計與陀螺儀的數(shù)據(jù)進行結(jié)合，才可以做到。常用的方法有互補濾波和卡爾曼濾波。因為備賽時間較短，所以首選較為簡單的互補濾波作為姿態(tài)解算，且在后期使用的過程中也能夠完美的勝任直立要求，所以一直沿用到正式比賽。

陀螺儀動態(tài)響應(yīng)特性良好，但計算姿態(tài)時，會產(chǎn)生累積誤差。加速度傳感器測量姿態(tài)沒有累積誤差，但動態(tài)響應(yīng)較差。因此，它們在頻域上特性互補，可以采用互補濾波器融合這兩種傳感器的數(shù)據(jù)，提高測量精度和系統(tǒng)的動態(tài)性能。

▲ 圖4.1 互補濾波器基本結(jié)構(gòu)圖

4.2 PID 算法

在工業(yè)應(yīng)用中PID 及其衍生算法是應(yīng)用最廣泛的算法之一，是當(dāng)之無愧的萬能算法，如果能夠熟練掌握PID 算法的設(shè)計與實現(xiàn)過程，對于一般的研發(fā)人員來講，應(yīng)該是足夠應(yīng)對一般研發(fā)問題了，而難能可貴的是，在我所接觸的控制算法當(dāng)中，PID 控制算法又是最簡單，最能體現(xiàn)反饋思想的控制算法，可謂經(jīng)典中的經(jīng)典。經(jīng)典的未必是復(fù)雜的，經(jīng)典的東西常常是簡單的，而且是最簡單的，簡單的不是原始的，簡單的也不是落后的，簡單到了美的程度?，F(xiàn)在雖然已經(jīng)演變出很多智能的算法，如蟻群，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，但是在實際應(yīng)用中還是以串級pid 為主，因為它可靠。

PID 各個參數(shù)作用基本介紹：

比例調(diào)節(jié)（P）作用： 是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)（I）作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti，Ti 越小，積分作用就越強。反之Ti 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI 調(diào)節(jié)器或PID 調(diào)節(jié)器。

微分調(diào)節(jié)（D）作用： 微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD 或PID 控制器。

智能車中PID 控制主要使用模糊PID、增量式PID 控制或者位置式PID 控制。

簡單地說增量式就是每次PID 計算出來的值是一個增量，最終使用時是用原值加上或減去這個增量，舉個例子：例如舵機的控制，舵機有一個中值（就是舵機調(diào)中時使用的占空比），控制時就用這個加上或減去PID 后的增量（加上還是減去主要看舵機的擺放，具體試一下就知道了）最為最終的舵機控制量。增量型算法不需要做累加，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，計算精度對控制量的計算影響較小。

▲ 圖4.2 PID 算法的一般形式

4.3 直立環(huán)

車模能夠保持直立是直立車最基礎(chǔ)，也是最重要的一步，直立環(huán)調(diào)的好不好，對后期的速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)都有影響。直立環(huán)采用PD 控制器，姿態(tài)解析后的角度乘以P,陀螺儀輸出的角速度直接乘以D。參考了卓老師第七屆的《電磁組直立行車參考設(shè)計方案》。

▲ 圖4.3 角度控制框圖

4.4 速度環(huán)

速度環(huán)用來控制車模運行時的速度，通過編碼器采集脈沖計算出當(dāng)前速度，與預(yù)期速度做比較來確定下次輸出速度的大小。我采用的方案是單個P,至于為什么沒有用I，我只是覺得暫時沒有必要。速度環(huán)計算出的輸出給到直立環(huán)的輸入，即控制直立時的傾角，以此達到控制速度的目的。

▲ 圖4.4 速度控制框圖 4.5 轉(zhuǎn)

4.5 轉(zhuǎn)向環(huán)

轉(zhuǎn)向環(huán)采用PD 控制，通過電感差比和得到的偏差來對轉(zhuǎn)向進行控制，轉(zhuǎn)向環(huán)是直接加在輸出給電機的PWM 上。

▲ 圖4.5 轉(zhuǎn)向環(huán)框圖

4.6 特殊元素處理

通過上述的算法，已經(jīng)可以實現(xiàn)車模在賽道上的基本循跡，但是對于特殊元素還需要進行特別的處理才能正常通過，如：車庫、圓環(huán)、坡道。由于機械結(jié)構(gòu)和控制程序比較合理，坡道在沒有進行特殊處理的時候依舊可以正常通過，所以這里只對車庫和圓環(huán)的處理做一個講解。

4.6.1 出庫處理

由于車模一開始需要放置在車庫內(nèi)，待完成充電后再自行發(fā)車，所以當(dāng)車模完成充電后第一步便是完成出庫。出庫的處理的第一個方案就是，先固定直行一段距離后再固定轉(zhuǎn)向進入賽道正常循跡。這種方案對于車模放置的位置要求過高，當(dāng)充電線圈位置變動時還需要再修改代碼。使用我使用第二個方案，讓其自己判斷轉(zhuǎn)向的時機，由于我使用了3 橫兩豎的電感布局，所以就可以用兩個豎直電感判斷轉(zhuǎn)向的時機。

▲ 圖4.6 出庫示意圖

4.6.2 環(huán)島處理

環(huán)島元素已經(jīng)連續(xù)三年出現(xiàn)在智能車賽道中了，但是想要完美的完成這個元素還是需要下一些功夫的。首先對環(huán)島元素進行一個分解處理，我將其分成了四個部分。首先是檢測到環(huán)島，這時因為電感會檢測到兩條電磁線，電感值會增大，但是還沒有到達兩條電磁線重合處，此時的處理是要保證車模平穩(wěn)進入電磁線重合處。到達電磁線重合處就到了第二個部分，此時將原本兩個橫電感計算偏差的方式改為兩橫兩豎電感加權(quán)計算偏差，此時會因為豎直電感的引入而順利進環(huán)，進環(huán)之后到達第三步。將計算偏差的方式改回正常循跡的模式。最后一步就是出環(huán)，使用陀螺儀z 軸角速度積分得到角度判斷車模是否在圓環(huán)運行一周，借助積分后的角度順利出環(huán)。

▲ 圖4.7 環(huán)島處理示意圖

4.6.3 入庫處理

入庫的難度是要大于出庫的，想要入庫，首先就要能夠檢測到車庫，起初設(shè)計時預(yù)選了3 種檢測方案，1.紅外對管；2.干簧管；3.CCD。使用紅外對管檢測斑馬線理論上是可行的，距離斑馬線7cm 以下有著比較好的檢測效果，由于將其集成在電感板上，電感板太低便無法順利通過坡道，所以將距地高度提高到12cm，此時紅外對管已經(jīng)不能實現(xiàn)斑馬線的正確檢測了。干簧管可以用來檢測磁標(biāo)識別車庫，但是還需要進行倒車操作，太浪費時間。所以最后選擇CCD作為車庫的識別。

CCD 檢測斑馬線我寫了兩套程序，第一個是通過設(shè)定閾值對采集回的數(shù)據(jù)進行二值化處理，再計算黑點的個數(shù)，以此判斷斑馬線。這個方案我也用了一段時間，但是當(dāng)光線有較大變化的時候，還需要改變閾值，太費時間。所以又想到了第二個方案，通過采集黑白跳變點的個數(shù)來判斷斑馬線，此方案不需要設(shè)定閾值，只需要把數(shù)組里面的數(shù)據(jù)進行對比即可，相對來說適應(yīng)性強于前者。

檢測到之后就到了入庫處理的環(huán)節(jié)，由于車模在運行過程中速度比較快，想通過操作轉(zhuǎn)向環(huán)來實現(xiàn)入庫效果并不理想，所以干脆直接繞過所有控制，直接對最終輸出給電機的PWM 進行控制，再利用Z 軸角速度積分判斷轉(zhuǎn)的角度，最終實現(xiàn)入庫。

▲ 圖4.8 賽場上即將入庫的瞬間

5.1 程序開發(fā)工具

程序開發(fā)工具使用Keil uVision5，源程序的編寫、編譯都是在該軟件上完成的。并且還可以使用在線調(diào)試功能。

▲ 圖5.1 keil5

5.2 硬件開發(fā)工具

對于硬件電路的開發(fā)，我選擇了一款國產(chǎn)EDA 軟件——立創(chuàng)EDA，這也是我首次在競賽中使用該軟件。純中文的操作界面真是非常適合我，并且簡單易學(xué)，依托立創(chuàng)商城，有非常多的元件封裝可以直接使用，大大縮短了開發(fā)周期。雖然還有很多地方需要完善，但是目前基本都可以滿足我的使用需求，更重要的是因為它是一款國產(chǎn)軟件，支持！

▲ 圖5.2 立創(chuàng)EDA

5.3 3D 建模工具

車模上使用了非常多的3D 打印件，因此不得不學(xué)會一款3D 建模軟件來完成這些任務(wù)，但是很多專業(yè)建模軟件學(xué)習(xí)少則幾個星期，多則幾年，等學(xué)會了比賽早比完了。我就在想有沒有一款可以十分鐘就能學(xué)會的建模軟件，結(jié)果真讓我找到了。Tinkercad 是一款在線進行制圖的工具，使用非常簡單，只需要對幾何圖形進行簡單的拖拽組合，即可繪制出需要的零件，車模上的所有3D打印件均由該軟件繪制。雖然操作簡單，但是局限也很大，很多較為復(fù)雜的圖沒有辦法繪制，只能暫時應(yīng)急。想要學(xué)好3D 建模，還是需要耐下心來學(xué)習(xí)專業(yè)軟件。

▲ 圖5.3 Tinkercad

5.4 程序下載工具

使用STC 單片機，當(dāng)然要使用宏晶科技的下載軟件了。除了下載功能外還有串口助手、示范例程等功能。

▲ 圖5.4 程序下載軟件

5.5 上位機軟件

通過上位機軟件對車模實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，在調(diào)試過程中發(fā)揮了巨大的作用。

▲ 圖5.5 山外上位機軟件

自從報名參加第十五屆全國大學(xué)生智能汽車競賽以來，一直在為這項比賽所努力備賽。智能車的魅力始終深深吸引著我，讓我無法自拔。在此次的技術(shù)報告中，我對本次參賽的方案進行了一個詳細的說明，有的想法實現(xiàn)了，有的想法失敗了，但是失敗的也恰恰是收獲的經(jīng)驗。

關(guān)于技術(shù)報告中的機械結(jié)構(gòu)，我還想再進行一個說明，除了實現(xiàn)車模的基本功能外，我還會追求車模的美觀程度，因為在智能車界一直流傳著一句話，那就是自古丑車跑不快，第一次聽到這個說法我就覺得很有道理，所以在制作車模的過程中，追求美觀也成為了我所追求的一個重要目標(biāo)。車模的美丑不單單是外觀的問題，還反映了選手對待車模的態(tài)度，對細節(jié)的把控，如果車模上熱熔膠一大堆，杜邦線滿天飛，這種車通常并不容易跑出好的成績。

硬件部分其實很多隊伍都大同小異，畢竟優(yōu)秀合適的方案就那么多，電源一般都選擇德州儀器的TPSxxxxx，電機比較好的無非Faulhaber 和瑞士MAXON。既然大家水平都差不多，就要在細節(jié)上下功夫，節(jié)能組，玩的就是細節(jié)。因為電源芯片效率的天花板就在那，電機效率的天花板也在那，想在單個環(huán)節(jié)上有較大的提升根本不現(xiàn)實，還是得回歸細節(jié)，對細節(jié)進行反復(fù)的打磨，才有可能在賽場上有所優(yōu)勢。

算法方面屬于短板，主要控制思路還是用最簡單的方法實現(xiàn)較好的效果，濾波算法用互補濾波，循跡用差比和。很多時候能否調(diào)校出一輛優(yōu)秀的車并不在于你是不是使用了多么高大上的算法，而是你是否真的把你會的簡單算法使用好了。學(xué)會善于觀察車模運行過程中的“風(fēng)吹草動”，再找到引起這些問題的原因，即使用簡單的方法，小車依舊可以快樂的飛馳。

經(jīng)過幾個月的準(zhǔn)備，最終在11.7 日來到了安徽賽區(qū)的賽場，并以滿意的成績結(jié)束了我最后一次智能車之旅。貫穿了我整個大學(xué)時光的智能車喲，多少個不眠之夜，多少次垂頭喪氣，又有多少次解決問題之后的喜悅，如今歷歷在目。別了，智能車。

最后感謝學(xué)校為我們提供場地和經(jīng)費支持，有了這些物質(zhì)基礎(chǔ)，才能讓我順利的完成比賽。也要感謝老師和領(lǐng)導(dǎo)的支持與指導(dǎo)。同時還要感謝競賽組委會工作人員的辛苦付出，疫情期間，今年能夠正常舉辦真是非常難得，感謝各位為競賽提供幫助的人。

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2.電路圖

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