智能車競賽技術報告?|?節(jié)能信標組-哈爾濱工業(yè)大學紫丁香五隊
[導讀]簡介：本設計以第十六屆全國大學生智能汽車競賽節(jié)能信標組賽題要求規(guī)范為背景，結合3D打印技術、PCB制板技術等制作一輛以英飛凌單片機為核心控制單元的節(jié)能信標車模。以ADS為開發(fā)環(huán)境、利用攝像頭獲取賽道信息，在完成無線電能高效收割的前提下控制車模實現尋燈、滅燈、避障等任務，同時兼顧節(jié)...
簡 介： 本設計以第十六屆全國大學生智能汽車競賽節(jié)能信標組賽題要求規(guī)范為背景，結合3D打印技術、PCB制板技術等制作一輛以英飛凌單片機為核心控制單元的節(jié)能信標車模。以ADS為開發(fā)環(huán)境、利用攝像頭獲取賽道信息，在完成無線電能高效收割的前提下控制車模實現尋燈、滅燈、避障等任務，同時兼顧節(jié)能與速度。該智能車車系統(tǒng)顯示了高度的智能化、人性化，并且具備良好的安全性、穩(wěn)定性，可以為無人駕駛汽車及環(huán)保個人交通工具的后續(xù)研究提供經驗。關鍵詞： 智能車，節(jié)能，信標，無線充電組 別：節(jié)能信標組?????
學 校：哈爾濱工業(yè)大學???
隊伍名稱：紫丁香五隊?????
參賽隊員：馬銘成 榮振帥 曹廣旭
指導教師：宋凱 董帥??????
帶隊教師：張依? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
第一章 引言
1.1 智能車大賽介紹
??全國大學生智能車競賽受教育部高等教育司委托，由教育部高等自動化專業(yè)教學指導分委員會（以下簡稱自動化分教指委）主辦全國大學生智能汽車競賽。該競賽以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動，是教育部倡導的大學生科技競賽之一，為加強大學生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)，促進高等教育教學改革。該競賽以"立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越"為指導思想，旨在促進高等學校素質教育，培養(yǎng)大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能，倡導理論聯系實際、求真務實的學風和團隊協作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。??該競賽由競賽秘書處為各參賽隊提供/購置規(guī)定范圍內的標準硬軟件技術平臺，競賽過程包括理論設計、實際制作、整車調試、現場比賽等環(huán)節(jié)，要求學生組成團隊，協同工作，初步體會一個工程性的研究開發(fā)項目從設計到實現的全過程。該競賽融科學性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競賽規(guī)則透明，評價標準客觀，堅持公開、公平、公正的原則，保證競賽向健康、普及、持續(xù)的方向發(fā)展。1.2 第十六屆節(jié)信標能組規(guī)則介紹
（1）車模
??車模允許使用任何比賽中的車模，也可以自行設計制作車模。車模作品尺寸不限。??車模上不允許使用任何電池，車模需要通過無線接收線圈獲取信標發(fā)送的無線電能。??信標燈為扁平狀，車模可以行駛到信標上面接受無線電能。（2）微控制器與傳感器
??車模微控制器使用Infineon系列單片機。??允許使用電感、RF天線、紅外光電、攝像頭傳感器、激光傳感器等。（3）比賽場地與任務
??信標在點亮后同時會發(fā)送高頻無線功率信號（150kHz）和紅色、紅外燈光用于導引車模前往。發(fā)送的高頻無線功率信號也可以通過電磁共振耦合為節(jié)能車模提供大約70W充電功率。??比賽時，車模從第一個信標開始接受電能，自行啟動去往下一個信標。當車模運行到信標上之后，信標的燈便切換到下一個信標，但本地的信標依然發(fā)送無線電能，直到車模離開本地的信標燈，本地信標停止發(fā)送無線電能，下一個信標燈開始發(fā)送無線信號。??信標對抗組別中的磁標數量、安裝方式不限。1.3 報告內容
??在這份報告中,我們小組通過對小車設計制作的結構，電路，調試，車輛參數的介紹,盡力展現我們在制作調試過程中的思路和付出的汗水。具體表現在結構的設計制作,以及算法方面的思維想法。這份報告是我們小組三人共同努力，精益求精改進后的結果。第二章 機械結構設計
??本章主要講述我們在機械結構方面的設計與優(yōu)化。2.1 方案確定
??節(jié)能信標組對于車模的選型、結構沒有限制，比較合適的方案有三輪和四輪。三輪車整體結構簡單、車模容易設計得更加輕巧節(jié)能、控制起來也更加簡單，但是很難滿足信標高速性與靈活性的要求；四輪車由于加入了舵機整體結構更加復雜、車模很難設計得輕巧節(jié)能、控制起來也會更加復雜，但是車模的速度和靈活性得到了很大的提升。通過分析和比對，我們最終選擇了四輪車模。2.2 整體結構
??完全獨立設計一輛四輪車難度較大，考慮到備賽時間比較緊張、參賽隊員水平有限等因素，我們最終決定以傳統(tǒng)C車模為基礎，借鑒C車模的設計思路及部分結構，搭建一輛雙電機加舵機的四輪車,車模以攝像頭、編碼器、陀螺儀作為傳感器。2.3 后輪傳動結構
??后輪傳動結構采用C車模的齒輪傳動結構，可以更加方便的改變傳動比，考慮到車模尺寸和電機與傳統(tǒng)C車模不同，我們采用3D打印件制作了電機支架和傳動軸固定支架，以實現較好的齒輪傳動。2.4 前輪結構
??考慮到車模會經過藍臺，為了減小震動，前輪需要懸掛結構。前輪懸掛自行設計較為復雜，因此我們采用了C車模的懸掛結構并適當修改，用3D打印件固定舵機，實現舵機控制前輪轉向。2.5編碼器
??編碼器采用龍邱科技512線編碼器，該編碼器具有較高的精度。通過3D打印件進行固定，通過齒輪嚙合獲取車模速度。2.6 攝像頭的搭建
??為了輔助轉向，我們使用了兩個逐飛的170度紅外攝像頭，因此攝像頭的安裝極其重要，首先是攝像頭安裝位置的選取。由于車的重心靠后，為了保證攝像頭的穩(wěn)定性，我們將攝像頭安裝在車的電機中間附近，攝像頭的底座我們采用的是金屬底座，確保其剛性，固定過程中，我們在車底板上打孔，將底座和底板用螺絲和AB膠充分固定；為了降低整車重心，需要嚴格控制攝像頭高度，同時又要考慮前瞻的長度和角度。我們采用碳纖維管作為安裝線性電磁傳感器的主桅，這樣可以獲得最大的剛度質量比，整套裝置具有很高的定位精度和剛度，使攝像頭更加穩(wěn)定。??經過長時間的嘗試，最終攝像頭的高度定為30cm左右，并且調整角度，使其前瞻大約在10m左右，這樣既能識別到遠處的信標燈（保證能夠接收到足夠的亮度），又不會受到太多雜光干擾。兩個攝像頭固定在碳桿上，其高度近似相同，分別為一前一后，通過螺絲和AB膠固定在碳桿上，以確保車模在運行過程中攝像頭的穩(wěn)定性。2.7 電機、舵機選型
??在車模整體設計中，重中之重的是電機的選擇，這關系到控制和功耗這兩個至關重要的問題。我們的選擇有直流電機，空心杯電機和無刷電機。為滿足車模速度、靈活、節(jié)能的要求，我們最終選擇了功率較大的空心杯電機，通過選擇合適的傳動比可以獲得較高的速度和較大的轉矩。??舵機對于車模的轉向至關重要，基于節(jié)能、靈敏性、體積等因素的考慮，我們最終選擇了金屬舵機。金屬舵機不僅體積小，而且控制精度高、響應速度快，完全滿足車模對于轉向的要求。2.8 車模主要技術參數
??智能車主要技術參數包括物理尺寸、電路指標等，具體參數見表 2.1。第三章 無線充電部分設計
3.1 無線充電原理
??無線充電技術的應用在現今電動汽車領域、手持電子設備、人體醫(yī)療器械、通信領域也都有著非常廣泛的應用，利用電磁互感現象，通過磁場耦合的兩個線圈可以完成電能的傳輸。將感應接收線圈放在發(fā)射線圈中間，它們之間存在電磁耦合。在發(fā)射線圈通電以后，就會在接收線圈中產生感應電動勢。經過整流之后，便可以形成可以充電的直流電流。從而實現對設備的充電。3.2 無線充電Simulink仿真
??無線充電發(fā)射端采用半橋控制LCC結構，我們在Simulink上仿真了這一結??構。通過理論分析和仿真驗證，我們得出了線圈互感、負載阻抗等對充電功率和效率的影響，為我們設計接收端電路奠定了基礎。3.3 無線充電接收線圈、磁環(huán)電感制作
??無線充電頻率設定為150kHz，為了降低集膚效應，我們采用了高頻利茲線自己繞制線圈，可以適當的調整線圈自感和互感，以提高無線充電接收的功率和效率。線圈的自感和互感與利茲線匝數和線圈內徑、外徑和繞制圈數等有關。為了減少線圈上的損耗、滿足接收端對于電壓的需求、滿足安裝要求，我們在盡可能增大線圈外徑的情況下減小線圈匝數，以減小線圈的重量和損耗。??磁環(huán)電感通過高頻利茲線繞在T106-2磁環(huán)上得到，改變利茲線的匝數和繞制圈數可以改變磁環(huán)電感的電感值，該電感值直接決定電路阻抗X，并決定了設計充電電流值。通過改變磁環(huán)電感的大小可以獲得較大的充電功率。3.4 無線充電接收電路比較與設計
??無線充電接收電路有LCC和LC兩種結構。（1）LCC
??接收端等效電路為：X有關，而與負載阻抗無關，因此理論上可實現硬件恒流。但在實際充電過程中，由于電路器件限制、發(fā)射端功率限制等因素的影響，充電電流是隨著電容電壓的升高逐漸降低的。（2）LC
LC結構不能雖然不能實現硬件恒流，但接收電路更加簡單，更容易使整個電路出于諧振狀態(tài)。經過不斷比較，我們發(fā)現只要合理的繞制接收端線圈也可以達到較大的接收功率，平均接收功率不低于LCC結構。考慮到這些因素，我們最終采用了LC結構。3.5 超級電容選擇
??前期賽題要求是滅25個燈比時間長短，經過多次跑車實驗，我們發(fā)現5串40F電容足夠完成比賽要求。但是后來賽題改為三分鐘積分制，因此就需要更大的電容。出于更改簡單、充電功率等因素的考慮，我們最終決定并聯兩組5串40F電容，超級電容選擇低ESR的類型。第四章 硬件電路的設計
??智能車電路部分主要的模塊包括：充電模塊、電源模塊、傳感器模塊、驅動模塊以及其他周邊調試模塊。各模塊的總體設計原則是：節(jié)能、緊湊、易于拆換、穩(wěn)定可靠。但根據各模塊的不同，又有不同的設計要求。4.1 電源模塊設計
??由于我們是超級電容供電，所以電源模塊的設計顯得至關重要，電源的首要指標是可靠性，整個硬件系統(tǒng)的工作完全由電源供電的可靠性決定，電源供電不穩(wěn)定會引起損耗、單片機復位、舵機及傳感器損毀等嚴重問題；另外，與傳統(tǒng)的電池供電不同，超級電容在供電過程中存在電壓降低的問題，所以，在接入電路時，還要有穩(wěn)壓的模塊。4.1.1 電壓需求
??電源設計中主要考慮到需要的電壓和電流，另外還用LED燈顯示電池電壓，便于直觀發(fā)現電池電量是否正常。我們需要的電源要求包括3.3V，6.5V等。4.1.2 電源電路
??根據規(guī)劃，3.3V供電我們選擇了TPS63070開關電源芯片,對于這款芯片，其輸入范圍為2V-16V，而輸出可調，并且輸出電流可以達到2Ａ，足以滿足單片機、傳感器、外圍電路正常工作所需要的電流。設計原理圖如下圖所示。3.3V，但是其對電源質量有較高的要求，開關電源輸出有較大的紋波，不能滿足攝像頭的要求，因此我們單獨加了一級線性穩(wěn)壓給攝像頭供電，使攝像頭獲取圖片的質量得到保證。6.5Ｖ舵機供電我們同樣采用了TPS63070電源穩(wěn)壓芯片，其高輸出電流足以滿足驅動舵機所需的電流，且效率較高。原理圖如下。4.2 驅動電路設計
??驅動電路為智能車驅動電機提供控制和驅動，這部分電路的設計要求以能夠通過大電流為主要指標。驅動電路的基本原理是H 橋驅動原理，目前流行的H 橋驅動電路有：H 橋集成電路，如 MC33886；集成半橋電路，如 BTN7971 等；MOS 管搭建的 H 橋電路。??對于節(jié)能組，為了選出一個低功耗的驅動方案，我們對比三種電路都進行了搭建并測試，MC33886 的優(yōu)點是電路簡單，外圍元件少，但缺點是內阻較大，通過電流有限，可以通過兩片 MC33886 并聯方式進行改善；BTN7971是集成半橋電路，電路簡單，只需要簡單的幾個外圍電阻，缺點是輸入電壓要高于5V才能正常工作，但是對于超級電容的寬輸入范圍的電壓來說，需要升壓電路給予其足夠工作的電壓，但是很難找到效率極高的升壓芯片且升壓電路設計也較為復雜；ＩＲ２１０４＋MOS管搭建的H 橋電路可以通過較大電流，且在電容電壓較低時仍能正常工作，但電路較為復雜，元器件也較多。對比三種方案，我們選擇了ＩＲ２１０４＋MOS管搭建的H 橋電路作為驅動電路，下面是電路原理圖。4.3調試電路設計
??調試電路在車模調試過程中是必不可少的，可以直觀的顯示智能車的參數和狀態(tài)，并且可以方便地修改參數。調試電路包括：五向按鍵、WIFI、OLED接口、蜂鳴器、撥碼。第五章 軟件方案
??高效穩(wěn)定的軟件程序是智能車平穩(wěn)快速循跡的基礎。我們設計的智能車使用紅外攝像頭來獲取信標位置信息，采用魯棒性很好的PID算法控制智能車的轉向和速度控制，使得在尋燈的過程中智能車達到快速的效果。由于賽題的要求是三分鐘的時間智能車充電和跑車，因此使用適當的速度控制方案和行駛過程中的策略選擇就成了能否節(jié)約電能從而達到滅更多燈的關鍵，接下來將進一步進行解釋。5.1 圖像采集與處理
??本智能車采用的是2個逐飛的170度紅外攝像頭，前后分別一個。在單片機采集圖像后需要對其進行處理，以提取主要的圖像信息。對于節(jié)能信標組，需要提取的就是亮著的信標燈的坐標。十六屆信標燈的燈罩是扁平的，距離較遠時，接收到的光較弱，而且由于場地燈光和太陽光的存在，會存在雜點、光斑，對信標燈的識別有著很大的影響。因此，在軟件上必須排除干擾因素，對圖像進行精準識別，并盡可能提取出更多的信息以供控制使用。??在圖像處理中，我們提取的信息主要包括：信標燈的坐標、信標燈的長、寬、面積、周長，以及信標燈距離。由于信標燈為扁平狀，當距離較遠時，接收到的光比較少，提取到的信標燈僅為一個像素點；距離較近時，形狀近似為一個橢圓。??當場地光線足夠理想時，通過固定閾值二值化，便可將場地與信標燈區(qū)分開，再通過連通域提取，即可精確地收集到信標燈的所有信息。當場地光線不夠理想時，當信標燈的距離較近時，由于圖像畫面中信標燈占了很大一部分，所以直接提取面積最大的連通域作為信標燈即可；當信標燈距離較遠時，由于信標燈在畫面上僅為一個像素點，所以雜光會對信標燈的提取造成很大的困難，甚至一些雜光的亮度大于信標燈的亮度，僅通過固定閾值很難提取出真正的信標燈位置。我們嘗試過了許多二值化方法，大津法、平均值法等等，但是效果都比較一般，因為較遠處的信標燈只有一個像素點，全局二值化顯然不太合適。最后還是采取了分段固定閾值法，主要思想就是距離遠的部分給低閾值，距離近的部分給高閾值，這樣通過二值化，即可濾掉比信標燈暗的部分。剩下來的就是在圖像中濾除雜光干擾，我們采用的方法是通過計算信標燈的坐標和形狀，來去除一些形狀不可能是信標燈的連通域，通過這種方法，可以排除大部分干擾。剩下滿足條件的連通域中，我們選取與上一張圖信標燈最近的連通域作為信標燈的位置，來計算其各個信息。5.2 信標位置提取
??首先通過前攝像頭采集的圖像進行圖像處理，來判斷前方是否有信標燈。如果正前方采集到了信標燈的信息，那么便通過這個信息提取出其坐標，以坐標為基礎來控制車的運動。如果前攝像頭采集到的圖片中沒有信標燈的信息，那么這時候對后攝像頭進行圖像處理，來判斷信標燈和車的相對位置，從而確定轉向方向。整體邏輯在狀態(tài)機中體現。5.3 PID運動控制算法
5.4 舵機控制和速度控制
??我們對速度的要求是穩(wěn)定，在運行的過程中調節(jié)時間小，視為一個調節(jié)系統(tǒng)，因為作為智能車這個慣性系統(tǒng)來說，速度不會徒增驟減（與控制周期比較），因此我們使用了PI控制，經過調試，選擇合適的PI系數后，加速可以很快也不會過沖，控制效果很好。對于舵機，我們要求其能快速響應并且不會出現振蕩，能夠快速且平穩(wěn)地根據信標燈的位置確定具體的打角，因此我們使用PD控制，經過調試，選擇合適的PD系數后，可以配合速度控制使智能車快速轉向并保持直道平穩(wěn)行駛。5.5 策略選擇
??對于智能車尋燈滅燈過程中的策略，有兩種方案：- 一種是充滿一次電跑完全程，中途經過燈罩時會補充很少一部分電能；
- 另一種是初始時充很少一部分電，再跑一些燈后停在某一個燈上進行充電，即中途補電；
5.6 輔助車模調試程序設計
??輔助調試程序有兩個部分，一是基于鍵盤顯示與按鍵的PID 參數輸入程序，二是基于WIFI模塊的無線通信數據發(fā)送程序。第六章 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境與車模調試
??在系統(tǒng)的設計制作和調試的過程中，不管是軟件的開發(fā)還是硬件電路的仿真和電路板的制作都離不開PC 機。所以對于PC 機上的各種輔助設計軟件必須要有一定的熟悉程度。這樣可以提高開發(fā)的效率。6.1 ADS的使用
??我們今年選用的單片機為英飛凌公司的TC264，我們邊學習邊不斷實踐。在老師和學長的幫助下逐漸熟悉了對單片機的使用。6.2 人機交互工具
??在調試過程中需要不斷地修改變量的值來達到整定參數的作用，對此我們選用了液晶屏配合按鍵和撥碼開關的調試方法。此外，比賽的時候，修改參數我們同樣用這個模塊進行修改。??其中液晶屏我們選用OLED 液晶，該液晶具尺寸小，高分辨率等特點。界面如圖6.1所示。按鍵采用五向按鍵其便于操作并且節(jié)省空間。設計五向按鍵以及4個撥碼開關進行調參，顯示，方案選擇等部分。
下載文檔
