智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 智能車作為一個(gè)整體系統(tǒng)，包括機(jī)械、電路硬件、軟件三個(gè)主要部分，三部分互相聯(lián)系，相互影響。智能車系統(tǒng)框圖見圖 圖 能車系統(tǒng)框圖 對(duì)這三個(gè)部分統(tǒng)籌設(shè)計(jì)是貫穿始終的原則，機(jī)械部分設(shè)計(jì)將決定智能車能力的最終極限，硬件電路將為智能車提供實(shí)現(xiàn)機(jī)械潛能所必需的能源、檢測(cè)手段及控制能力，軟件設(shè)計(jì)針對(duì)輸入進(jìn)行處理最終實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車機(jī)械和電路的控制。 能車機(jī)械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案 我們對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)部分總體的設(shè)計(jì)原則定位在：結(jié)構(gòu)緊湊、連接穩(wěn)固、減輕重量、合理調(diào)整重心四個(gè)方面。另外根據(jù)經(jīng)典的機(jī)械原理，對(duì)智能車的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、輪胎、車輪等進(jìn)行規(guī)則允許范圍內(nèi)的調(diào)校。具體內(nèi)容主要有電路板安裝排布、支架固定、舵機(jī)改裝、四輪定位等，具體內(nèi)容將在第三章中介紹，最終車 2 模整體見圖 圖 能車整體外觀 能車硬件電路整體設(shè)計(jì)方案 智能車中的電路包括：微處理器最小系統(tǒng)、電源、傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)速器以及其他周邊電路。主要設(shè)計(jì)原則是最簡、實(shí)用、可靠和模塊。因?yàn)殡娐窂?fù)雜就增加了故障幾率，只要符合要求，提供足夠的應(yīng)用功能就足夠，而智能車最容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)往往是硬件電路部分，這部分出現(xiàn)問題的后果也比較致命，所以可靠的電路設(shè)計(jì)的重要原則之一，另外，模塊化設(shè)計(jì)便于整個(gè)系統(tǒng)的修改、升級(jí)、更替。具體設(shè)計(jì)詳見第四章。 3 能車軟件整體設(shè)計(jì)方案 軟件部分的設(shè)計(jì)主要是對(duì)微處理器 程序編寫，通過計(jì)算 對(duì)其各個(gè)端口進(jìn)行讀寫控制，即將傳感器獲取的電信號(hào)通過單片機(jī)端口讀入，并經(jīng)過處理，進(jìn)行控制算法，最終通過單片機(jī)端口輸出給硬件電路，對(duì)車速、方向等硬件電路進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛機(jī)械部分的控制。 軟件的設(shè)計(jì)原則主要是：效率、結(jié)構(gòu)化、規(guī)范、易讀。因?yàn)檐浖糠稚婕暗蕉丝谳斎胼敵鰯?shù)據(jù)的處理，要對(duì)車輛硬件進(jìn)行控制，因此要提高軟件處理的效率以達(dá)到控制的及時(shí)性。另外，整個(gè)控制環(huán)節(jié)有緊密的邏輯關(guān)系，因此，軟件的結(jié)構(gòu)合理和規(guī)范化的設(shè)計(jì)有助于調(diào)理邏輯關(guān)系，便于修改、調(diào)試 、擴(kuò)展及擁有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。 程序編寫選用 編譯環(huán)境， C 語言為主要程序編寫語言。具體軟件設(shè)計(jì)詳見第五章。 能車主要技術(shù)參數(shù) 智能車主要技術(shù)參數(shù)包括物理尺寸、電路指標(biāo)等，具體參數(shù)見表 表 能車主要參數(shù)表 項(xiàng)目 單位 參數(shù) 車模尺寸 (長寬高 ) 毫米 (750 180 230, 270 180 230, 車模重量 (帶電池 ) 克 (g) 2300,2230 車模軸距 毫米 (170 車模平均電流 (勻速行駛 ) 毫安 ( 8000 電路電容總量 微法 ( F) 1600 電磁傳感器 (電感電容諧振回路 ) 個(gè) 6 尋車傳感器 (攝像頭 ) 個(gè) 1 電感值 傳感器間距 毫米 (200 干簧管 個(gè) 6 4 賽道信息檢測(cè)空間精度 毫米 (6 賽道信息檢測(cè)頻率 次 /秒 200,30 核心處理器種類及個(gè)數(shù) 智能車名稱（前車） 春香 智能車名稱（后車） 夢(mèng)龍 注：由于設(shè)計(jì)報(bào)告書寫期間智能車仍然在進(jìn)行改進(jìn)，因此有些數(shù)據(jù)未能更新。之后的內(nèi)容中涉及到的參數(shù)、程序、圖片也有類似情況，不做逐一說明。 5 第一章 機(jī)械設(shè)計(jì)制作及調(diào)整 智能車機(jī)械部分設(shè)計(jì)主要包括制作和調(diào)整兩部分內(nèi)容，制作部分的內(nèi)容主要是對(duì)車模沒有的部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括傳感器支架、電路板固定、防撞、測(cè)速輪安裝等。調(diào)整部分則主要是針對(duì)智能車車模本身已經(jīng)有的機(jī)械部分，在規(guī)則允許范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，改裝，提高其運(yùn)動(dòng)性能，以適應(yīng)高速行駛和快速控制，這部分主要包括舵機(jī)改裝、底盤調(diào)整、避震調(diào)整、四輪定位等。本章內(nèi)容主要對(duì)電路板安裝、傳感器支架以及機(jī)械調(diào)校部分進(jìn)行介紹。 械結(jié)構(gòu)制作部分設(shè)計(jì) 由于大賽提供車模本身是運(yùn)動(dòng)型模型車通用車模，并沒有提供專門為智能車安裝電路、傳感器等電路部分的 部件，因此這部分機(jī)械結(jié)構(gòu)需要自行設(shè)計(jì)制作并安裝。制作部分主要原則為：輕、牢、簡，所以我們主要選擇鋁合金、尼龍等原材料制作，所有自制結(jié)構(gòu)，都是由我們手工制作。 路板及傳感器安裝 根據(jù)前期傳感器測(cè)試，我們得到 電磁 傳感器的前瞻、架設(shè)高度、仰角等參數(shù)，根據(jù)參數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了 電磁 傳感器的架設(shè)結(jié)構(gòu)如圖 6 圖 磁感和攝像頭的架設(shè) 另外一個(gè)傳感器是測(cè)速傳感器，碼盤測(cè)速方式。具體安裝如圖 示。 圖 速感器的安裝 模機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整與改裝 車模本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)是通用結(jié)構(gòu)，并不適合智能車競(jìng)賽的要求，因此要對(duì)這些部分進(jìn)行改裝，另外，為了提高車模的運(yùn)動(dòng)性能，對(duì)一些機(jī)械結(jié)構(gòu)還需要調(diào)整，比如車輪前束等。這部分著重介紹舵機(jī)改裝、底盤等部分的調(diào)整和改裝。 機(jī)改裝 為了提高舵機(jī)反應(yīng)速度，在相同轉(zhuǎn)角下，有盡可能大的線行程，因此需要延長舵機(jī)臂。另一方面，由于舵機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)角精度的限制，不能無限制延長舵機(jī)臂，這樣就確定了舵機(jī)臂的長度，并使用鋁合金片加工成形，尺寸為 248 舵機(jī)安裝實(shí)物圖，四個(gè)螺絲將舵機(jī)牢固安裝在支架上。 圖 機(jī)改裝 盤改裝 由于賽道特性，底盤改裝目標(biāo)是盡可能低 (能保證通過坡道 )，這樣可以最大 7 程度保證智能車行駛的穩(wěn)定性。因此我們降低了底盤高度。另外，由于賽道整體屬于平坦路面，沒有較大較多的顛簸，所以我們把后避震拆除，并緊固后橋連接件。 輪定位 B 型車模前輪可以調(diào)整的角度有主銷前傾、內(nèi)傾、前束等，這些角度的調(diào)整根據(jù)每個(gè)車的機(jī)械性能不同而不同調(diào)整，我們的智能車由于重心位置在中心偏后，因此前輪壓力較小，轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)不大，因此為了增加抓地力和穩(wěn)定性，選擇了主銷內(nèi)傾和負(fù)前束的調(diào)整。另外，由于車模 本身的精度限制，這部分角度的調(diào)整并不是主要的，僅僅是為了避免負(fù)面影響以及修正車模本身的不對(duì)稱和不平衡問題。圖 示 圖 輪定位 主銷內(nèi)傾角是指在橫向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角，它的作用也是使前輪自動(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向時(shí)也就越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。通常汽車的主銷內(nèi)傾角不大于 8。 對(duì)于模型車，通過調(diào)整前橋的螺桿的長度可以改變主銷內(nèi)傾角的大小，由于過大的內(nèi)傾角也會(huì)增大轉(zhuǎn)向阻力，增加輪胎磨損，所以在調(diào)整時(shí)可以近似調(diào)整為 0 3左右，不宜太大。 主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時(shí)主銷后傾的回正作用大，低速時(shí)主銷內(nèi)傾的回正作用大。 8 輪外傾角 前輪外傾角是指通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角，對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。在汽車的橫向平面內(nèi)，輪胎呈“八”字型時(shí)稱為“負(fù)外傾”，而呈現(xiàn)“ V”字形張開時(shí)稱為正外傾。如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形 ，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個(gè)正外傾角度，一般這個(gè)角度約在 1左右，以減少承載軸承負(fù)荷，增加零件使用壽命，提高汽車的安全性能。 模型車提供了專門的外傾角調(diào)整配件，近似調(diào)節(jié)其外傾角。由于競(jìng)賽中模型主要用于競(jìng)速，所以要求盡量減輕重量，其底盤和前橋上承受的載荷不大，所以外傾角調(diào)整為 0即可，并且要與前輪前束匹配。 輪前束 所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。像內(nèi)八字那樣前端小后端大的稱為“前束”，反之則稱為“后束”或“負(fù)前束”。在實(shí)際的汽車中，一般前束為 012 在模型車中，前輪前束是通過調(diào)整伺服電機(jī)帶動(dòng)的左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)的。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長度即可以改變前輪前束的大小。在實(shí)際的調(diào)整過 程中，我們發(fā)現(xiàn)較小的前束，約束 02以減小轉(zhuǎn)向阻力，使模型車轉(zhuǎn)向更為輕便，但實(shí)際效果不是十分明顯。 雖然模型車的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束等均可以調(diào)整，但是由于車模加工和制造精度的問題，在通用的規(guī)律中還存在著不少的偶然性，一切是實(shí)際調(diào)整的效果為準(zhǔn)。 能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化 理想的轉(zhuǎn)向模型，是指在輪胎不打滑時(shí)，忽略左右兩側(cè)輪胎由于受力不均產(chǎn)生的變形，忽略輪胎受重力影響下的變形時(shí)車輛的的轉(zhuǎn)向建模。在這種理想 9 的模型下，車體的轉(zhuǎn)向半徑可以計(jì)算得到。 圖 能車轉(zhuǎn)向示意圖 如圖 設(shè)智能車系統(tǒng)為理想的轉(zhuǎn)向模型，且其重心位于其幾何中心。車輪滿足轉(zhuǎn)向原理，左右輪的軸線與后輪軸線這三條直線必然交于一點(diǎn)。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在車輛運(yùn)行過程中有著非常重要的作用。合適的前橋和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以保證在車輛直線行駛過程中不會(huì)跑偏，能保證車輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，合適的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以使車輛自行回到直線行駛狀態(tài)，具有好的回正性。正是由于這些原因，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為智能車設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的重點(diǎn)，直接關(guān)系到賽車能否順利地完成比賽。在實(shí)際操作中，我們通過理論計(jì)算的方案進(jìn)行優(yōu)化，然后做出實(shí)際結(jié)構(gòu)以驗(yàn)證理論數(shù)據(jù) ，并在實(shí)際調(diào)試過程中不斷改進(jìn)。 在模型車制做過程中，賽車的轉(zhuǎn)向是通過舵機(jī)帶動(dòng)左右橫拉桿來實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率是一定，要想加快轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)的速度，唯一的辦法就是優(yōu)化舵機(jī)的安裝位置和其力矩延長桿的長度。由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù)，過分追求速度，必然要損失力矩，力矩太小也會(huì)造成轉(zhuǎn)向遲鈍，因此設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度與舵機(jī)力矩之間的關(guān)系，通過優(yōu)化得到一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)向效果。經(jīng)過最后的實(shí)際的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，最后得出一套可以穩(wěn)定、高效工作的參數(shù)及機(jī)構(gòu)。 10 能 車 重心 位置的調(diào)整 為了 達(dá)到較遠(yuǎn)前瞻， 必須把電感 架 到較遠(yuǎn)的位置，會(huì)引起車 重心 特別 靠前 ，后輪 正壓力不足 導(dǎo)致 甩尾。為了 使重心 后移，我們嘗試了很多 傳感 器支架的搭建方式， 使得 保證 結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定的前提下 盡量 減輕重量。同時(shí) ， 我們把舵機(jī)和電池均往后移， 達(dá)到了 預(yù)期的效果。 它機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整 另外，在模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進(jìn)的地方，比如說車輪、懸架、底盤、車身高度等。 模型車在高速的條件下（ s），由于快速變化的加減速過程，使得模型車的輪胎與輪輞之間很容易發(fā)生相對(duì)位移，可能導(dǎo)致在加速時(shí)會(huì)損失部分驅(qū)動(dòng)力。在實(shí)驗(yàn)中調(diào)試表明，賽車在高速下每跑完一圈，輪胎與輪輞之間通常會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)厘米的相對(duì)位移，嚴(yán)重影響了賽車的加速過程。為了解決這個(gè)問題，我們?cè)趯?shí)際調(diào)試過程中對(duì)車輪進(jìn)行了粘胎處理，可以有效地防止由于輪胎與輪輞錯(cuò)位而引起的驅(qū)動(dòng)力損失的情況。 此外，我們還對(duì)車身高度，以及底盤的形狀和質(zhì)量等，都進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和調(diào)整，均取得了不錯(cuò)效果。 由于今年賽題加入雙車追逐，所以做車的時(shí)候要求兩車的一致性很高，因此攝 像頭車選用 11 第二章 電路設(shè)計(jì)說明 智能車電路部分主要的模塊包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及其他周邊調(diào)試模塊。各模塊的總體設(shè)計(jì)原則是：緊湊、易于拆換、穩(wěn)定可靠。但根據(jù)各模塊的不同，又有不同的設(shè)計(jì)要求，本章對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述。 片機(jī)最小系統(tǒng) 這次設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)是 (以下簡稱 100 引腳封裝，這款單片機(jī)的運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量以及端口 (I/O, )足夠滿足智能車設(shè)計(jì)要求。 15 為了使電路板緊湊，較少車重，系統(tǒng)板僅對(duì)所用到的必要引腳引出，適當(dāng)留有備用端口，其中包括 口、 通 I/O 口、 口、 口等。端口作用規(guī)劃見表 表 片機(jī)端口規(guī)劃表 端口 作用 4、 6、 8、 9、 6 電磁傳感器 換 向舵機(jī)控制 速 8、 10， 3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 跑線檢測(cè) (干簧管 ) 市面上有多款 片機(jī)最小系統(tǒng)板出售，但是由于性能及價(jià)格并不符合我們智能車的設(shè)計(jì)要求，因此，我們自己設(shè)計(jì)了單片機(jī)最小系統(tǒng)板，電路板實(shí)物尺寸為 4242 源模塊設(shè)計(jì) 電源是為智能車各個(gè)模塊提供動(dòng)力的能量來源，周邊轉(zhuǎn)接電路是起到將最小系統(tǒng)板各個(gè)引腳引出的重要模塊，將兩者劃分到一塊不但可以更安全的讓所設(shè)計(jì)的電路工作，還可以減少設(shè)備中不必要的跳線。因此此段落分為兩部分，電源及周邊轉(zhuǎn)接電路。 12 源管理模塊 穩(wěn)定的電壓和合適的電流是電源的首要指標(biāo)，它是整個(gè)硬件系統(tǒng)的心臟，電源模塊的布線應(yīng)該尤為講究， 電流應(yīng)用足夠?qū)挼木€且還應(yīng)正反布線。相應(yīng) 5V 線可略微細(xì)些，最細(xì)的是信號(hào)線等。電源的不穩(wěn)定會(huì)帶來很多問題，比如電池沒有必要的損耗、單片機(jī)復(fù)位、舵機(jī)反應(yīng)遲鈍、比較電壓的不穩(wěn)定等問題，因此即使和周邊硬件電路做在了一起，也必須優(yōu)先考慮。智能車所需的電源電壓有 5V 和 。圖 智能車所需要的模塊及其供電。 圖 源分配規(guī)劃示意圖 根據(jù)規(guī)劃， 5V 供電我們選擇了 起 7805， 2940 的優(yōu)點(diǎn)是低壓差穩(wěn)壓，它的穩(wěn)壓壓差可以小于 500樣保證電池在低電壓的情況下 ，仍能使單片機(jī)和傳感器正常工作，同時(shí)， 輸出電流可以達(dá)到 1A11足夠供應(yīng)放大電路和鍵盤顯示電路的工作。設(shè)計(jì)原理圖如圖 示。 電我們使用了 片作為穩(wěn)壓芯片。其電路原理是該芯片的典型電路，在這里不做贅述。其原理圖如 示。 我們使用的 5V 穩(wěn)壓芯片是 文簡稱 比于其他芯片（ 7805， 2940 等）最顯著的特點(diǎn)就是低壓差穩(wěn)壓，穩(wěn)壓壓差可以小于 500樣的設(shè)計(jì)可以是我們的智能車在低電壓情況下仍可以正常工作，以免因?yàn)椴患皶r(shí)檢測(cè)電壓，使得小車不穩(wěn)定從而發(fā)生復(fù)位、碰撞等不必要危險(xiǎn)。圖 我們所使用的 原理圖。 電池供電 片機(jī) 感器 5V 舵機(jī) 6V 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 13 圖 壓電路原理圖 因?yàn)?供電等都是 壓，因此在設(shè)計(jì)上非常方便，我們直接使用 可。但是需要注意的時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，電源的導(dǎo)線需要謹(jǐn)慎處理，否則會(huì)給之后調(diào) 202 試等帶來極大的障礙和危險(xiǎn)。 感器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)中，傳感器分為四部分：主巡線傳感器（電磁感器）、起跑線傳感器（干簧管）、速度傳感器（光電碼盤）和攝像頭。 感傳感器的原理 根據(jù)競(jìng)賽組委會(huì)的相關(guān)規(guī)定，我們選用磁傳感器， 磁傳感器的應(yīng)用首先在于選型 ， 為了找出適合的磁傳感器， 我們 查閱 了許多的 產(chǎn)品資料 ，進(jìn)行了大量的電感測(cè)試，發(fā)現(xiàn) 只有在 10感中，得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線是較為規(guī)整的正弦波，頻率和賽道電源頻率一致，為 20值較其他型號(hào)的大，且隨導(dǎo)線距離變化，規(guī)律為近大遠(yuǎn)小。其他電感得到信號(hào)不好 ， 頻率幅值變化雜亂，不宜采用。 根據(jù)電磁學(xué)，我們知道 在導(dǎo)線中通入變化的電流（如按正弦規(guī)律變化的電流），則導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場(chǎng)中置一由線圈組成的電感，則該電感上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也應(yīng)該是不同。據(jù)此，則可以確定電感的大致位置。 傳感器信號(hào)處理電路 確定使用電感作為檢測(cè)導(dǎo)線的傳感器，但是其感應(yīng)信號(hào)較微弱，且混有雜1 2 3 4i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z a t e : 1 1 - A u g - 2 0 1 1 S h e e t o f F i l e : E : 我的工作 智能車 2 0 1 1 第六屆 硬件電路 電源 電源 . d r a w n B y :+C 0 24 7 0 14 7 1 2V i o u 2 9 4 0C 1 15 V N 2 14 波，所以要進(jìn)行信號(hào)處理。要進(jìn)行以下三個(gè)步驟才能 得到較為理想的信號(hào) ：信號(hào)的濾波，信號(hào)的放大，信號(hào)的檢波。 1）信號(hào)的濾波 比賽選擇 20交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場(chǎng)的干擾，因此信號(hào)放大需要進(jìn)行選頻放大，使得 20信號(hào)能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號(hào)的影響。使用 聯(lián) 諧振 電路來實(shí)現(xiàn)選頻電路（帶通電路），如圖 示。 圖 C 并聯(lián)電路 其中， E 是感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， L 是感應(yīng)線圈的電感 值 ， 電感的內(nèi)阻， C 是并聯(lián)諧振電容。電路諧振頻率為： f（ 已知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率 f =20應(yīng)線圈電感為 L=10以計(jì)算出諧振電容的容量為 C=0 。通常在市場(chǎng)上可以購買到的標(biāo)稱電容與上述容值最為接近的電容為 以在實(shí)際電路中選用 電容作為諧振電容。 2）信號(hào)的放大 由第一步處理后的電壓波形已經(jīng)是較為規(guī)整的 20弦波，但是幅值較小，隨著距離衰減很快，不利于電壓采樣，所以要進(jìn)行放大， 官方給出的如下參考方案即用三極管進(jìn)行放大，但是用三極管放 大有一個(gè)不可避免的缺點(diǎn)就是溫漂較大，而且在實(shí)際應(yīng)用中靜電現(xiàn)象嚴(yán)重 。 15 圖 射 三極管放大電路 因此我們放棄三極管放大的方案，而是采用集成運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)的放大處理，集成運(yùn)放較三極管優(yōu)勢(shì)是準(zhǔn)確受溫度影響很小，可靠性高。集成運(yùn)放放大電路有同相比例運(yùn)算電路和反相比例運(yùn)算電路，我們?cè)趯?shí)際中使用反相比例運(yùn)算電路。由于運(yùn)放使用單電源供電，因此在同相端加 的基準(zhǔn)電位，基準(zhǔn)電位由電阻分壓得到。 圖 大電路原理圖 傳感器的布局原理及改進(jìn) 對(duì)于直導(dǎo)線，當(dāng)裝有小車的中軸線對(duì)稱的兩個(gè)線圈的小車沿其直線行駛，即兩個(gè)線圈的位置關(guān)于導(dǎo)線對(duì)稱時(shí)，則兩個(gè)線圈中感應(yīng)出來的電動(dòng)勢(shì)大小應(yīng)相同、且方向亦相同。若小車偏離直導(dǎo)線，即兩個(gè)線圈關(guān)于導(dǎo)線不對(duì)稱時(shí)，則通過兩個(gè)線圈的磁通量是不一樣的。這時(shí)，距離導(dǎo)線較近的線圈中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)應(yīng)大于距離導(dǎo)線較遠(yuǎn)的那個(gè)線圈中的。根據(jù)這兩個(gè)不對(duì)稱的信號(hào)的差值，即1 2 3 4 5 6i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z a t e : 1 5 - A u g - 2 0 1 3 S h e e t o f F i l e : E : 我的工作 智能車 2 0 1 3 第八屆 硬件 A 組 國賽一體主板 0 7 2 8 . d r a w n B y :12J 3 1+ 5 V S+ 5 V S R E F 1R E F 11122 1R 1 1 R 1 2R 1 31122334488776655 0C 1 1R 1 56 可調(diào)整小車的方向，引導(dǎo)其沿直線行駛。 對(duì)于弧形導(dǎo)線，即路徑的轉(zhuǎn)彎處，由于弧線兩側(cè)的磁力線密度不同，則當(dāng)載有線圈的小車行駛至此處時(shí)，兩邊的線圈感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)是不同的。具體的就是， 弧線內(nèi)側(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于弧線外側(cè)線圈的，據(jù)此信號(hào)可以引導(dǎo)小車拐彎。 另外，當(dāng)小車駛離導(dǎo)線偏遠(yuǎn)致使兩個(gè)線圈處于導(dǎo)線的一側(cè)時(shí)，兩個(gè)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是不平衡的。距離導(dǎo)線較近的線圈中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)大于距離導(dǎo)線較遠(yuǎn)的線圈。由此，可以引導(dǎo)小車重新回到導(dǎo)線上。 由于磁感線的閉合性和方向性，通過兩線圈的磁通量的變化方向具有一致性，即產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，所以由以上分析，比較兩個(gè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小即可判斷小車相對(duì)于導(dǎo)線的位置，進(jìn)而做出調(diào)整，引導(dǎo)小車大致循線行駛。 采用雙水平線圈檢測(cè)方案 ，在邊緣情況下，其單調(diào) 性發(fā)生變化，這樣存在一個(gè)定位不清的區(qū)域（如圖 頭所指）。同一個(gè)差值，會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)位置，不利于定位。另外，受單個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大距離限制，兩個(gè)線圈的檢測(cè)廣度很有限。 圖 線圈差值 法 有定位不清區(qū)域 17 現(xiàn)提出一種優(yōu)化方案： 架設(shè)傳感器時(shí)也需要特別注意，為了更適合無賽道的新課題，我們將前瞻拉長至 46且在這基礎(chǔ)上抬高前瞻至 21而可以適應(yīng) 15坡 ,圖 我們架設(shè)的方法。 傳感器架設(shè)參數(shù)如圖 示。 跑線檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì) 按照比賽規(guī)則要求，跑完一圈后賽車需要自動(dòng)停止在起始線之后三米之內(nèi)的賽道內(nèi)。如圖 示，起始線是導(dǎo)引線兩邊的長度 10黑色線，起始線中間安裝有永久磁鐵，每一邊各三只。磁鐵參數(shù)：直徑 度 1面磁場(chǎng)強(qiáng)度 3000。 圖 跑線磁鐵布置示意圖 針對(duì)上述要求，利用干簧管設(shè)計(jì)起始線檢測(cè)。干簧管是磁機(jī)械效應(yīng)的磁場(chǎng)圖 磁感器安裝參數(shù)示意圖 18 傳感器，其內(nèi)部是一個(gè)常開觸點(diǎn)開關(guān)，在磁場(chǎng)強(qiáng)度超過其閾值時(shí)，開關(guān)閉合。不管車子以什么樣的姿態(tài)過起跑線，為了保證準(zhǔn)確率，我們使用了 6 個(gè)干簧管并聯(lián)為“線或”關(guān)系，任何一個(gè)干簧管檢測(cè)到磁鐵， 都會(huì)輸出高電平，程序檢測(cè)到上升沿后使賽車停車。干簧管排布示意圖如圖 示。 圖 外傳感器電路實(shí)物及安裝 離檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì) 圖 動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路為智能車驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供控制和驅(qū)動(dòng)，這部分電路的設(shè)計(jì)要求以能夠通過大電流為主要指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)電路的基本原理是 H 橋驅(qū)動(dòng)原理，目前流行的H 橋驅(qū)動(dòng)電路有： H 橋集成電路，如 成半橋電路，如 ；搭建的 H 橋電路。 我們對(duì)三種電路都進(jìn)行了搭建并測(cè)試， 優(yōu)點(diǎn)是電路簡單 12，外圍元件少，但缺點(diǎn)是內(nèi)阻較大，通過電流有限，可以通過兩片 聯(lián)的方式進(jìn)行改善。 19 搭建的 H 橋電路可以 通過較大電流，但由于每個(gè) 體積較大，因此電路板面積較大，另外， H 橋電路可能會(huì)發(fā)生脈沖上升沿下降沿由于不夠陡峭而帶來的瞬間短路、功率過高等問題，為了避免這些問題，無疑要增加電路復(fù)雜程度。 最終我們選擇了目前比較流行的兩 橋集成電路組成 H 橋。內(nèi)阻為上半臂 7半臂 9 全導(dǎo)通后全部內(nèi)阻為 16 通過電流為 43A13，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于智能車電機(jī)需求。電路原理圖如圖 示。 圖 建 H 橋電路原理圖 21 第三章 智能車軟件設(shè)計(jì)說明 軟件系統(tǒng)是對(duì)傳感器等輸入設(shè)備輸入的信息進(jìn)行處理，然后通過一定算法，得到控制輸出，對(duì)現(xiàn)有的硬件電路進(jìn)行調(diào)度和控制，從而使智能車按照賽道前進(jìn)。軟件系統(tǒng)要達(dá)到的最終目的是讓智能車更快更穩(wěn)的在賽道上行駛，從而真正達(dá)到“智能”。 軟件主要流程圖如圖 示。 下面的內(nèi)容中，我們著重介紹賽道信息提取、方向舵機(jī)控制、距離獲取、速度控制等主要部分。 22 道信息和兩車距離提取 賽道信息提取部分是最基礎(chǔ)的程序，之后的控制程序都源于賽道信息的正確提取，這部分程序主要包括硬件端口讀取、數(shù)據(jù)處理及分析歸類三部分。 首先介紹硬件端口信息讀取部分，為了存儲(chǔ)賽道信息，我們建立一個(gè) 來存儲(chǔ)當(dāng)前賽道掃描結(jié)果。程序如下： k=8; m=0,i=0,j=0; c=0,d=0; k!=0) , 12, 12);/ != = ; /求平均 獲取當(dāng)前掃描數(shù)據(jù)后，就要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取賽道信息，以便對(duì)賽道分類，判斷特殊賽道類型。根據(jù)傳感器測(cè)值和計(jì)算， 值和兩端傳感器電壓的比值（ 正比關(guān)系，計(jì)算 程序如下： i=0， m=0,j=0,k=0; ; ; 1); 度控制 速度控制并不像方向控制那樣精確，只要在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)速度即可，而誤差是允許的，因?yàn)樽鳛橹悄苘囘@個(gè)慣性系統(tǒng)來說，速度不會(huì)徒增驟減（與控制周期比較），因此我們使用了 P 控制，經(jīng)過調(diào)試，選擇合適的 P 系數(shù)后，加速可以很快也不會(huì)過沖，控制效果很好。 29 殊賽道類型判斷 根據(jù)賽道參數(shù)規(guī)定，特殊賽道類型主要有坡道和終點(diǎn)線。由于終點(diǎn)線靠干簧管通過上升沿中斷來檢測(cè)，比較簡單，所以，這部分我們對(duì)坡道類型判斷的原理進(jìn)行介紹。 因?yàn)槠碌缹?duì)于第五輪測(cè)速的車以及電磁傳感器來說，有一定影響，因此要進(jìn)行特殊處理。在臨近坡道的一段時(shí)間 內(nèi)，由于傳感器先是靠近你賽道，在一定范圍內(nèi)會(huì)增加磁力線的通過，且兩邊電感值同時(shí)變大的，繼續(xù)接近坡道的時(shí)候，由于傳感及更貼近賽道，導(dǎo)致磁力線幾乎與電感正交，兩邊傳感器值又會(huì)同時(shí)變小。 這個(gè)過程中，傳感器將出現(xiàn)同時(shí)變大再變小的現(xiàn)象，這在賽道別的部分基本不會(huì)發(fā)生。我們就靠這樣的規(guī)律來檢測(cè)坡道。 下坡其實(shí)也是這樣的一個(gè)過程，我們根據(jù)出現(xiàn)過一次后又出現(xiàn)一次這樣的現(xiàn)象來判斷坡道結(jié)束。 當(dāng)判斷坡道到來后，程序控制車身擺正，控制智能車前進(jìn)方向，直到通過坡道。 車距離控制 兩車距離較遠(yuǎn)時(shí)后車適當(dāng)提高目標(biāo)速度，兩車 距離太近時(shí)后車適當(dāng)降低目標(biāo)速度，使兩車距離保持在一定范圍內(nèi)，還要盡量避免兩車相撞 31 第四章 開發(fā)環(huán)境和調(diào)試方法 本章主要介紹設(shè)計(jì)中所需要用到的開發(fā)環(huán)境以及智能車制作時(shí)的一些調(diào)試方法和經(jīng)驗(yàn)。 發(fā)環(huán)境 開發(fā)環(huán)境包括硬件開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)環(huán)境，硬件開發(fā)環(huán)境我們主要使用的是 9本進(jìn)行開發(fā)。對(duì)于某些需要仿真的地方，我們選用了 圖 件開發(fā)環(huán)境 9次智能車大賽的軟件開發(fā)平臺(tái)為 發(fā)軟件。 括構(gòu)建平臺(tái)和應(yīng)用所必需的所有主要工具 - 譯器、調(diào)試器、編輯器、鏈接器、匯編程 序等。另外， 持開發(fā)人員插入他們所喜愛的工具，使他們可以自由地以希望的方式工作。 開發(fā)工作室將尖端的調(diào)試技術(shù)與健全開發(fā)環(huán)境的簡易性結(jié)合在一起，將 C/C+源級(jí)別調(diào)試和嵌入式應(yīng)用開發(fā)帶入新的水 平。開發(fā)工作室提供高度可視且自動(dòng)化的框架，可以加速甚至是最復(fù)雜應(yīng)用的開發(fā)，因此對(duì)于各種水平的開發(fā)人員來說， 創(chuàng)建應(yīng)用都是簡單而便捷的。它是一個(gè)單一的開發(fā)環(huán)境，在所有所支持的工作站和個(gè)人電腦之間保持一致。在每個(gè)所支 持的平臺(tái)上，性能及使用均是相同的。無需擔(dān)心主機(jī)至主機(jī)的不兼容。 在整個(gè)系統(tǒng)中我們主要用了 鐘 塊、 塊、串口模塊。 32 塊：我們采用其內(nèi)部定時(shí)模塊，定時(shí)周期為 1500 微秒，總共 4 個(gè)中斷，即一個(gè)程序周期為 6 毫秒 . 塊：此模塊為電機(jī)，打角舵機(jī) 號(hào)的頻率為 50機(jī)的 號(hào)的頻率為 15 塊：本系統(tǒng)采用 塊對(duì) 20流電進(jìn)行采樣。 試方法和經(jīng)驗(yàn) 從 節(jié)看出，本設(shè)計(jì)使用的開發(fā)環(huán)境非常普通，并沒有用到過多的特殊軟件，之所以能夠順利研發(fā)，得益于研發(fā)的整個(gè)過程，硬件電路制作前期，做了詳盡系統(tǒng)分析和需求分析，并做了很多基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；軟件制作前期，做了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)工作，程序編寫嚴(yán)格按照規(guī)范，先做流程圖，再做代碼規(guī)劃，然后才進(jìn)行代碼編寫，最后調(diào)試的過程也很規(guī)范。 件調(diào)試 首先，我們要根據(jù)需要的 技術(shù)指標(biāo)，查閱大量資料，尤其是數(shù)據(jù)手冊(cè)，進(jìn)行元件選型，然后確立硬件制作的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于每一個(gè)硬件模塊，都有不同的設(shè)計(jì)要求，比如最小系統(tǒng)板要求穩(wěn)定工作、輸入輸出端口滿足要求并適當(dāng)備份；電源模塊要求供電穩(wěn)定；傳感器電路則要求幾何精度和參數(shù)精度等。 為了提高精度，不得不制作電路版，而把實(shí)驗(yàn)用電路板送到制板廠加工制作無疑會(huì)帶來巨大的成本浪費(fèi)，節(jié)約成本是我們制作智能車必須考慮的。因此 我們通過學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了一種自己加工電路板的方法：三氯化鐵腐蝕覆銅板。有很多資料介紹這種方法，我們通過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行了改善，使 得加工精度達(dá)到最小線寬 8小線距 10些都足以滿足實(shí)驗(yàn)電路精度，不足的地方是我們的制作中，由于焊孔是手鉆制作，精度不高，所以焊盤最小只能到 70 輔助調(diào)試工具：在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作和調(diào)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 。所以對(duì)于 上的各種輔助設(shè)計(jì)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。 33 件調(diào)試 軟件調(diào)試主要包括：程序在線調(diào)試法、邏輯分析法、參數(shù)實(shí)驗(yàn)和輔助工具法。在線調(diào)試通常是使用 帶的調(diào)試工具，通過加入 斷電、單步執(zhí)行等方法進(jìn)行調(diào)試。邏輯分析法通常是把程序多余的計(jì)算當(dāng)部分剔除，只對(duì)程序框架進(jìn)行邏輯推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)邏輯問題進(jìn)行解決。 參數(shù)實(shí)驗(yàn)法一般是用于 參數(shù)的確定，這種方法通常需要調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，主要的數(shù)值確定使用的是兩分法原理。利用輔助工具調(diào)試是在車速提高以后，對(duì)行駛狀態(tài)進(jìn)行分析的必要調(diào)試手段，我們采用了 記錄行駛數(shù)據(jù)，錄像分析等方法。我們?cè)谶@方面的調(diào)試手段并不完善，還有待于以后的工作中進(jìn)一步改進(jìn)。 械調(diào)試 機(jī)械調(diào)試是我們最薄弱的環(huán)節(jié)，也是最值得研究的部分，因?yàn)闄C(jī)械理論的缺乏，我們的調(diào)試方法基 本以實(shí)驗(yàn)為主。 通常根據(jù)資料對(duì)當(dāng)前行駛狀態(tài)分析，然后按照理論進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的原則是盡量固定其他環(huán)節(jié)包括測(cè)試環(huán)境，只改變一個(gè)環(huán)節(jié)，然后進(jìn)行試跑，記錄下狀態(tài)，然后反復(fù)調(diào)整，試跑，總結(jié)規(guī)律。 基于 上位機(jī)與藍(lán)牙模塊及 的合作 雖然 著良好的在線調(diào)試功能，但是必要的實(shí)時(shí)調(diào)試仍是必須的，以往各屆喜歡采用無線模塊來實(shí)時(shí)通信傳遞數(shù)據(jù)，但是由于受無線傳輸速度的影響，會(huì)改變單片機(jī)對(duì)智能車控制周期和賽道信息采集周期，這樣在調(diào)試的時(shí)候車的速度路徑與不加無線時(shí)有區(qū)別，這也就是為什么我們分別采用兩種 方式進(jìn)行調(diào)試的原因。 實(shí)時(shí)性差但數(shù)據(jù)準(zhǔn)確全面，無線模塊實(shí)時(shí)性好，但數(shù)據(jù)不夠全面。 經(jīng)過研究，我們最后采用了 塊，非?？焖俚陌褌鞲衅鞯闹祵懭?中 ,通過串口發(fā)送至上位機(jī)中，記錄數(shù)據(jù)且顯示波形，通過分析數(shù)據(jù)獲得信息。 此外，用藍(lán)牙模塊對(duì)車運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行上位機(jī)觀測(cè)，今年的制作中，我們用 寫了上位機(jī)調(diào)試程序，但由于經(jīng)驗(yàn)不足，發(fā)現(xiàn)傳輸速率、可靠 34 性上有一些缺陷，編碼效率也不夠高，在今后的工作中，需要進(jìn)一步完善。 最終的用戶界面如圖 上位機(jī)可以顯示 4 個(gè)通道的數(shù)據(jù)，并可以保存這 4 個(gè)通道的數(shù) 據(jù)。 圖 于 上位機(jī) 35 第五章 總結(jié)與展望 在 這整整的一年備戰(zhàn)中，我們體會(huì)了很多，遇到挫折長久攻破不下的憂愁，燒壞單片機(jī)，各種電路板的悲傷，瓶頸突破時(shí)的喜悅，收獲友誼的快樂，這一年，我們成長了很多。 總結(jié)下來，我們做的主要工作有： 儀表放大電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)確定； 電磁傳感器電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)確定； 機(jī)械部件的設(shè)計(jì)、加工與制作，車上增加的機(jī)械部件全是我們手工制作，沒有一個(gè)是訂制加工的； 行駛狀態(tài)及賽道信息的分類采集； 各種電路的實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)； 控制算法和程序設(shè)計(jì)的研究及編寫、調(diào)試； 大量理論研究和基礎(chǔ)測(cè)試。 我們最大的收獲是打造了一個(gè)激情、團(tuán)結(jié)、拼搏、特別能吃苦的團(tuán)隊(duì)，隊(duì)伍中的成員像一家人一樣相親相愛。我們克服了各