本設(shè)計(jì)以第十六屆全國大學(xué)生智能汽車競賽節(jié)能信標(biāo)組賽題要求規(guī)范為背景，結(jié)合3D打印技術(shù)、PCB制板技術(shù)等制作一輛以英飛凌單片機(jī)為核心控制單元的節(jié)能信標(biāo)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(shí)現(xiàn)尋燈、滅燈、避障等任務(wù)，同時(shí)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(gè)人交通工具的后續(xù)研究提供經(jīng)驗(yàn)。

組 別：節(jié)能信標(biāo)組     

學(xué) 校：哈爾濱工業(yè)大學(xué)   

隊(duì)伍名稱：紫丁香五隊(duì)     

參賽隊(duì)員：馬銘成 榮振帥 曹廣旭

指導(dǎo)教師：宋凱 董帥      

帶隊(duì)教師：張依                         

第一章 引言

1.1 智能車大賽介紹

全國大學(xué)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(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)（以下簡稱自動(dòng)化分教指委）主辦全國大學(xué)生智能汽車競賽。該競賽以智能汽車為研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競賽之一，為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革。該競賽以"立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越"為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)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(duì)提供/購置規(guī)定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺(tái)，競賽過程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過程。該競賽融科學(xué)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(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競賽規(guī)則透明，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)客觀，堅(jiān)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(biāo)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(shè)計(jì)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(biāo)發(fā)送的無線電能。

  信標(biāo)燈為扁平狀，車?？梢孕旭偟叫艠?biāo)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(jī)。

  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(chǎng)地與任務(wù)

信標(biāo)在點(diǎn)亮后同時(shí)會(huì)發(fā)送高頻無線功率信號(hào)（150kHz）和紅色、紅外燈光用于導(dǎo)引車模前往。發(fā)送的高頻無線功率信號(hào)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(shí)，車模從第一個(gè)信標(biāo)開始接受電能，自行啟動(dòng)去往下一個(gè)信標(biāo)。當(dāng)車模運(yùn)行到信標(biāo)上之后，信標(biāo)的燈便切換到下一個(gè)信標(biāo)，但本地的信標(biāo)依然發(fā)送無線電能，直到車模離開本地的信標(biāo)燈，本地信標(biāo)停止發(fā)送無線電能，下一個(gè)信標(biāo)燈開始發(fā)送無線信號(hào)。

信標(biāo)對(duì)抗組別中的磁標(biāo)數(shù)量、安裝方式不限。

1.3 報(bào)告內(nèi)容

在這份報(bào)告中,我們小組通過對(duì)小車設(shè)計(jì)制作的結(jié)構(gòu)，電路，調(diào)試，車輛參數(shù)的介紹,盡力展現(xiàn)我們?cè)谥谱髡{(diào)試過程中的思路和付出的汗水。具體表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作,以及算法方面的思維想法。這份報(bào)告是我們小組三人共同努力，精益求精改進(jìn)后的結(jié)果。

第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本章主要講述我們?cè)跈C(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2.1 方案確定

節(jié)能信標(biāo)組對(duì)于車模的選型、結(jié)構(gòu)沒有限制，比較合適的方案有三輪和四輪。三輪車整體結(jié)構(gòu)簡單、車模容易設(shè)計(jì)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(biāo)高速性與靈活性的要求；四輪車由于加入了舵機(jī)整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、車模很難設(shè)計(jì)得輕巧節(jié)能、控制起來也會(huì)更加復(fù)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(duì)，我們最終選擇了四輪車模。

2.2 整體結(jié)構(gòu)

完全獨(dú)立設(shè)計(jì)一輛四輪車難度較大，考慮到備賽時(shí)間比較緊張、參賽隊(duì)員水平有限等因素，我們最終決定以傳統(tǒng)C車模為基礎(chǔ)，借鑒C車模的設(shè)計(jì)思路及部分結(jié)構(gòu)，搭建一輛雙電機(jī)加舵機(jī)的四輪車,車模以攝像頭、編碼器、陀螺儀作為傳感器。

▲ 圖2.1  C型車模

2.3 后輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

后輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用C車模的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以更加方便的改變傳動(dòng)比，考慮到車模尺寸和電機(jī)與傳統(tǒng)C車模不同，我們采用3D打印件制作了電機(jī)支架和傳動(dòng)軸固定支架，以實(shí)現(xiàn)較好的齒輪傳動(dòng)。

▲ 圖2.2  后輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.4 前輪結(jié)構(gòu)

考慮到車模會(huì)經(jīng)過藍(lán)臺(tái)，為了減小震動(dòng)，前輪需要懸掛結(jié)構(gòu)。前輪懸掛自行設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，因此我們采用了C車模的懸掛結(jié)構(gòu)并適當(dāng)修改，用3D打印件固定舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向。

▲ 圖2.3  舵機(jī)支架

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(jìn)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(zhuǎn)向，我們使用了兩個(gè)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(jī)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?cè)谲嚨装迳洗蚩?，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(yán)格控制攝像頭高度，同時(shí)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(zhì)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(jīng)過長時(shí)間的嘗試，最終攝像頭的高度定為30cm左右，并且調(diào)整角度，使其前瞻大約在10m左右，這樣既能識(shí)別到遠(yuǎn)處的信標(biāo)燈（保證能夠接收到足夠的亮度），又不會(huì)受到太多雜光干擾。兩個(gè)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(yùn)行過程中攝像頭的穩(wěn)定性。

2.7 電機(jī)、舵機(jī)選型

在車模整體設(shè)計(jì)中，重中之重的是電機(jī)的選擇，這關(guān)系到控制和功耗這兩個(gè)至關(guān)重要的問題。我們的選擇有直流電機(jī)，空心杯電機(jī)和無刷電機(jī)。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(jī)，通過選擇合適的傳動(dòng)比可以獲得較高的速度和較大的轉(zhuǎn)矩。

舵機(jī)對(duì)于車模的轉(zhuǎn)向至關(guān)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(jī)。金屬舵機(jī)不僅體積小，而且控制精度高、響應(yīng)速度快，完全滿足車模對(duì)于轉(zhuǎn)向的要求。

2.8 車模主要技術(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 2.1。

▲ 圖2.3.1  表格：智能車主要技術(shù)參數(shù)

▲ 圖2.4 智能車實(shí)物

第三章 無線充電部分設(shè)計(jì)

3.1 無線充電原理

無線充電技術(shù)的應(yīng)用在現(xiàn)今電動(dòng)汽車領(lǐng)域、手持電子設(shè)備、人體醫(yī)療器械、通信領(lǐng)域也都有著非常廣泛的應(yīng)用，利用電磁互感現(xiàn)象，通過磁場(chǎng)耦合的兩個(gè)線圈可以完成電能的傳輸。將感應(yīng)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(huì)在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。經(jīng)過整流之后，便可以形成可以充電的直流電流。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的充電。

▲ 圖3.1 無線充電示意圖

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(jié)構(gòu)，我們?cè)赟imulink上仿真了這一結(jié)構(gòu)。通過理論分析和仿真驗(yàn)證，我們得出了線圈互感、負(fù)載阻抗等對(duì)充電功率和效率的影響，為我們?cè)O(shè)計(jì)接收端電路奠定了基礎(chǔ)。

▲ 圖3.2  無線充電仿真

3.3 無線充電接收線圈、磁環(huán)電感制作

無線充電頻率設(shè)定為150kHz，為了降低集膚效應(yīng)，我們采用了高頻利茲線自己繞制線圈，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)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(shù)和線圈內(nèi)徑、外徑和繞制圈數(shù)等有關(guān)。為了減少線圈上的損耗、滿足接收端對(duì)于電壓的需求、滿足安裝要求，我們?cè)诒M可能增大線圈外徑的情況下減小線圈匝數(shù)，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(shù)和繞制圈數(shù)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

無線充電接收電路有LCC和LC兩種結(jié)構(gòu)。

（1）LCC

  接收端等效電路為：

▲ 圖3.3  LCC結(jié)構(gòu)接收端電路

經(jīng)過推導(dǎo)計(jì)算，接收端各元件的參數(shù)分別為：

將電路進(jìn)項(xiàng)簡化分析：

▲ 34。LCC結(jié)構(gòu)等效電路

輸入阻抗：。負(fù)載電流：。

由分析可知，負(fù)載電流與接收端電壓有效值和電路阻抗X有關(guān)，而與負(fù)載阻抗無關(guān)，因此理論上可實(shí)現(xiàn)硬件恒流。但在實(shí)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

▲ 圖3.5 LCC 接收電路結(jié)構(gòu)

LC結(jié)構(gòu)不能雖然不能實(shí)現(xiàn)硬件恒流，但接收電路更加簡單，更容易使整個(gè)電路出于諧振狀態(tài)。經(jīng)過不斷比較，我們發(fā)現(xiàn)只要合理的繞制接收端線圈也可以達(dá)到較大的接收功率，平均接收功率不低于LCC結(jié)構(gòu)?？紤]到這些因素，我們最終采用了LC結(jié)構(gòu)。

3.5 超級(jí)電容選擇

前期賽題要求是滅25個(gè)燈比時(shí)間長短，經(jīng)過多次跑車實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)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(lián)兩組5串40F電容，超級(jí)電容選擇低ESR的類型。

第四章 硬件電路的設(shè)計(jì)

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(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：節(jié)能、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。

4.1 電源模塊設(shè)計(jì)

由于我們是超級(jí)電容供電，所以電源模塊的設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要，電源的首要指標(biāo)是可靠性，整個(gè)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(huì)引起損耗、單片機(jī)復(fù)位、舵機(jī)及傳感器損毀等嚴(yán)重問題；另外，與傳統(tǒng)的電池供電不同，超級(jí)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(shí)，還要有穩(wěn)壓的模塊。

4.1.1 電壓需求

電源設(shè)計(jì)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(xiàn)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(jù)規(guī)劃，3.3V供電我們選擇了TPS63070開關(guān)電源芯片,對(duì)于這款芯片，其輸入范圍為2V-16V，而輸出可調(diào)，并且輸出電流可以達(dá)到2Ａ，足以滿足單片機(jī)、傳感器、外圍電路正常工作所需要的電流。設(shè)計(jì)原理圖如下圖所示。

▲ 圖4.1 3.3V 電源電路

攝像頭的供電電壓也是3.3V，但是其對(duì)電源質(zhì)量有較高的要求，開關(guān)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(dú)加了一級(jí)線性穩(wěn)壓給攝像頭供電，使攝像頭獲取圖片的質(zhì)量得到保證。

▲ 圖4.1.1 3.3V攝像頭電壓

6.5Ｖ舵機(jī)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(qū)動(dòng)舵機(jī)所需的電流，且效率較高。原理圖如下。

▲ 圖4.2 6.5V穩(wěn)壓電路圖

4.2 驅(qū)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 MC33886；集成半橋電路，如 BTN7971 等；MOS 管搭建的 H 橋電路。

對(duì)于節(jié)能組，為了選出一個(gè)低功耗的驅(qū)動(dòng)方案，我們對(duì)比三種電路都進(jìn)行了搭建并測(cè)試，MC33886 的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，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 MC33886 并聯(lián)方式進(jìn)行改善；BTN7971是集成半橋電路，電路簡單，只需要簡單的幾個(gè)外圍電阻，缺點(diǎn)是輸入電壓要高于5V才能正常工作，但是對(duì)于超級(jí)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(shè)計(jì)也較為復(fù)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(shí)仍能正常工作，但電路較為復(fù)雜，元器件也較多。對(duì)比三種方案，我們選擇了ＩＲ２１０４＋MOS管搭建的H 橋電路作為驅(qū)動(dòng)電路，下面是電路原理圖。

▲ 圖4.3  驅(qū)動(dòng)電路

4.3調(diào)試電路設(shè)計(jì)

調(diào)試電路在車模調(diào)試過程中是必不可少的，可以直觀的顯示智能車的參數(shù)和狀態(tài)，并且可以方便地修改參數(shù)。調(diào)試電路包括：五向按鍵、WIFI、OLED接口、蜂鳴器、撥碼。

▲ 圖4.4 調(diào)試電路

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(chǔ)。我們?cè)O(shè)計(jì)的智能車使用紅外攝像頭來獲取信標(biāo)位置信息，采用魯棒性很好的PID算法控制智能車的轉(zhuǎn)向和速度控制，使得在尋燈的過程中智能車達(dá)到快速的效果。由于賽題的要求是三分鐘的時(shí)間智能車充電和跑車，因此使用適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂品桨负托旭傔^程中的策略選擇就成了能否節(jié)約電能從而達(dá)到滅更多燈的關(guān)鍵，接下來將進(jìn)一步進(jìn)行解釋。

5.1 圖像采集與處理

本智能車采用的是2個(gè)逐飛的170度紅外攝像頭，前后分別一個(gè)。在單片機(jī)采集圖像后需要對(duì)其進(jìn)行處理，以提取主要的圖像信息。對(duì)于節(jié)能信標(biāo)組，需要提取的就是亮著的信標(biāo)燈的坐標(biāo)。十六屆信標(biāo)燈的燈罩是扁平的，距離較遠(yuǎn)時(shí)，接收到的光較弱，而且由于場(chǎng)地?zé)艄夂吞柟獾拇嬖?，?huì)存在雜點(diǎn)、光斑，對(duì)信標(biāo)燈的識(shí)別有著很大的影響。因此，在軟件上必須排除干擾因素，對(duì)圖像進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)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(biāo)燈的坐標(biāo)、信標(biāo)燈的長、寬、面積、周長，以及信標(biāo)燈距離。由于信標(biāo)燈為扁平狀，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，接收到的光比較少，提取到的信標(biāo)燈僅為一個(gè)像素點(diǎn)；距離較近時(shí)，形狀近似為一個(gè)橢圓。

當(dāng)場(chǎng)地光線足夠理想時(shí)，通過固定閾值二值化，便可將場(chǎng)地與信標(biāo)燈區(qū)分開，再通過連通域提取，即可精確地收集到信標(biāo)燈的所有信息。當(dāng)場(chǎng)地光線不夠理想時(shí)，當(dāng)信標(biāo)燈的距離較近時(shí)，由于圖像畫面中信標(biāo)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(biāo)燈即可；當(dāng)信標(biāo)燈距離較遠(yuǎn)時(shí)，由于信標(biāo)燈在畫面上僅為一個(gè)像素點(diǎn)，所以雜光會(huì)對(duì)信標(biāo)燈的提取造成很大的困難，甚至一些雜光的亮度大于信標(biāo)燈的亮度，僅通過固定閾值很難提取出真正的信標(biāo)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?yàn)檩^遠(yuǎn)處的信標(biāo)燈只有一個(gè)像素點(diǎn)，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(yuǎn)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(biāo)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(jì)算信標(biāo)燈的坐標(biāo)和形狀，來去除一些形狀不可能是信標(biāo)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(biāo)燈最近的連通域作為信標(biāo)燈的位置，來計(jì)算其各個(gè)信息。

5.2 信標(biāo)位置提取

首先通過前攝像頭采集的圖像進(jìn)行圖像處理，來判斷前方是否有信標(biāo)燈。如果正前方采集到了信標(biāo)燈的信息，那么便通過這個(gè)信息提取出其坐標(biāo)，以坐標(biāo)為基礎(chǔ)來控制車的運(yùn)動(dòng)。如果前攝像頭采集到的圖片中沒有信標(biāo)燈的信息，那么這時(shí)候?qū)髷z像頭進(jìn)行圖像處理，來判斷信標(biāo)燈和車的相對(duì)位置，從而確定轉(zhuǎn)向方向。整體邏輯在狀態(tài)機(jī)中體現(xiàn)。

5.3 PID運(yùn)動(dòng)控制算法

【通用原理部分，此處省略3000字...】

5.4 舵機(jī)控制和速度控制

我們對(duì)速度的要求是穩(wěn)定，在運(yùn)行的過程中調(diào)節(jié)時(shí)間小，視為一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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PI控制，經(jīng)過調(diào)試，選擇合適的PI系數(shù)后，加速可以很快也不會(huì)過沖，控制效果很好。對(duì)于舵機(jī)，我們要求其能快速響應(yīng)并且不會(huì)出現(xiàn)振蕩，能夠快速且平穩(wěn)地根據(jù)信標(biāo)燈的位置確定具體的打角，因此我們使用PD控制，經(jīng)過調(diào)試，選擇合適的PD系數(shù)后，可以配合速度控制使智能車快速轉(zhuǎn)向并保持直道平穩(wěn)行駛。

▲ 圖5.4  速度控制測(cè)試曲線

5.5 策略選擇

對(duì)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(jīng)過燈罩時(shí)會(huì)補(bǔ)充很少一部分電能；另一種是初始時(shí)充很少一部分電，再跑一些燈后停在某一個(gè)燈上進(jìn)行充電，即中途補(bǔ)電；

兩種方法都有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，對(duì)于中途充電，他可以節(jié)省前期充電時(shí)間，并且讓小車幾乎維持在一個(gè)恒定的電壓值，既保證了速度，又延長了小車的總體行駛時(shí)間。理論上來說，小車可以一直行駛，不會(huì)出現(xiàn)無電停車的情況，但是這種方法的劣勢(shì)也較為明顯。

首先來說，對(duì)于快速行駛小車在停車補(bǔ)電時(shí)勢(shì)必要急停減速，不節(jié)能，而且最大的問題在于能否準(zhǔn)確停在一個(gè)能接收到最多電能的位置，之前我們嘗試?yán)梦恢铆h(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)控制的方法停車，最后的效果也不是很理想，會(huì)存在無法停在燈上合適的位置，甚至無法停在燈上的問題，究其原因，是因?yàn)槲覀兊男≤囋谠O(shè)計(jì)之初就是將線圈放在了車底，這樣對(duì)于四輪車來說，可以保證重心集中，車身姿態(tài)較好，但是因?yàn)闊粽殖驶⌒巍?/p>

對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的四輪車來說，根本無法呈現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定姿態(tài)停在燈罩上，就算停住了，因?yàn)樽藨B(tài)較差，充電的效率遠(yuǎn)不及初始放置時(shí)。其次，中途補(bǔ)電不符合我們?cè)O(shè)計(jì)這輛車時(shí)的初衷，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的想法就是追求更快的速度，因此無論從電機(jī)選擇還是車身機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上來說，都是為了速度服務(wù)，中途補(bǔ)電不利于我們四輪車連貫行駛，會(huì)影響整體的速度，而且對(duì)我們來說，總體的充電時(shí)間并沒有減少，因此綜合所有因素考慮，我們得出的結(jié)論是中途充電比較適合一些輕量而且省電的小車，對(duì)于我們這種重且耗電來追求速度的車來說，還是選擇充電一次，跑完全程的策略。

5.6 輔助車模調(diào)試程序設(shè)計(jì)

輔助調(diào)試程序有兩個(gè)部分，一是基于鍵盤顯示與按鍵的PID 參數(shù)輸入程序，二是基于WIFI模塊的無線通信數(shù)據(jù)發(fā)送程序。

第六章 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境與車模調(diào)試

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PC 機(jī)。所以對(duì)于PC 機(jī)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。

6.1 ADS的使用

我們今年選用的單片機(jī)為英飛凌公司的TC264，我們邊學(xué)習(xí)邊不斷實(shí)踐。在老師和學(xué)長的幫助下逐漸熟悉了對(duì)單片機(jī)的使用。

6.2 人機(jī)交互工具

在調(diào)試過程中需要不斷地修改變量的值來達(dá)到整定參數(shù)的作用，對(duì)此我們選用了液晶屏配合按鍵和撥碼開關(guān)的調(diào)試方法。此外，比賽的時(shí)候，修改參數(shù)我們同樣用這個(gè)模塊進(jìn)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(diǎn)。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(shè)計(jì)五向按鍵以及4個(gè)撥碼開關(guān)進(jìn)行調(diào)參，顯示，方案選擇等部分。

▲ 圖6.1  液晶屏顯示界面

6.3 WIFI及上位機(jī)調(diào)試

車在同樣的賽道上走過的路都是不一樣的，所以無論怎么考慮車的狀態(tài)都是不夠完全的，因此需要對(duì)運(yùn)行中的車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了解決這個(gè)問題，我們使用WIFI模塊配合上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)車模運(yùn)行狀態(tài)。如圖6.2所示。

▲ 圖6.2  上位機(jī)示波器

第七章 總結(jié)

7.1車?？偨Y(jié)

7.1.1控制方面

  采用PID進(jìn)行速度，轉(zhuǎn)向控制，利用攝像頭進(jìn)行尋燈。

7.1.2結(jié)構(gòu)方面

  盡力做到了結(jié)構(gòu)的合理性與簡潔性，將車模重量分布盡可能合理化，車模設(shè)計(jì)全為自己進(jìn)行。

  電路板均為自己設(shè)計(jì)與焊接，完成了充電，轉(zhuǎn)壓，采集，控制等各項(xiàng)任務(wù)。

  自己繞制線圈，配置電容模組以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和獲能。

7.1.3不足之處

  車模的功耗還是有很多應(yīng)該避免的地方有待解決，車模的結(jié)構(gòu)還有較大的優(yōu)化空間，充電效率依然有較大的提升空間。

7.2工作綜述

在比賽的準(zhǔn)備期間,我們小組成員涉獵機(jī)械學(xué)，電力電子學(xué)，控制科學(xué)，傳感器應(yīng)用，計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。通過數(shù)月的智能車制作，我們學(xué)到了很多實(shí)踐能力，從方案選擇、更改、重新設(shè)計(jì)到實(shí)施方案，細(xì)調(diào)參數(shù)，機(jī)械和硬件制作，軟件編寫，各方面都有深刻的體會(huì)，每一個(gè)細(xì)致的工作都會(huì)為小車這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來正面的影響，而每個(gè)疏漏，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不協(xié)調(diào)。這次比賽對(duì)我們的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)有極大的推動(dòng)作用,同時(shí)也加深了隊(duì)友之間的感情，為自己的未來添磚加瓦。我們感謝英飛凌公司提供了如此一個(gè)好的平臺(tái)來讓我們展現(xiàn)自我，小車在賽道上的馳騁，無疑也是我們那顆年輕的心的馳騁!

因?yàn)闀r(shí)間倉促，水平有限，有很多疏漏或者錯(cuò)誤，也很遺憾沒有更加細(xì)致的寫出整個(gè)設(shè)計(jì)方案，衷心希望老師對(duì)我們的工作提出寶貴的意見，給我們指點(diǎn)，讓我們?cè)诮窈蟮墓ぷ鲗W(xué)習(xí)中獲取更多的進(jìn)步。

致 謝

借書寫技術(shù)報(bào)告的機(jī)會(huì)向幫助過我們的指導(dǎo)老師，哈工大智能車社團(tuán)的學(xué)長們，哈工大學(xué)校、學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)以及組委會(huì)的老師，表示深深地謝意！

更要向隊(duì)內(nèi)的隊(duì)友表示深深地感謝，感謝陪伴在一起的日日夜夜！通過參賽，我們學(xué)會(huì)了很多！

最后，向沒有機(jī)會(huì)出現(xiàn)在隊(duì)員名單中的幕后英雄致敬！

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