湖南省光赛.docx

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湖南省光赛

第三届全国光电设计大赛理论方案报告

编号：

参赛题目：

基于光电导航的无人驾驶救援车

参赛队伍名称：

B310

所在学校：

长沙学院

队长姓名：

左忠凯

提交方案时间：

2013、7、9

第三届全国光电设计大赛组委会制

报告填写说明

1.编号由组委会填写，用于匿名评审；

2.参赛题目名称请填写“基于光电导航的无人驾驶智能车”或“激光反射法音频声源定位与语音内容解析”,请勿使用简称或非标准名称；

3.字数控制在4000字以内，尽量简洁明了；

4.理论方案正文为四号宋体，标题为三号黑体；

5.提交理论方案的文件（DOC和PDF文档）务必采用如下形式命名“学校名_赛题名简称（导航车或音频定位解析）_队名_队长姓名”；如“福建师范大学_导航车_光之队_王一”；邮件主题务必采用如下标准名称：

第三届全国大学生光电设计竞赛理论方案。

6.提交理论方案的截止时间2012年5月10日。

逾期未提交按自动弃权处理。

基于光电导航的无人驾驶救援车

、研究内容

设计并制作一辆光电导航无人驾驶救援车，在如图1所示赛

道上，要求从起点出发经历直线、圆弧、弯道、宽窄道、隧道桥梁最后进入救援区，救援区设置有四个待救援位置，其中一个放置1Hz闪烁LED指示灯，其余放置常亮LED指示灯，救援车根据1Hz闪烁LED灯提示选择位置停车；其中在直线段上标号为1-4

的4个区域，将放置窄道、宽道、隧道三种路况，具体位置任意；整个过程用时最短者胜出，

0.4xQ5米

3曲2狀

1.5米

图1、赛道

赛道设置在室内球场内，尺寸标注如图1所示，正常路面宽为

0.5米，用黑色绝缘胶带作为边界，010203均为1/4圆弧；标号1-4为路况设置区，其长度均为0.5米，其中窄道宽0.4米，宽道0.6米，隧道高0.4米/宽0.5米，用白色KT板材制作，其中窄/宽道、隧道中心线和赛道中心线重合，窄/宽道边线和赛道边线过渡

区域为45/135

个车位边界中心处放置LED指示灯。

二、研究方案

2.1系统总体方案设计

该系统采用STM32单片机为检测和控制核心；以激光传感器为路径检测传感器，自动检测跑道上的黑线；以光电三极管组成的LED灯检测阵列检测救援区的LED灯闪烁频率；以光电开关为隧道检测传感器；并根据采集到的黑线信息、救援区LED灯频率、道路信息（宽到、窄道、隧道）、小车速度信息，通过软件对小车进行转向和速度的控制整体结构框图如图2所示

图2、系统总体方案

2.2赛道采集模块

本组赛道检测模块采用的是激光传感器，激光传感器相对于红外

光电传感器有着很多明显的优点，激光传感器前瞻较大，激光经过调制以后不会受外界光线的影响，接收回来的数据数字化。

经过调制管调制的激光如果照在白色的赛道上，漫反射回来经过透镜聚焦在接收管上，接收管输出信号将由低电平变为高电平，二极管也会熄灭。

如果激光照在黑色的边线上，则激光不会反射回来，接收管就会保持低电平，二极管就会一直亮着。

这样接收管就输出了数字信号0和1，

将接收管的输出接到单片机的10口，这样单片机就读出了赛到信息。

激光管采集路面信息如图3所示。

图3、激光传感器采集路面信息原理

激光传感器安装的高度与倾角共同决定了前瞻的大小。

在本设计

中，最终选取的前瞻在50cm与60cm之间。

前瞻超过60cm后，有个别的光点在车子高速运行中会出现不稳定的现象。

而且我们在保证前

瞻足够的前提下，应尽量将激光探测板压低，以降低重心，保证车的稳定性。

探测板由两部分组成，两部分对称设计，重心偏向于内侧，激光板如图4所示。

图4激光传感器

激光板采用3对1（三个发射管对应一个接收管），一个激光板有四个接收管和12个发射管。

采用两个激光板，每个激光板分别识别一条黑线，两个激光板就反映出来路径的具体信息。

2.3光源设计

本赛题要求有终点由四个待救援区，其中一个放置1Hz闪烁的LED

指示灯，其余的放置常亮指示灯。

四个LED指示灯采用高亮LED手电筒，如图5所示

为了方便小车识别出待救援区，每个手电筒应加上遮光筒，使其在半圆区的圆心处互不干扰。

图5LED光源

2.4舵机模块

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电

压。

它内部有一个基准电路，产生周期为20ms宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出，如图6所示。

最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。

当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0,电机停止转动。

输入信号脉冲宽度

舵扒输出角度

图6输入信号脉冲宽度和舵机输出角度的关系图

2.5车体结构

车辆机械方面的调整无疑是影响速度的一个关键因素，所以本队

在车体结构设计、传感器模块安装、转向机构调整等方面进行了讨论，车体结构简单模型如图7所示。

车体结构设计应该从以下几个方面着手：

车身简捷、底盘稳定、控制灵活、行进快速。

转向舵机

k1

1

驰动电机

□

'ft!

）

一

图7车体结构简单模型

为保证赛车的稳定性，在安装各模块时应保证安装的左右对称和

前后轴载荷比适当。

根据实际情况车体会采用飞思卡尔车体，如图8

所示。

图8智能车车模

2.6待救援区识别

带救援区如图9所示，进入救援区域后是一个半径为2米的半圆形区域，在半圆形区域外分别为四个待救援区，四个救援区中有一个的LED灯以1Hz的频率闪烁。

其余的为全亮。

0.4x65米

图9待救援区

在终点有四个区域，其中有一个为待救援区，待救援区的LED灯

以1Hz的频率闪烁，其余的为常亮，所以检测待救援区其实就是检测哪个LED灯的频率。

使用光电三极管来检测LED灯的频率，在车子的前端向着四个LED的方向分别放置四个光电三极管检测模块，这样可以一次检测出四个方向的LED灯频率，节约时间。

为了节省时间在车子还未进入到半圆区域前就检测LED灯频率。

由于半圆区域内没有任何的导航标志，所以从检测到待救援区到停车位之间车子的控制是一个难点。

2.7速度检测模块

速度检测模块主要用于反馈实时速度，从而进行闭环控制。

我组采用光电编码器进行测速。

首先测得电机的转速，然后根据实验得到的比例关系，进而得到车轮的转速。

测速原理：

光电编码器由光源（发光管））光栅码盘和光敏元件组成，而光栅码盘有固定盘和旋转盘。

旋转盘与被测电动机通过齿轮连接。

在光栅码盘的一侧放置光源，另一侧放置光敏元件，当旋转盘的栅缝与固定盘的栅缝重叠时，光敏元件接收到光信号并导通，当两缝不重叠时，光敏原件接收不到光信号不导通，于是编码器就输出了脉冲。

由计数器记录脉冲个数可以测量电动机的旋转角度，若记录单位时间内的脉冲数，则可以测量电动机的转速。

三、技术路线及可行性分析

1、技术路线步骤一：

小车通过激光传感器检测道路信息，主控单元根据检测到的道路信息控制车子运行。

步骤二：

小车在行进的过程中要处理各种路况，检测各种路况并交由主控单元处理，窄道和宽道部分有激光管来检测，隧道部分有车子上的光电开关来检测。

步骤三：

当小车快要到达半圆形待救援区时，降低车速启动光电三极管阵列来检测四个LED灯的闪烁频率。

步骤四：

根据检测到的结果，控制小车向着待救援的那个区域前进。

步骤五：

快要到达待救援区的车库时，启动激光管来检测车库的信息，控制小车准确入库。

2、可行性分析

（1）、激光传感器的安装

激光传感器的安装如图10所示，左右两侧的激光管负责采集赛道的信息。

激光管采用3对1的方式（3个发射管对1个接收管），

每侧的发射数为，保证了赛道采集的准确性。

（2）、最小转弯半径分析

任何汽车在转弯时都有转弯半径，图11为汽车转变示意图。

设R为汽车纵向的对称面到瞬时转向中心0的距离，L为两轴距，K为前轮主轴轴线的距离，B为外侧转向轮转角，则

R=L/sin

具体到本次大赛使用车模：

L=25.0cm,经过一定的改造，前轮的最大

转角B=48度，由上式得：

最小转弯半径

R=33.6cm

汽车转弯时，前后轮都会产生侧偏角。

如果前后轮侧偏角相等，则汽车实际转弯半径等于方向盘转角对应的转弯半径，称为"中性转向";如果前轮侧偏比后轮大，汽车实际转弯半径大于方向盘转角对应的转弯半径，称为"不足转向"；如果后轮侧偏比前轮大，汽车实际转弯半径小于方向盘转角对应的转弯半径，称为"过度转向"。

中性转向虽然能较好地利用侧向力（与车轮前进方向垂直的分量），达到最大的转向速度，但却无法预计汽车的制动甩尾。

而过度转向当车速达到某一极限时，转向半径会急剧减少，汽车会发生激转，致使赛车失控。

不足转向产生相对较大的转向半径，侧向力减弱，赛车具有自动恢复直线行驶的良好稳定性，操纵容易。

在这种情况下，制动甩尾的发生会使汽车回到原来直驶的路线，使赛车的可控性稳定性增加。

四、拟解决的关键问题

4.1激光传感器的个数与安装怎样合理的选择激光传感器的个数以及传感器安装的高度、位置和角度，才能保证车辆能正确的检测出赛道信息

4.2四个路况的处理怎么用激光传感器检测出四个路况点的不同路况信息。

4.3待救援区的检测问题根据前面的分析，由于光场叠加的问题导致在半圆的圆心位置四

个LED灯会出现干扰，怎样减小甚至消除这种干扰是一个很严重的问题

4.4小车入库问题检测到待救援区后，小车要驶入半圆形后面的车库，由于半圆形区域没有任何的路线，怎样准确的控制小车从半圆形区域准确的驶入

到车库4.5车速的分配

怎样合理的分配车速，使小车在整个比赛过程中耗时最短。

尤其在拐弯和入库时，如何实现小车车速和舵机的转角合理配合，使小车顺利转弯和入库。

五、特色与创新点

六、时间进度安排

七、经费预算

八、参赛队伍简介

九、其他说明