基于飞思卡尔k60芯片控制下的智能汽车大学论文Word格式文档下载.docx

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2.2.1前轮前束-9-

2.2.2主销后倾角-11-

2.2.3主销内倾角-11-

2.2.4车轮外倾角-11-

2.3智能车转向机构调整优化-12-

2.4智能车后轮减速齿轮机构调整-13-

2.5编码器的安装-14-

2.6智能车重心位置的调整-14-

2.7其它机械结构的调整-14-

第三章电路设计说明-16-

3.1主控板和驱动板的硬件设计-16-

3.1.1电源管理模块-16-

3.1.2电机驱动模块-18-

3.1.3数模信号转换-19-

3.1.4单片机及其他电路部分设计-19-

3.2智能车传感器模块设计-22-

3.2.1电感传感器的原理-22-

3.2.2磁传感器信号处理电路-22-

3.2.3传感器的布局原理及改进-25-

第四章智能车控制软件设计说明-28-

4.1底层初始化-28-

4.2传感器采集处理算法-29-

4.3寻线行驶算法实现-30-

4.3.1定位算法-30-

4.3.2基于位置式PID的方向控制-32-

4.3.3基于增量式PID的速度控制-34-

4.3弯道策略分析-34-

4.4弯道策略制定-36-

第五章开发工具、制作、安装、调试过程说明-39-

5.1开发工具-39-

5.2调试过程-39-

5.2.1上位机系统-39-

5.2.2控制算法的参数整定-41-

5.3整车机械方面的调整-42-

第六章模型车的主要技术参数说明-43-

结论-44-

参考文献-45-

第一章方案设计

本章主要简要地介绍智能车系统总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。

1.1系统总体方案的设计

根据第九届飞思卡尔组委会公布的竞赛规则及相关规定，智能车系统采用大赛组委会统一提供的C型车模，控制器我们则选择了组委会允许下的32位微控制器k60作为核心控制器，在IAR开发环境中进行软件开发。

赛车的位置信号由车体前方固定在前瞻上的六路电磁传感器采集，经内部AD进行模数转换后，加以处理后输入到控制核心，作为处理智能车运动控制的核心信息。

通过欧普龙（500线）编码器（两个）测速模块来检测车速，并采用K60的输入捕捉功能进行脉冲计数计算速度及差速控制；

电机转速控制采用PID控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的转速，完成智能车速度的闭环控制。

图1.1.1电磁车整体布局

我们使用红树伟业的BLK-MD-BC04-B蓝牙模块与上位机通讯，发送小车运行的各项参数，从而对小车进行调试。

图1.1.2蓝牙模块

产品特征：

1、电源电压3.3V，未配对时电流约2-10mA，配对后约20mA，绝对禁止接反电源！

2、接口电平3.3V，可以直接连接各种单片机（51，AVR，PIC，ARM，MSP430等），5V单片机也可直接连接，无需MAX232也不能经过MAX232！

3、led引脚指示蓝牙连接状态，输出脉冲表示没有蓝牙连接，输出高表示蓝牙已连接并打开了端口

状态指示LED：

PIO

（1）

用于指示蓝牙模块所处状态，LED灯闪烁方式与蓝牙模块状态对应见下表：

4、模块与电脑接，接MAX3232芯片后接到电脑的串口

5、空旷地有效距离15米左右，但不对此距离的连接质量做保证

6、配对以后当全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议，但仅支持8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式，这也是最常用的通信格式，不支持其他格式。

7、在未建立蓝牙连接时支持通过AT指令设置波特率、名称、配对密码，设置的参数掉电保存。

蓝牙连接以后自动切换到透传模式

8、体积小巧（2.7cm*1.3cm），工厂贴片生产，保证贴片质量。

9、该链接为从机，从机能与各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、大部分带蓝牙的手机、PDA、PSP等智能终端配对，从机之间不能配对

主从模式设置：

硬件设置：

主模式：

1、将PI0（4）—软/硬件主从设置口：

置低（或悬空）为硬件设置主从模式

2、将PIO（5）—硬件主从设置口：

置3.3V高电平

从模式：

1、将PI0（4）——软/硬件主从设置口：

2、将PIO（5）——硬件主从设置口：

置地（或悬空）

软件设置：

2、打开超级终端或其他串口调试工具设置波特率9600，数据位8位，停止位1位，无校验位，无流控制。

3、串口发送字符“AT+ROLE1\r\n”，成功返回“+ROLE=1\r\nOK\r\n”，其中\r\n为回车换行

3、串口发送字符“AT+ROLE0\r\n”，成功返回“+ROLE=0\r\nOK\r\n”，其中\r\n为回车换行

为简便实用，我们采用了硬件设置方案。

1.2系统总体方案设计图

图1.2系统总体方框图

根据以上系统方案设计，赛车共包括七大模块：

四轮定位、K60主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、蓝牙调试模块。

各模块的作用如下：

四轮定位，从机械方面提高智能车的性能指标不容忽视。

K60主控模块，作为整个智能车的“大脑”，将采集10mh电感传感器放大信号、欧普龙编码器脉冲信号等，根据所编写控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机运行从而完成对智能车的控制。

电感传感器模块，是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。

电源模块，为整个电路系统提供稳定电源。

电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。

速度检测模块，检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。

蓝牙调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。

第二章智能车机械结构调整与优化

智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。

从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进和提高。

本章将主要介绍智能车车模的机械结构和调整方案。

2.1智能车车体机械建模

此次比赛选用的赛车车模采用A型车模。

赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。

控制采用前轮转向，后轮驱动方案。

我们对机械结构的要求是：

简单而高效。

我们在不断的尝试后确定了以下的设计方案：

图2.1智能车器件布局图

2.2智能车前轮定位的调整

现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，其主要的参数有：

主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。

智能车竞赛模型车的四项参数都可以调整，但是由于模型车加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着一些偶然性。

2.2.1前轮前束

为什么要有前束？

1.首先，为了使司机握的方向盘能够自动保持在中央，不乱转，减轻司机的疲劳，就要使主轴后倾。

这就如同自行车的前叉子后倾一样，可以使双手轻松。

2.但是，主轴后倾之后，前轮会有高速的小摆动，使车身不稳。

为了克服前轮的小摆动，就要失主销外倾，速度越慢，道路越不平，则需要主销外倾的角度越大，如四轮拖拉机。

由于两个前轮外倾的方向相反，互相抵消了前轮的小摆动，车身更加平稳了。

3.但是，随之而来的是：

由于主销外倾，前轮也是外倾的，这样前轮就有一个向外拐的趋势，也就是左侧的前轮向左拐，右侧的前轮向右拐，前轮又被安装在车上，拐不了，因此造成轮胎的严重磨损。

前束就是为了解决这个磨损问题的，将两侧的轮子向内侧撇一个角度，正好抵消主销外倾造成的轮胎跑偏，使轮胎可以沿直线前进，这样就没有干磨的现象了，从而达到了降低轮胎磨损的目的。

这就是前束的来历，它最初是从减轻司机的劳动强度入手的，一环一环演变而来的。

主轴后倾----主销外倾----前束，一环扣一环。

当车辆使用很长时间后，用户发现方向转向沉重、发抖、跑偏、不正、不归位或者轮胎单边磨损，波状磨损，块状磨损，偏磨等不正常磨损，以及用户驾驶时，车感漂浮、颠簸、摇摆等现象出现时，就应该考虑检查一下车轮定位值，看看是否偏差太多，及时进行修理。

前轮定位包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束四个内容。

后轮定位包括车轮外倾角和逐个后轮前束。

这样前轮定位和后轮定位总起来说叫车轮定位，也就是常说的四轮定位。

车轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶和转向轻便，并减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损。

主销后倾角：

从侧面看车轮，转向主销（车轮转向时的旋转中心）向后倾倒，称为主销后倾角。

设置主销后倾角后，主销中心线的接地点与车轮中心的地面投影点之间产生距离（称作主销纵倾移距，与自行车的前轮叉梁向后倾斜的原理相同），使车轮的接地点位于转向主销延长线的后端，车轮就靠行驶中的滚动阻力被向后拉，使车轮的方向自然朝向行驶方向。

设定很大的主销后倾角可提高直线行驶性能，同时主销纵倾移距也增大。

主销纵倾移距过大，会使转向盘沉重，而且由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸。

主销内倾角：

从车前后方向看轮胎时，主销轴向车身内侧倾斜，该角度称为主销内倾角。

当车轮以主销为中心回转时，车轮的最低点将陷入路面以下，但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度，这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的效应，因而方向盘复位容易。

此外，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而减小转向时驾驶员加在方向盘上的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到方向盘上的冲击力。

但主销内倾角也不宜过大，否则加速了轮胎的磨损。

前轮外倾：

从前后方向看车轮时，轮胎并非垂直安装，而是稍微倾倒呈现“八”字形张开，称为负外倾，而朝反方向张开时称正外倾。

使用斜线轮胎的鼎盛时期，由于使轮胎倾斜触地便于方向盘的操作，所以外倾角设得比较大。

现在汽车一般将外倾角设定得很小，接近垂直。

汽车装用扁平子午线轮胎不断普及，由于子午线轮胎的特性（轮胎花纹刚性大，外胎面宽），若设定大外倾角会使轮胎磨偏，降低轮胎摩擦力。

还由于助力转向机构的不断使用，也使外倾角不断缩小。

尽管如此，设定少许的外倾角可对车轴上的车轮轴承施加适当的横推力。

前轮前束：

脚尖向内，所谓“内八字脚”的意思，指的是左右前轮分别向内。

采用这种结构目的是修正上述前轮外倾角引起的车轮向外侧转动。

如前所述，由于有外倾，方向盘操作变得容易。

另一方面，由于车轮倾斜，左右前轮分别向外侧转动，为了修正这个问题，如果左右两轮带有向内的角度，则正负为零，左右两轮可保持直线行进，减少轮胎磨损。

所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。

前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。

前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。

像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。

在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。

主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。

在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束02mm可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。

虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。

2.2.2主销后倾角

主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。

它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。

所以，主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重。

通常主销后倾角值设定在1°

到3°

。

模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于竞赛所用的转向舵机力矩不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为0°

，以便增加其转向的灵活性。

2.2.3主销内倾角

主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前轮自动回正。

角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；

反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。

通常汽车的主销内倾角不大于8°

对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为0°

3°

左右，不宜太大。

主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。

不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。

2.2.4车轮外倾角

前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。

在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。

如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。

所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在1°

左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。

模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。

由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0°

即可，并且要与前轮前束匹配。

2.3智能车转向机构调整优化

理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。

在这种理想的模型下，车体的转向半径可以计算得到。

图2.2智能车转向示意图

如图2.2，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。

车轮满足转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点。

转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。

合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；

而在车辆转向时，合适的转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性。

正是由于这些原因，转向系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺利地完成比赛。

在实际操作中，我们通过理论计算的方案进行优化，然后做出实际结构以验证理论数据，并在实际调试过程中不断改进。

在模型车制做过程中，赛车的转向是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。

转向舵机的转动速度和功率是一定，要想加快转向机构响应的速度，唯一的办法就是优化舵机的安装位置和其力矩延长杆的长度。

由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。

经过最后的实际的参数设计计算，最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。

如图2.3，我们最终设计的这套转向拉杆，我们综合考虑了速度与扭矩间的关系，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标。

图2.3转向拉杆图

2.4智能车后轮减速齿轮机构调整

模型车后轮采用RS-380SH双电机驱动，电机轴与后轮轴之间的传动比为18：

76（电机轴齿轮齿数为18，后轴传动齿数为76）。

齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。

齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最终成绩。

调整的原则是：

两传动齿轮轴尽量保持平行,齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，造成不必要的麻烦，过紧又会增加传动阻力，影响速度及增大功耗；

传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。

判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。

声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；

声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。

调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有明显碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。

2.5编码器的安装

为了提高精度，本车使用了日本欧普龙公司生产的欧普龙500线编码器。

使用红树伟业公司生产的编码器支架很好的固定了两个编码器。

图2.4编码器安装

2.6智能车重心位置的调整

为了达到较远前瞻，必须把电感架到较远的位置，会引起车重心特别靠前，后轮正压力不足导致甩尾。

为了使重心后移，我们尝试了很多传感器支架的搭建方式，使得保证结构稳定的前提下尽量减轻重量。

同时，我们把舵机和电池均往后移，达到了预期的效果。

2.7其它机械结构的调整

另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、悬架、底盘、车身高度等。

模型车在高速的条件下（2.3m/s3.5m/s），由于快速变化的加减速过程，使得模型车的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力。

在实验中调试表明，赛车在高速下每跑完一圈，轮胎与轮辋之间通常会产生几个厘米的相对位移，严重影响了赛车的加速过程。

为了解决这个问题，我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。

此外，我们还对车身高度，以及底盘的形状和质量等，都进行了相应的改进和调整，均取得了不错效果。

第三章电路设计说明

3.1主控板和驱动板的硬件设计

3.1.1电源管理模块

为满足需要，本车模上存在4种供电电压：

1）智能车使用镍镉充电电池，充满时电压在7.2～8.2V。

直接用于电机供电。

2）欧普龙编码器及蓝牙（也可3.3V）使用5V供电，5V电源选用型稳压芯片LM2940CT-5.0直插封装芯片，。

3）使用3.3V为单片机以及运算放大器供电，采用线性稳压芯片AMS1117-3.3芯片，输入端接5V的LM2940CT-5.0芯片输出端。

4）电机驱动模块使用直流12V，使用一款5-12V升压电源模块。

5）舵机驱动我们则创造性的采用了二极管直接降压的手段，效果很好。

该部分电路如图3.1所示。

图3.1.1电源管理模块原理图

3.1.2第一次电路板

3.1.3第二次电路板

3.1.4成型焊接电路板（参赛）

3.1.2电机驱动模块

电机驱动电路为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由四支N沟道功率MOSFET管组成，额定工作电流可以轻易达到100A以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。

该驱动器主要由以下部分组成：

PWM信号输入接口、逻辑换向电路、死区控制电路、电源电路、上桥臂功率MOSFET管栅极驱动电压泵升电路、功率MOSFET管栅极驱动电路、桥式功率驱动电路、缓冲保护电路等。

该部分原理图如图3.2所示。

图3.2电机驱动模块原理图

3.1.3数模信号转换

K60的内部有各种精度的AD接口，而且使用方便，所以我们则直接使用k60内部AD，从而也简化了部分电路。

我们使用了六路传感器，从而引出三个LMV358双运放六个AD接口。

其接线方法如图3.3所示。

图3.3接线图

3.1.4单片机及其他电路部分设计

核心控制单元：

K60（主频128MHz，FlashRom512KB，具备SPI，SCI，IIC等常用接口），根据需要引出适量的管脚。

如图3.4所示。

图3.4单片机

测速：

在电机侧方通过编码器支架固定欧普龙编码器，当电机转动时带动编码器转动，从而产生矩形波，再由单片机输入捕捉周期记录脉冲数据此获取速度信息。

用欧普龙编码器（500线）测速要比光电编码盘精度高很多。

测速模块供给主板的信号要经过整波，使用上拉电阻提高其峰值电压，再使用三态门将波形整为矩形波（具体使用相见欧普龙编码器使用说明）。

测试模块实物如图3.5所示。

图