智能车技术报告 西北工业大学枭龙队技术报告.docx

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智能车技术报告西北工业大学枭龙队技术报告

第三届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车邀请赛

技术报告

学校：

西北工业大学

队伍名称：

西北工业大学枭龙队

参赛队员：

曹阳

万辉

杨文骏

带队教师：

曲仕茹

2008年8月19日

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：

参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。

参赛队员签名：

带队教师签名：

日期：

摘要

本文以第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛为背景，详细介绍了智能车系统的机械结构设计、硬件电路设计、系统软件设计和理论分析以及整个制作和开发过程。

按照比赛规则，智能车能够在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，并且在最短时间内跑完全程，不脱离跑道并遵守大赛的一系列规则的队伍即可胜出。

我们使用组委会规定的标准车模，以一片飞思卡尔半导体公司生产的16位单片机MC9S12DG128B为核心控制器，独立设计了智能车的电路系统，并在CodeWarriorIDE开发环境中进行软件开发。

同时，为了改善赛车整体性能，我们对车模机械结构进行了调整。

为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性，我们对比了不同方案的优缺点，并经过实验测试，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。

本赛车采用反射式红外光电管进行路径检测，用PID算法对舵机进行控制，通过光栅编码器反馈当前速度，采用Bang-Bang控制实现速度闭环控制。

最后的测试结果表明，目前系统在硬件结构，算法和软件设计上都比前两届比赛有所提高。

关键词：

智能车，PID，Bang-Bang，反射式红外光电管，光栅编码器

ABSTRACT

Thisarticle,inthebackgroundofthethird"Freescale"CupNationalContestofIntelligentCarforCollegeStudents,detailsmechanicalstructuraldesign,hardwaredesign,softwaredesignandtheoreticalanalysisandtheentireproductionanddevelopmentprocessoftheintelligentvehiclesystem.Accordingtothecompetitionrules,theteams,whoseintelligentcarscanbeabletoautomaticallyidentifytheroadonthespeciallydesignedrunwayandfinishtheentirejourneyintheshortesttime,notseparatingfromtherunwayandcomplyingwithaseriesofcompetitionrules,willwin.

AdoptingthestandardmodelcarprescribedbycontestorganizationcommitteeandonepieceofMC9S12DG128B,a16-bitMCUproducedbyFreescaleSemiconductorCompany,asthecorecontroller,we’veindependentlydesignedtheintelligentcar’selectricalsystemanddevelopedthesoftwareundertheCodeWarriorIDE.Atthesametime,inordertoimprovetheoverallperformanceofthecar,weadjustedthecar’smechanicalstructure.Forimprovingtheintelligentcar’sspeedandreliability,wecomparedtheadvantagesanddisadvantagesofthedifferentschemesanddeterminedthefinalstructureandthecontrolparametersoftheexistingsystemaftersomeexperimentaltests.Ourcarusesreflectinginfraredphotocellforthepathdetection,PIDalgorithmforthesteeringgearcontrolling,andBang-Bangcontroltoachievespeedclosed-loopcontrolthroughthegratingencoderfeedingbackcurrentspeed.Thefinaltestresultsshowthatthecurrentsystemhasincreasedthantheprevioustwocompetitionsinthehardwarestructure,algorithmandsoftwaredesign.

Keywords:

intelligentvehicle,PID,Bang-Bang,reflectinginfraredphotocell,gratingencoder

第一章引言

1.1背景介绍

1.1.1课题背景

20世纪80年代以来，在各发达国家虽然已经基本建成了四通八达的现代化国家公路网，但随着社会经济的发展，路网通过能力日益满足不了交通量增长的需要,交通拥挤、阻塞现象日趋严重,交通污染与事故越来越引起社会普遍的关注.经过长期和广泛的研究，这些国家已从主要依靠修建更多的公路，扩大路网规模来解决日益增长的交通需求，而转移到用高新技术来改造现有公路运输系统及其管理体系，从而达到大幅度提高路网通行能力和服务质量的。

日本、美国和西欧等发达国家竞相投入大量资金和人力，开始大规模地进行公路交通运输智能化的研究试验[1]。

起初，称为“智能车辆道路系统（IVHS）”进行道路功能和车辆智能化的研究。

随着研究的不断深入，系统功能扩展到公路交通运输的全过程及其有关服务部门，发展成为带动整个公路交通运输现代化的“智能运输系统（ITS）”。

ITS结合了传感技术、信息处理、通信技术等先进技术来达到减少塞车、降低交通事故、提高交通效率，改善环保质量，提高能源利用率等目的。

它包含了信息服务系统、车辆安全系统、交通监控系统、公共交通系统和物流管理系统等众多子系统。

美国加州国际汽车经济研究所的调查报告指出，下一个汽车销售高潮将从普及“智能化汽车”开始,新一轮竞争的焦点,将是智能汽车（IntelligentVehicle,IV）的研究设计开发。

简单地说,所谓智能汽车,就是在网络环境下用信息技术和智能控制技术武装的汽车，利用最新科技成果,使汽车具有自动识别行驶道路,自动驾驶,自动调速等先进功能。

驾驶智能汽车可大大减少驾驶者疏忽导致的交通事故，很大程度提高车辆行驶的安全性，减少经济损失。

因此智能车载技术研究日益成为专家学者关注的领域。

智能车的关键支持技术包括机器视觉技术，雷达技术，磁性导航技术和高精度的数字地图和GPS技术。

目前智能车辆技术已在轿车，重型汽车，公共交通和军事领域获得应用。

今后智能车辆技术的研究将集中于车载计算机技术，通信技术，语音识别技术和多传感器信息融合技术[2]。

ITS在日本的发展始于20世纪70年代，1973~1978年，日本成功地组织了一个“动态路径诱导系统”的实验。

20世纪80年代中期~90年代中期的10年

时间，相继完成了路车间通信系统（RACS）、交通信息通信系统（TICS）、宽区域旅行信息系统、超智能车辆系统、安全车辆系统及新交通管理系统等方面的研究。

1994年1月成立VETIS（路车交通智能协会），1995年7月成立VICS（道路交通信息通信系统）中心，1996年4月正式启动VICS，先在首都圈内而后推向大阪、名古屋等地，1998年向全国推进。

日本的VICS是ITS实用化的第一步，居于世界领先水平。

美国ITS的雏形是始于20世纪60年代末期的电子路径导向系统（ERGS），中间暂停了十多年，80年代中期加利福尼亚交通部门研究的PATHFINDER系统获得成功，此后开展了一系列这方面的研究，1990年美国运输部成立智能化车辆道路系统（IVSH）组织，1991年国会制定了ISTEA（综合地面运输效率方案），1994年IVHS更名为ITS。

其实施战略是通过实现面向21世纪的“公路交通智能化”，以便从根本上解决和减轻事故、路面混杂、能源浪费等交通中的各种问题。

1988年由欧洲10多个国家投资50多亿美元，联合执行一项旨在完善道路设施，提高服务质量的DRIVE计划，其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施，现在已经进入第2阶段的研究开发。

目前欧洲各国正在进行TELEMATICS的全面应用开发工作，计划在全欧洲范围内建立专门的交通无线数据通信网。

智能交通系统的交通管理、车辆行驶和电子收费等都围绕TELEMATICS和全欧洲无线数据通信网展开。

欧洲民间也联合搞了一个叫PROMETHEUS的计划，即欧洲高效安全交通系统计划。

除此以外，新兴的工业国家和发展中国家也已经开始智能交通系统的全面研究和开发。

与国外相比，国内在智能交通系统方面的研究起步较晚，规模较小，开展这方面研究工作的单位主要是一些大学和研究所，如国防科技大学、清华大学、吉林大学、北京理工大学、长安大学、沈阳自动化所等。

清华大学汽车研究所是最早成立的主要从事智能车及智能交通的研究单位之一，在国防科工委和国家863计划的资助下，开发了THMR-V型智能车。

2003年，THMR-V型智能车在画有清晰白线的结构化道路上跟踪车道的平均速度达到100km/h。

20世纪90年代至今，吉林大学先后研制了四代智能车试验车。

其中，JUTIV-I、JUTIV-II、JUTIV-III主要采用视觉导航，识别路面上的带状白线和前方的车辆障碍物。

正在调试的第四代试验车JUTIV-IV中开始研究多传感器信息融合技术在道路环境理解中的应用。

国防科技大学机电工程与自动化学院自80年代起开始进行无人驾驶智能车辆技术研究，先后研制出四代无人驾驶汽车。

第四代全自主无人驾驶汽车于2000年6月在长沙市绕城高速公路上进行了全自主无人驾驶试验，试验最高时速达到75.6km/h。

目前我国正在进行ITS总体发展框架的研究与制定[3]。

1.1.2比赛背景

教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办的全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大竞赛的基础上，经研究决定，委托教育部高等学校自动化专业教学指导委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛，并成立了由教育部、自动化分教委、清华大学、飞思卡尔半导体公司等单位领导及专家组成的组委会。

第一届和第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛已分别在清华大学和上海交通大学举行。

此项赛事，在韩国已经举办过多届，其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。

本次是第三届比赛，比赛规定参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、动力电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车的制作及调试。

与第二届比赛相同，各参赛队伍须先参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，方可参加全国总决赛区的场地比赛。

参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术报告、制作工程质量评分为辅来决定。

值得注意的是，本届大赛首次将参赛队伍划分光电组与摄像头组两个赛题组分别进行比赛，在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电赛题组[7]。

1.2比赛规则

竞赛秘书处制定如下比赛规则适用于各分赛区预赛以及全国总决赛。

在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。

秘书处将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。

1.2.1分赛区、决赛区比赛规则

分赛区和决赛区的比赛规则相同，都具有光电组和摄像头组比赛。

两个题组比赛在同一个赛场先后进行，所遵循的比赛规则是相同的。

两个赛题组分别独立进行成绩排名。

比赛注意事项如下：

1.赛车前两次冲出跑道时，由裁判员取出赛车交给比赛队员，立即在起跑区重新开始比赛，该圈成绩取消。

选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛；

2.比赛过程中出现下面的情况，算作模型车冲出跑道一次：

1裁判点名后，1分钟30秒之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备；

2比赛开始后，赛车在30秒之内没有离开出发区。

3.比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败：

1赛车在离开出发区之后120秒之内没有跑完两圈；

2赛车冲出跑道的次数超过两次；

3比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车；

4决赛前，赛车没有通过技术检验。

4.不允许在赛道周围安装辅助照明设备及其它辅助传感器等；

5.选手进入赛场后，除了可以更换电池之外，不允许进行任何硬件和软件的修改；

6.比赛场地内，除了裁判与1名队员之外，不允许任何其他人员进入场地；

7.不允许其它干扰赛车运动的行为；

8.不允许车模设计方案抄袭，同一学校参赛队伍的车模设计的硬软件需要相互之间有明显的不同。

1.2.2硬件限制规定

一、比赛车模：

1.须采用统一指定的车模；

2.禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；

3.禁止采用其它型号的驱动电机，禁止改动驱动电机的传动比；

4.禁止改造滚珠轴承；

5.禁止改动舵机，但可以更改舵机输出轴上连接件；

6.禁止改动驱动电机以及电池，车模主要前进动力来源于车模本身直流电机及电池；

7.为了车模的行驶可以安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等；

8.车模改装完毕后，尺寸不能超过：

250mm宽和400mm长。

二、电路器件及控制驱动电路限制：

1.须采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位处理器（单核）作为唯一的微控制器，每台模型车的电路板中只允许使用一种型号微控制器。

8位微控制器最多可以使用2片，16位微控制器限制使用1片；不得同时使用8位和16位微控制器；

2.参加光电赛题组中不允许使用透镜成像进行路径检测，参加摄像头赛题组可以使用光电管作为辅助检测手段。

3.伺服电机数量不超过3个；

4.传感器数量不超过16个（红外传感器接受单元计为1个传感器，发射单元不计算，CCD传感器记为1个传感器）；

5.直流电源使用大赛提供的电池；

6.禁止使用DC-DC升压电路直接为驱动电机以及舵机提供动力；全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。

三、可以选择参数：

1.开发软件可以选择CodeWarriorIDE调试软件，也可以另行选择；

2.开发调试硬件可以选择秘书处统一提供的BDM工具，也可以另行选择；

3.电路所使用元器件（传感器、各种信号调理芯片、接口芯片、功率器件等）种类与数量都可以自行设计选择。

1.2.3赛道基本参数

1.在分赛区以及决赛区进行初赛阶段时，跑道所占面积不大于5000mm*7000mm，跑道宽度不小于600mm；

2.跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；

3.跑道最小曲率半径不小于500mm；

4.跑道可以交叉，交叉角为90°；

5.赛道直线部分可以有坡度在15度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路；

6.赛道有一个长为1000mm的出发区，如图1.1所示，计时起始点两边分别有一个长度100mm黑色计时起始线[7]。

图1.1赛道出发区示意图

1.3本文结构

本文系统的介绍了制作本智能模型车的各项技术。

具体章节安排如下：

第一章引言介绍了本次比赛的背景，引出下文。

第二章总体结构设计从比赛规则入手，通过分析任务要求，论证了检测和控制方案，同时介绍了硬件和软件系统总体结构，并给出了赛车的主要技术参数。

第三章机械结构设计介绍了光电管阵列、舵机、测速电机和电路板等的安装，以及对前轮、舵机力臂、差速器等的调整。

第四章硬件系统设计与实现分析智能车系统各组成部分为实现特定功能应采用什么样的电路，能达到最好效果同时产生的噪声和对其他电路的干扰最小。

第五章软件系统设计与实现介绍了智能车的系统初始化、赛道信息采集、赛道信息处理和决策控制等软件流程，在决策控制中又介绍了PID控制的相关理论基础。

第六章开发与调试介绍了软件开发的环境，以及对各部分的调试方法。

我们软件开发环境为Metrowerks公司开发的软件集成开发环境CodeWarriorIDE。

第七章结论总结了几个月来制作智能车的整体工作，并分析了目前的不做，最后对未来的工作进行了展望。

第二章总体结构设计

2.1比赛规则分析

本届大赛首次将参赛队伍划分光电组与摄像头组两个赛题组分别进行比赛，这样一来，光电组就摆脱了以前与摄像头组相比竞争力不强的劣势，并且从第二届比赛来看使用光电作为路径检测手段的参赛队较少，所以光电检测具有更高的潜力空间。

综合考虑，我们选择使用光电检测。

智能车比赛考验的是各个赛车跑完单圈的最短时间，本届大赛还要求赛车能识别起始线并在通过起始线后三米范围内自动停止。

由此可知，要取得好成绩关键是在保证稳定性的前提下最大的提高赛车的速度。

简单地说，我们所要做的就是处理好赛车的转向和速度控制。

具体看来，需要考虑以下方面：

第一，提高速度需要赛车“看”的更远，以便能够预知前方更远路况，提前加速或者减速，从而达到速度最优；

第二，对于直道、弯道等不同的赛道应采用不同的转向和速度策略。

由于对车模的机械性能和改装有严格限制，因此如何更大程度地发挥舵机的转向能力和提高转向的灵敏程度十分重要。

同时，需要测速装置随时反馈赛车当前速度，才能更好的提高速度；

第三，稳定性方面，应尽量减少使用的元器件数量，在满足要求的基础上尽量简化电路，合理布局电路并印刷电路板等；

第四，软件上，程序应模块化以方便调试与修改，并且具有灵活性和可选择性以适应未知的赛道情况以及比赛时的突发状况。

3.1方案设计

2.1.1光电检测方案

1.光电传感器的选择

对于光电组来说，路径检测的成败归功于光电传感器的选择与使用。

目前，用于光电检测的传感器主要有可见光管、反射式红外光电管、激光管等。

可见光管抗干扰能力差，容易受到外界光线影响，因此不能被用做路径检

测。

反射式红外光电管抗干扰能力强，对自然光和灯光变化的反应较小，并且电路也比较简单。

激光管的抗干扰能力强，由于光线聚集故射程较远，但价格较红外光电管贵并且电路也较复杂。

综合考虑，我们选择反射式红外光电管作为检测器件。

2.驱动方式的选择

反射式红外光电管一般有直流驱动和脉冲驱动两种不同的驱动方式。

其中，直流驱动的特点是电路简单，但对外界光线的反应相对较大，不过通过在光电管上加套热缩管以及软件处理可以极大降低这种影响；脉冲驱动的特点是光电管具有更高的功率，探测距离相对较远，抗干扰能力也较强，不过电路复杂且难于控制。

因此，我们采用了直流驱动的方式，并利用相应措施降低了外界光线的影响。

3.光电管排布方式的选择

大赛要求传感器的数量不超过16个，除去一个测速电机，还可以使用15对光电管。

这15对光电管该如何排布？

我们设想了两个方案，并分别用实验开发板做了试验。

方案一：

15对光电管均匀分布于一排。

由于大赛规则要求车的宽度不能够超过25cm，故光电管阵列之间不能排的太开。

因此我们选择光电管对的间隔为15mm，所以15对光电管排布下来的宽度只有大概21cm，符合规则要求。

运用15对光电管的好处就是采集的赛道信息精度较高，信息比较连续，因此赛车跑起来不会出现明显的“抖”的现象；但是使用单排光电管阵列的前瞻性比较差，使得赛车不能进行比较提前的判断和控制，因此限制的赛车的速度。

方案二：

15对光电管均匀分布于两排。

将8对光电管均匀分布的阵列放在近排，7对光电管对均匀分布的阵列放在远排，间隔均为25mm。

近排的光电管阵列就架设在车的前端30-40mm，光电管与地面垂直线之间的夹角为30°；而远排的则架的较高并且伸出80-90mm，光电管与地面垂直线之间的夹角为45°。

在这样的光电管阵列下，赛车的前瞻性得到了很好的提高，速度比单排光电阵列情况下高了较多。

但是由于光电采集的精度不够，赛车即使在直线上行驶的时候，也容易出现“抖”的现象，通过调整舵机控制的参数，使得赛车“抖”的程度明显减少，而且速度也有一定的保证。

综合考虑了以上两种方案并通过观察试验效果，我们选择了方案二中的光电管阵列排布。

效果如图2.1所示。

图2.1双排光电管阵列效果图

2.1.2速度检测方案

常用的速度检测传感器有测速发电机、光电测速传感器、霍尔传感器和光栅编码器等。

比较来看，测速发电机的体积和质量较大；光电测速传感器容易受到外界光线干扰；霍尔传感器精确度不高；而光栅编码器体积小，不受外界干扰，且精度较高，所以我们选择光栅编码器作为速度检测传感器。

2.1.3转向控制方案

本智能车方向的控制是通过PWM波对舵机进行控制来实现的。

舵机的控制是通过周期固定的脉冲信号控制的，舵机的转位正比于脉冲的宽度，这个连续的脉冲信号可以由PWM实现。

舵机内部会产生一个频率为50Hz的基准信号，通过基准信号与外部所给PWM波的正脉冲持续时间进行比较，从而确定转向和转角的大小。

当所加PWM波的频率为50Hz时，脉宽与转角之间满足下图2.2所示的线性关系。

图2.2脉宽与转角之间的线性关系

2.1.4速度控制方案

大赛组委会规定使用的后轮驱动电机型号为RS-380SH，工作在7.2V电压下，空载电流为0.5A，转速为16200r/min。

在工作电流为3.3A，转速达到14060r/min时，工作效率最大。

由于单片机输出的脉宽无法驱动大赛提供的直流电机，因此需要通过电机驱动芯片MC33886驱动电机正转、反转。

由于单片机带有PWM输出端口，PWM波获取方便，为了加强灵活性，能实时改变控制量，所以我们利用PWM脉宽与速度的对应关系对电机进行控制。

3.2硬件系统总体设计

我们的赛车共包括：

主控芯片MC9S12DG128B、光电检测模块、速度检测模块、舵机驱动模块、电机驱动模块、电源模块和调试模块。

硬件系统框图如图2.3所示。

图2.3硬件系统框图

单片机MC9S12DG128B是赛车硬件系统的核心，它通过接受光电采集过来的赛道信息和赛车的速度信息，经过一定的算法处理，对舵机和电机提供合适的控制量。