简 介： 本文主要介绍了第十六届智能车竞赛双车的相关设计理念。这种直立车和三轮车系统都是由三轮车系统制成的MM32F3277G9P微控制器是核心控制单元，通过电感电容传感器检测轨道下的导线来识别轨道ICM-20602六轴加速度陀螺仪模块检测车身姿态，用编码器采集车轮速度。结合车模轨道物理模型规划最佳驾驶路径，使用模糊PID、串级PID控制算法调整双电机输出，实现直立车转向路径、平衡直立姿态和速度的闭环控制，以及三轮车转向和速度的控制。 ： ，，，
引言
??全全国大学生智能汽车竞赛以立足培训，注重参与，鼓励探索，追求卓越为基础 一项科技竞赛活动，旨在指导思想，鼓励创新。在规定的汽车模型平台上使用竞赛要求MindMotion作为核心控制模块，公司的芯片通过添加道路传感器、电机驱动模块和编写相应的控制程序制造出一辆能够独立识别道路的模型车。参赛选手的目标是模型车需要在规定的时间内跑出更多的赛道元素积分。
??本次比赛受到教育部有关领导和高校师生的高度评价，已发展成全国 30 全国大学生智能汽车竞赛，省市自治区400多所大学。 ??在本报告中，我们的小组详细阐述了我们的思想和创、算法、调试、车辆参数，详细阐述了我们的思想和创造力，具体体现在电路创新设计中，以及算法的独特想法，单片机具体参数的调试也让我们付出了艰苦的工作。这份报告体现了我们的努力和智慧，是我们共同努力的结果。
??在准备比赛的过程中，我们的团队成员涉足控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等学科，培训我们的知识整合和实践能力有很大的促进作用，所有球员为智能汽车比赛付出了艰苦的工作。
第一章 系统总体设计
1.1系统概述
??智能车主要由检测系统、控制决策系统和动力系统三部分组成。检测系统采用电感和总转风摄像头，控制决策系统采用MM32F3277G9P动力系统作为主控芯片，主要控制直流电机的转速。整个过程是通过电感检测前方的轨道信息，并将轨道信息发送给单片机。同时，车身的行驶速度信息通过编码器组成的反馈渠道传输给主控单片机。主控单片机根据获得的轨道信息和车身当前速度信息做出决定，并通过PWM信号控制直流电机进行相应的动作，实现车身的转向控制和速度控制。
1.2整车布局
??(1)电池放在车模后部，重心后移大致分布在车轴后部，提高转向灵敏度。 ??(2)将电磁安装在碳纤维杆上，然后固定在汽车前部。 ??(3)接力装置分别放置在两辆车的前后。 ??(4)后车直立摄像头大致安装在车轴正上方，用于检测三叉。
第二章 比机械结构设计任务
2.1 双车接力组比赛任务
2.1.1 比赛任务
（1）车模
??车模可以在竞赛指定的车模中使用任何型号，车模的运行方向不限。我们的直立车采用D型，三轮车采用F型。 ??车模制作完毕后，车模宽度不超过 25 高度不超过厘米 20 厘米，长度小 于 30 厘米。
(2)微控制器和传感器
??双车模型中使用两个模型Mindmotion公司的单片机。 轨道和环境检测允许使用各种电磁、摄像头和超声传感器。
（3）比赛赛道与任务
??本组采用的方案：
??直立车模在赛道中间三叉路的一侧。三轮车模从车库出发，到达中间车模位置时，车上的尺寸不小于 40 毫米见方的球体传递给第二个模型。在规定时间内120秒内依次进行：第二个模型将球体绕着赛道跑到三叉路的另一端，停下来，另一个模型启动。
??标准乒乓球或高尔夫球可用于双车接力组出发和返回车库的球体。只要直径不小于，其他材料的球体也可以自制 40 毫米即可。 如图2.2。
▲ 图2.1
▲ 图2.2
2.1.第十六届赛道特殊元素
??三叉路口：赛道上有两个三叉路口，直线距离小于三米。 三个进出口之间的夹角是 120°。
2.2 机械结构设计
??为了提高智能汽车的竞争性能，必须了解其机械结构，以及其结构的不足 改进的地方。D车模直立双车，F车模三轮。双车结构如图2所示.4所示。
2.2.传球固定
??为了满足比赛的要求，我们自己设计并使用3D打印机打印了F车传球的放置位置和D车接球的装置，如图2所示.5。
2.2.2 碳杆支架
??为了保证电磁能的稳定循环，减少晃动，碳杆的牢固性是关键。与自己的3相比，两辆车都使用相应模型的电感支架d该支架更可靠。如图2所示.6。
▲ 图
▲ 图 2.5（b） 后车接力接力装置
2.2.3 摄像头安装与调试
为了识别三叉元素，使用摄像头总钻风摄像头识别三岔路。为了确保摄像头能稳定识别三叉，摄像头整体的牢固性是关键，尽量减少晃动。由于摄像头巡线对光线有较高要求，且动态阈值算法该芯片算力的限制，我们主要使用电磁用于车的导向，摄像头仅用于识别三叉元素，离地高度为18.6cm，符合要求。如图2.7。
▲ 图 2.7
2.2.4 编码器的安装
为了更为精确的获得电机转速的返回值，本次车模上安装的是龙邱512 线编码器，选择质量和体积都较小的编码器以控制车身重量。编码器安装直接使用车模上的编码器安装孔。如图2.8。
2.2.5 电池安装
今年电池可以采用往年的镍铬电池，也可使用两节18650锂电池串联。锂电池放电性能优越，质量轻。所以两车均采用动力型锂离子电池，如图2.9。同时，为了使小车重心偏向车轴，并略微靠后方，我们在F车模使用镍镉电池作为配重，我们发现，也许是F车模本身较长的车型，若是车身重量不够或重心在车轴靠前，极容易在转弯时甩尾。
2.3 本章小结
本章主要介绍了小车的安装制作和调试过程中机械方面的具体的问题。我们一直坚持机械结构和算法是同样重要的原则，在更新算法的同时也在提高相应的机械和硬件结构来适应。上面的介绍是我们最稳定的小车版本的经验。而在刚开始做小车到现在，对机械结构方面我们做了许许多多各种各样的尝试和实验，收获了一些效果，但是目前这版是能够适应算法并且较稳定的机械结构系统。
第三章 硬件设计
3.1 硬件设计方案
整个智能车控制系统是由三部分组成的：MM32F3277G9P、主板、电机驱动电路板。最小系统板可以插在主板上组成信号采集、处理和电机控制单元。同时为了减小电机驱动电路带来的干扰，我们把控制部分和电机驱动分开来。主板主要电路包括如下：电源稳压电路、最小系统板插座、电机驱动器接口、编码器接口、运放接口、摄像头接口、OLED/TFT、电源接口等。
3.2 系统核心板
单片机最小系统板使用Mindmotion的 MM32F3277G9P核心板，该核心板主频高达120MHz。主板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括信号接口、外部中断接口、若干普通 IO 接口等。
3.3 传感器选择
本设计中，传感器分为五部分：摄像头传感器、加速度计陀螺仪传感器、超声波测距传感器、运放传感器、无线串口透传模块。
3.3.1 摄像头
比赛所用的摄像头可以分为两类：一类为CCD摄像头，另一类为CMOS摄像头。
CCD摄像头图像对比度高、动态特性好，但供电电压比较高，需要12V的工作电压。在智能车的实际运行中，电机加减速时会产生很大的冲击电流，会对12V的升压模块造成冲击。同时CCD摄像头的耗电也比较严重，这会使拍摄的图像稳定性不高。
CMOS摄像头，体积小，图像稳定性较高，只需3.3V供电，耗电量低，但动态性能不如CCD摄像头好。智能车高速运行时，摄像头拍摄的图像可能会变得模糊。但为了保证系统的稳定性，最终决定选用CMOS摄像头MT9V034，也就是新款的总钻风摄像头。
3.3.2 编码器
处理器通过读取编码器脉冲数来实现小车速度的检测，通过读取编码器旋转方向脚的高低电平来检测电机的正反转。编码器原则上轻，小为好，我们选用逐飞科技的1024线编码器。
3.3.3 超声波测距模块
有来有去超声波测距模块方便上手，在需要接受距离信息的车上安装接受模块，在另一辆车上安装发送模块，要注意尽量保持两个模块发送端与接收端相对且在一个水平面上。我们使用串口的方式将距离信息发送出来。赛后，我们发现这可能会与两车串口通信发生冲突。所以，尽量还是使用pwm发送距离信息。
3.3.4 无线串口透传模块
为了避免其他相同模块的干扰，建议先修改模块的发送与接收地址。同时还需注意模块发送与接受功能函数的调用位置，是在while中调用，还是在pit中断中开启其对应的中断，需要尝试，观察是否会出现意想不到的错误。比如，我在pit中断中调用发送与接受函数，会出现在不该发送信号时发送信号的错误。
3.4 电路设计
智能车的电路设计决定了系统可靠性与稳定性，电路设计决定着摄像头图像采集的好坏以及驱动的性能等，本系统的电路围绕MM32F3277G9P单片机为核心的最小系统板设计主板，且驱动与主板在同一块板上，核心板可插在主板上，经过测试及使用，本系统的电路设计稳定可用。
3.4.1 电源管理部分
电源部分使用1片 LDO芯片LM2940将电源电压转为5V、3 片LDO芯片RT9013-33转 3.3V 为核心板、OLED 、运放模块及摄像头供电，电源部分电路图如图3.1 所示：
▲ 图3.1
3.4.2 电机驱动电路
DRV8701是一款采用4个外部N通道MOSFET的单路H桥栅极驱动器，主要用于驱动12V至24V双向有刷直流电机。该器件可通过PH /EN（DRV8701E）或PWM（DRV8701P）接口轻松连接控制器电路。内置的感测放大器能够实现可调节的电流控制。这款栅极驱动器内置有DRV8701采用9.5VV GS 栅极驱动电压来驱FET FET。所有外部FET的栅极驱动电流均可通过IDRIVE引脚上的单个外部电阻进行配置。
▲ 图3.2 电机驱动
第四章 软件系统设计
4.1. 软件控制程序的整体思路
软件的控制，就是让控制车模在符合比赛规则前提下，以最快最稳定的速度跑完整个赛道。不论上哪种方案，软件的总体框架总是相似的，我们追求的就是稳定至上，兼顾速度，以我们的方案，软件上就是图像采集、图像处理识别横断，速度控制以及速度反馈，电感采集以及计算偏差。但是双车组有别于普通组别，不仅仅要追求速度和稳定性，还要求两辆车的配合。
4.2 图像处理和识别三叉
后车：摄像头并未参与循迹，只是识别三叉。设定特定竖列，再检测特定行的白色像素点个数，当其达到一定数量后给转向环一个目标角速度，角速度积分到达一定数值后认为入库完成关闭电机，具体数值在实际过程中试验确定。出库同理也是固定角度。 前车：左右电感值同时小于某个阈值，及判断检测到三叉。因为前车为三轮F车模，提前开始半闭环转向有失控风险，因此采用前瞻较短的电磁来进行检测。
4.3 电机控制
三轮车的控制主要是电机的控制。具体的控制算法有 PID 控制、串级PID控制和模糊控制。
【通用原理部分，此处省略3000字...】
4.4 双车接力
根据比赛规则以及两车跑的情况，前车带球出库，一直运行到后车停靠的位置，利用超声波测距模块检测距离，待两车相撞并传递小球后，前车进入停止状态，小车停止运行，后车在相撞后有初速度，这是编码器返回值大于阈值，程序启动，后车开始带着小球跑完本圈赛道后半程，并进入另一个三岔口。
4.5 本章小结
本章主要介绍了智能车比赛中所用到的图像处理，电机控制算法和双车接力过程等软件程序。这些程序是赛车检测系统的核心，我们一次又一次的找问题后优化，优化后找问题。不断尝试新的控制算法，学习新的知识，并把新的知识应用于智能车上。 智能车比赛的程序不是一时半会就能写好的，也不是一些好就能直接使用的，它需要经过一次次的调试，找问题调参数，直到到达最佳状态。并且我们要想更近一步，要不断去尝试新的算法，从其他角度经行寻找解决方案，对比之下选最优。
参 考 文 献
（1） 王盼宝.智能车制作.北京.清华大学出版社.2018
附录A：主要技术参数
- 赛题组 双车接力组
- 车号 F车
- 车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米） 275/247/115（前车）
- 电路电容总量（微法） 1000μF
- 电路功耗(焦耳) 400J
- 传感器种类及个数 光电编码器×2；运放板×1；超声波×1；无线透传模块×1；icm20602×1
- 新增加伺服电机个数 0
- 摄像头检测精度、频率 无摄像头
车号 D车
- 车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米） 255/247/165（后车）
- 电路电容总量（微法） 1000μF
- 电路功耗(焦耳) 400J
- 传感器种类及个数 摄像头×1；光电编码器×2；运放板×1；超声波×1；无线透传模块×1；icm20602×1
- 新增加伺服电机个数 0
- 摄像头检测精度、频率 精度：320×240；检测频率 50 Hz
/*********************************************************************************************************************
//直立
#include "headfile.h"
#include "special_control.h"
#include "pid.h"
#include "speed.h"
#include "fun.h"
#include "angle.h"
#include "turn.h"
#include "init.h"
#include "elector.h"
//串口
#include "zf_uart.h"
#include "zf_gpio.h"
//计数
int8 count1=0;
int8 count2=0;
int8 count3=0;
//算速度
int32 iV_Avg;
//电机
int32 L_PWM=0;
int32 R_PWM=0;
// **************************** 代码区域 ****************************
int main(void)
{
board_init(true); // 初始化 debug 输出串口
//此处编写用户代码(例如：外设初始化代码等)
Init_All();//几乎所有的初始化 阈值变量
lcd_init();
tim_interrupt_init_ms(TIM_8, 2, 0x00);//进入pit中断
//此处编写用户代码(例如：外设初始化代码等)
while(1)
{
//此处编写需要循环执行的代码
/* lcd_showint32(0,1,FLAG_SPECIAL,10);
lcd_showint32(0,2,roundabout_data.angle,10);
lcd_showint32(0,5,sancha_data.count,10);//sancha_data.count
lcd_showint32(0,6,pitch,10);//roundabout_data.angle
lcd_showint32(0,7,tongxin_count,10);//angle_pid.set2
*/
// 备用区
/* if(fasong_flag==1&&tongxin_data.flag==1)//发送两百次 并判断是否接受起步信号
{
if(tongxin_count<3)
{
uart_putchar(UART_4,44);
}
}
*/
//
//新加
if(FLAG_SPECIAL==14)
{
if(count_xinjia<4)
{
uart_putchar(UART_4,44);
}
}
//
//摄像头识别三叉
/*
if(mt9v03x_finish_flag)
{
for(int h=89; h>=39; h--)
{
for(int w=0; w<=187; w++)
{
if(mt9v03x_image[h][w]>=187)
{
mt9v03x_image[h][w]=255;
}
else
{
mt9v03x_image[h][w]=0;
}
}
}
Sancha_panduan();
lcd_displayimage032(mt9v03x_image[0], MT9V03X_W, MT9V03X_H);
mt9v03x_finish_flag = 0;
} */
systick_delay_ms(2);
}
}
// **************************** 代码区域 ****************************
void pit_handler (void) // 本函数在 TIM8_UP_IRQHandler 中调用
{
Attitude_calculation_20602();
inductor_value();
// xielv();
// ConstructElectro(); //电磁处理1
// EM_ADC();//电磁处理2
ESpecial_control();
ESpecial_do();
// DifferControl();//输出price_PWM
angle_pid.now=pitch;
angle_pid.now=limit_ab(angle_pid.now, -20, 80);//-20和80可改
//角速度参数
angular_pid.now=GYRO.Y;
Get_Speed();
iV_Avg+=V_Avg;
//count1++;
count2++;
count3++;
speed_out_filter(&speed_pid, COUNT);
angle_pid.set2 = angle_pid.set1 + speed_pid.real_output; //angle_pid.set1由路况决定
if (count2 > 1)
{
count2 = 0;
pid_angle(&angle_pid);//角度环运行周期
}
if(count3 > 3)
{
count3 = 0;
pid_speed(&speed_pid);//速度环运行周期 尽量长些，与角度环区分开
}
if((FLAG_SPECIAL!=-1)&&(FLAG_SPECIAL!=6)&&(tongxin_data.flag!=1))
{
angular_pid.set1 = angle_pid.output; //正跑去掉符号-
//angular_pid.set1 =0;
pid_angular(&angular_pid);
L_PWM = angle_pid.output+ 5.5*turn_in.ut_int;//1*angular_pid.output+ 6.5*turn_in.ut_int;//修改5增加转向环强度 若电机转的太慢则增大2 否则改2为1
R_PWM = angle_pid.output- 5.5*turn_in.ut_int;//1*angular_pid.output- 6.5*turn_in.ut_int;//修改5增加转向环强度 若电机转的太慢则增大2 否则改2为1
Motor_Output(L_PWM,R_PWM);
}
if(tongxin_data.flag==1)
{
pwm_duty_updata(PWM_TIM, PWM_R, - 0.5*turn_in.ut_int); //停车状态直立的转向环尽量小些
pwm_duty_updata(PWM_TIM, PWM_L, 0.5*turn_in.ut_int); //
}
}
//三轮
********************************************************************************************************************/
#include "headfile.h"
#include "special_control.h"
#include "pid.h"
#include "speed.h"
#include "fun.h"
#include "angle.h"
#include "turn.h"
#include "init.h"
//串口
#include "zf_uart.h"
#include "zf_gpio.h"
//计数
int8 count1=0;
int8 count2=0;
int8 count3=0;
//算速度
int32 iV_Avg;
//电机
int32 L_PWM=0;
int32 R_PWM=0;
// **************************** 代码区域 ****************************
int main(void)
{
board_init(true); // 初始化 debug 输出串口
//此处编写用户代码(例如：外设初始化代码等)
Init_All();//几乎所有模块的初始化以及阈值
lcd_init();
tim_interrupt_init_ms(TIM_8, 2, 0x00);//开启pit中断
//此处编写用户代码(例如：外设初始化代码等)
while(1)
{
//此处编写需要循环执行的代码
/*环岛
lcd_showfloat(0,3,FLAG_SPECIAL,5,0);
lcd_showfloat(0,4,roundabout_data.angle,5,0);
lcd_showint32(0,7,roundabout_data.distance,10);
systick_delay_ms(100);*/
//此处编写需要循环执行的代码
//lcd_showfloat(0,4,12,5,0);//sancha_data.angle roundabout_data.directionadc_convert(ADC_2, ADC_CH1)
/*lcd_showint32(0,0,FLAG_SPECIAL,10);
lcd_showint32(0,1,roundabout_data.direction,10);
lcd_showint32(0,2,roundabout_data.angle,10);
lcd_showint32(0,3,roundabout_data.distance,10);
lcd_showint32(0,5,adc_convert(ADC_2, ADC_CH1),10);
lcd_showint32(0,6,adc_convert(ADC_2, ADC_CH2),10);
lcd_showint32(0,7,adc_convert(ADC_2, ADC_CH3),10
标签： lm1117gs稳压芯片