§01 引言
本文以第十六届全国大学生智能汽车竞赛为背景，由教育部高等教育部委托，由教育部高等自动化专业教学指导委员会（以下简称自动化教学指导委员会）主办。
全国大学生智能汽车竞赛是以立足培养、注重参与、鼓励探索、追求卓越为指导思想的探索性工程实践活动。它鼓励大学生组成团队，综合运用多学科知识，提出、分析、设计、开发和研究机械结构、电子线路、运动控制、开发和调试工具，激发大学生从事工程技术开发和科研探索的兴趣和潜力，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。
本次比赛由组委会统一提供 B车模，以 TC核心控制器采用264单片机 MOS管驱动车模电机，MT9V作为传感器，034摄像头独立构思速度控制和转向控制方案，引导模具按规定路线识别行驶。在报告中，我们通过介绍整体方案、机械、硬件、算法等方面，详细阐述了我们在汽车竞赛中的思想和创新。包括电路设计、算法、机械结构等，详细阐述了我们的思想和创造力，具体体现在电路的创新设计、算法的独特理念，以及对轨道新元素的挑战，也让我们付出了大量的努力和汗水。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。在此，与大家分享，希望能为广大智能车爱好者提供一些帮助。
RT-Thread，全称是 RealTime-Thread，顾名思义，它是一个嵌入式实时多线程操作系统，其基本属性之一是支持多个任务。允许多个任务同时运行并不意味着处理器同时执行多个任务。事实上，处理器的核心是全国大学生智能汽车邀请赛的技术报告
一个任务只能在一瞬间运行，因为每个任务的执行时间很短，任务和任务通过任务调度器快速切换(调度器根据优先级决定此时执行的任务)，给人多个任务同时运行的错觉。在 RT-Thread通过线程实现系统中的任务，RT-Thread线程调度器是上述任务调度器。 RT-Thread实时操作系统（ RTOS）集核心、中间件组件和开发者社区于一体的技术平台，具有核心小、稳定可靠、使用简单、可伸缩性高、组件丰富等特点。 RT-Thread拥有中国最大的嵌入式开源社区，广泛应用于能源、车载、医疗、消费电子等行业，累计装机量达数千万台，成为中国人民自主开发、中国最成熟、最稳定、装机量最大的开源 RTOS。
本技术报告共七章，第一章主要介绍了智能汽车活动的主题思想和技术报告；第二章介绍了汽车的机械结构设计和机械原理；第三章阐述了团队的系统设计方案；第四章描述了团队的程序框架和算法；第五章介绍了系统开发和调试工具；第六章介绍了汽车的主要参数；第七章总结了报告和团队参与比赛的经验，希望能给大家带来帮助。
§02 车体基本结构
1.车模舵机位置的安装 按照比赛规定使用本次比赛 B车模配套的 S-D5数字舵机，工作电压4.5-5.5v,带堵转保护电路，扭矩 5.0kg，回归更准确，定位更准确，动作速度更快 ≤0.14±0.02sec/60°。具体参数见下图 2.1
▲ 图2.1 SD-5舵机参数
舵机直接控制着小车的转向，对于小车的转向，它是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。由于舵机的旋转速度和功率是一定的，加快转向机构响应的唯一方法是优化舵机的安装位置和扭矩延长杆的长度。因此，舵机的位置非常重要。我们采用中立式安装方对于舵机的拉杆，当摆角最大时，舵机给出的推力最大。拉杆偏向 V字安装。
二、前轮定位
经过多次尝试和查阅资料，我们最终采用了前轮外倾，主销内倾的结构。
主销后倾角是指车身垂直平面和地面垂直线的夹角，如图所示 2.1.主销后倾角产生与转向相反的扭矩，使车轮具有自动正确的能力。一般来说，主销后倾角越大，速度越高，前轮的自动正确能力越强。但主销后倾角过大，会导致前轮回过猛，导致转向沉重。调试发现，在速度加快后，增加主销后倾角可能不是一件好事，但通过适当的调整，可以在一定程度上稳定车身。
前轮前束是指轮胎中心线与汽车纵向轴之间的夹角，从汽车的正上方向下看，称为前束角。轮胎中心线前端内束角为正前束角，反之为负前束角。总前束值等于两个车轮的前束值之和，即两个车轮轴之间的夹角。
前束的作用是消除车轮外倾造成的不良后果。车轮外倾使前轮向两侧张开。 ,由于桥梁不能向外滚动，车轮边缘滑动增加动增加了磨损。前后，车轮的滚动方向接近前方，减少了轮毂外轴承的压力和轮胎的磨损。
前轮外倾是保证车辆操作稳定性的必要条件，也使前轮在车辆的任何工作条件下都不会产生负外倾，保证安全运行。当前轮有外倾角时，地面对车轮的垂直反应会产生轴向分离，其目的是消除各种间隙，使两个不同尺寸的锥形滚柱轴承力尽可能向内，减少转向螺母的轴向力，防止螺母松动，导致前轮飞出的危险。车轮向外倾斜后，两侧车轮向外分离。由于桥梁的限制，车轮将继续相对于路面进行侧向滑动，以加速轮胎的磨损。为了弥补倾斜后的不良后果，前轮有前束和前束，可以使车轮在每时每刻的滚动方向接近前面，既能保证车辆直线行驶的稳定性，又能保证轮胎的正常磨损。
三、后轮差速调整
经过测试，我们发现如果差速太紧，即当两个轮胎的速度非常接近时，内轮在转弯时很容易滑动，导致侧滑，使汽车滑出轨道。当差速过松时，两轮滑动（电机不在后轴中心），大大降低了汽车的驱动能力。因此，差速调整应适当，使直道驱动能力强、稳定，弯道转弯容易。
由于汽车转弯时，内轮和外轮的转弯半径不同，外轮的转弯半径大于内轮的转弯半径，这就要求外轮的转速高于内轮的转速。差速器的功能是满足汽车转弯时两侧车轮转速不同的要求，如下图2-2所示。
▲ 图2.2 后轮安装
四、电池放置和底盘调整
在高速过弯时则所需向心力比较大，同时由于惯性车很容易向一侧翻倒。为了避免这类事情的发生，我们把车的后轮底盘放低，从而降低整车的重心，防止车翻倒。但是由于比赛时可以有坡面道路，包括上坡与下坡道路，所以后轮的底盘高度不能太低，这是为了使车能顺利的上坡而不至于由于底盘过擦到赛道。
我们把摄像头放在整辆车的前面。电池放置在电机附近。我们把电池放在这里是因为我们把电路板固定在底盘上，使整辆车的重心靠近中间。整个主控包含所有模块，节省空间，减少重心。如图所示 2-3。
▲ 图2.3 电池摆放图
五、编码器安装
编码器的电源电压不得超过允许的电压，编码器转轴不得施加过大的力，导致转轴变形。编码器信号线最好用胶带固定在编码器外壳上，以避免长期使用过程中信号线脱落。
六、摄像头安装
作为一种传感器，相机的安装是最重要的。经过多次安装实验，我们将相机放置在整车前部，因为规则要求相机高度不超过 10cm,因此，只了防止严重的视固定摄像头，以防止严重的视觉畸变。我们选择了130°的摄头镜头。如图 2-4所示。
▲ 图2.4 摄像头安装
七、轮胎的保养与使用
本届比赛 B2车模采用材料为橡胶的刻有花纹轮胎，在使用的过程中主要暴露出的问题有：轮胎材料较硬，抓地力不够强。所以我们更换了轮胎质地更软的、抓地力更强的 B3车模的轮胎。
由于规则中不允许对轮胎进行任何改变轮胎性能的处理，因此在调试过程中，我们尽量选择对称、圆的轮胎；尽可能改变前轮倾角，使轮胎与地面的接触面积在各个工况下综合最大；在不调试的时间里尽量避免四轮与地面接触，用保鲜膜包裹，保证轮胎的形状不发生改变。
八、车模外观
1、车体外观
2、本智能车采取的控制策略
由于本次大赛基础四轮组的要求，本车最终决定以摄像头为主，并辅以电磁控制。由于担心赛场环境以及摄像头的适应性差的特点，也准备了纯粹电磁控制的程序。
九、摄像头的选择
摄像头采用了 MT9V03X总钻风数字智能车摄像头，此摄像头拥有全局快门高动态，自动曝光，帧数可调等优点，输出为灰度图像。
图像通过 MT9V03X摄像头进行采集，采集回来的图像为 50188，截取为5094，并通过大津法进行二值化处理，帧数通过最大曝光时间进行调整，最终调整帧率约为 200帧/秒；设置自动曝光和自动增益以适应不同光照强度的环境。
十、电磁
本车安装了五个电感，感应赛道交变磁场，产生感应电动势，后续电路通过对感应电动势进行一些列的选频、放大、检波，得到稳定信号并输入到单片机对赛道信息进行识别，对电机发出加减速、舵机直行拐弯的指令。
本车采用了三横两竖的排列方式。可以更好的适应不同赛道类型，有效的应付直道与弯道的衔接。
电感安装时要注意相邻两个电感切忌安装过近，至少要有两厘米的距离，否则会产生互感现象，具体现象就是过十字的时候车身会产生振动，严重的会导致十字直接冲出赛道。
§03 控制软件设计
一、PID控制算法
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制简称 PID控制，又称 PID调节。PID控制器问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID控制技术。PID控制，实际中也有 PI和 PD控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。将偏差的比§、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID控制器，原理框图如图 3-1-1所示。
▲ 图3.1.1 PID控制器原理图
PID控制器各校正环节的作用如下： 比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在该偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
数字 PID控制算法通常分为位置式 PID控制算法和增量式 PID控制算法。
二、位置式PID
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。由于这一特点（式 1－2）中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以 T作为采样周期， k作为采样序号，则离散采样时间 kT对应着连续时间 t，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换：
- 图2.1 SD-5舵机参数
- 图2.2 后轮安装
- 图2.3 电池摆放图
- 图2.4 摄像头安装
- 图3.1.1 PID控制器原理图