学    学校：哈尔滨工业大学 队名:紫丁香队名:紫丁香队 参赛选手：李洋           赵宁           张磊   带队教师： 张依

摘要

??本文详细介绍了哈尔滨工业大学"紫丁香一队"第十五届全国大学生智能汽车竞赛基础四轮组系统方案。本次比赛采用飞思卡尔半导体公司生产的32台单片机统一指定的C型车型。MK66FX1M0VLQ18作为核心控制器，智能汽车需要识别白色轨道和车库坡道，以最快的速度完成整个比赛。智能汽车使用CMOS摄像头对赛道信息检测，根据提取连通域得到赛道中线；

??通过编码器检测智能汽车的实时速度，使用电感器收集电磁信息，使用陀螺仪完成汽车进出仓库，通过红外测距模块实时测距来判断坡道等元素；使用PID控制算法调整电机转速和舵机角度，实现智能汽车运动过程中速度和方向的闭环控制；使用上位机、按钮以提高模型车辆的速度和稳定性OLED模块等调试工具，大量的硬件和软件测试。实验结果表明，系统设计方案确实可行。

??关键词：MK66FX1M0VLQ18.图像处理；PID；

第一章绪论

1.1 智能汽车研究背景

??智能汽车是一种高汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等、电气、计算机、机械等科学技术创意设计，一般主要由路径识别、速度采集、角度控制、速度控制等模块组成。它是现代电子产业发展的重要组成部分。

??在中国，为加强大学生实践、创新能力和团队合作精神的培养，教育部委托教育部自动化专业教学指导分委员会举办年度全国大学生智能汽车竞赛。全国大学生智能汽车竞赛是以飞思卡尔半导体公司8位、16位、32位微控制器为核心控制模块，在竞赛组委会提供的统一汽车模型平台上，通过设计道路识别传感器和电机驱动电路，编写相应的软件和组装模型车，制作能够自主识别道路的模型车，按照规定的路线（赛前路线未知）行驶，以完成时间最短的为胜利。

1.2 方案总体介绍

??跑道表面为白色，两侧连续黑线为导线，黑线宽度为25mm。通过收集轨道图像，车型限制了跑道宽度40cm，拐角最小半径50cm，并规定了每个轨道标志的具体指标。参赛选手的目标是让智能车按照规则在最短的时间内完成单圈赛道。

??根据竞赛规则的相关规定，本智能车系统采用恩智浦公司生产的32位微控制器统一提供的C型车型MK66FX1M0VLQ18作为核心控制器，在IAR软件开发在开发环境中进行。通过CMOS图像传感器拍摄轨道图像，输入图像信号MK66FX1M0VLQ18微控制器进一步处理获取主要轨道信息；通过编码器检测速度，通过单片机进行脉冲计算；转向舵机PD控制；使用驱动电机PI控制，通过PWM控制驱动电路调整电机功率；速度的目标值由默认值、运行安全方案和基于图像处理的优化策略综合控制；游戏中有很多元素。为了更好地收集轨道元素的信息，增加传感器是不可避免的。我们选择红外模块进行距离测量，并使用陀螺仪获得车身姿势进入车库。此外，我们还使用两个水平电感来加强岛屿周围的判断稳定性。

??根据比赛的基本要求，我们设计了如图1所示的系统总体思路.1所示。

^{▲ 图1.1 系统结构图}

1.3 本文结构

??本文分为六章。第一章主要介绍比赛背景和智能车系统总体方案；第二章从智能车系统的机械结构出发，详细介绍了智能汽车系统各部分机械结构的安装和调整；第三章重点介绍了系统中涉及的硬件设计方案和原理；第四章介绍了智能系统的软件算法，包括图像处理和电机舵控制策略；第五章解释了调试过程中的一些手段；第六章简要报告了智能汽车的一些物理参数。

第二章设计和调整机械结构

??智能汽车的核心是控制策略和算法。然而，机械结构也是限制赛车速度的一个巨大瓶颈。如果赛车的程序结构很好，但机械部件做得不好，其速度将受到极大的限制。也就是说，当车速较高时，车模有明显的甩尾和侧滑，对车辆的机械结构要求较高。除了对车身姿势的影响外，机械性能还影响车辆的加减速响应速度、运行对称性和稳定性。因此，我们在不违反规则的情况下对车辆进行了多方面的改造，使车辆具有良好的运行性能。

2.1 整车布局

??我们组采用新型C车型，对称性好，尺寸290184196mm，轮胎尺寸为2961mm，适当填充海绵，软化轮胎，具有优异的减震性和耐磨性。驱动电机是RS-380，7.2V电机功率可达19.25W，额定功率为0.016kW，额定电压7.2V，额定电流0.5A，额定转速16200rpm，额定转矩可达10.9Nm,外形储存29.237.8mm。伺服电机为S3010舵机，6V电压时扭矩可达6.5kgcm，动作速度快，车模整体质量轻。智能车的形状大致如图2所示.1。

^{▲ 图2.1 智能车外形图}

(1) 减少车模底盘以减少重心。

(2) 舵机采用垂直姿方便。

(3) 调整前轮倾角，确保直线行驶的稳定性。

(4) 调整电池位置，使中心尽可能在车身中心

(5) 用轻便坚固的铝杆作为摄像头传感器的支撑材料。

2.2 电池选型安装

??使用原装模型NiCd由于其体积大、质量大，电池在早期使用过程中导致车辆快速抛尾和侧滑。NiCd不均匀的电池质量分布相当于增加车身不对称性。本次比赛支持使用带保护板的两个18650锂电池串联供电。经过尝试，我们绘制了锂电池与保护板的连接PCB，购买动力锂电池，放电能力强，可以轻松驱动两台380电机，通过合理选择电池位置来调整汽车

^{▲ 图2.2 俯视图}

2.3 转向舵机安装

??舵机转向是整个控制系统中较大的延迟环节。为了减少此时的常数，舵机的响应速度可以通过改变舵机的安装位置来提高。通过分析舵机控制转向转向的原理，可以发现在相同的舵机转向条件下，舵机一端转向连杆的连接点离舵机轴越远，转向轮转向变化越快。这相当于增加力臂长度和线速。

??舵机有立式和卧式两种安装方式，比较两种方式发现，立式安装效果更好。舵机安装时应保证左右对称，以保证舵机左右转向时力臂相等，最大提高了舵机的响应速度。根据理论分析，功率等于速度和扭矩的乘积。增加转向速度必然会降低输出扭矩，过小的扭矩会导致缓慢，因此在安装时必须考虑转向机构响应速度与舵机扭矩的关系，获得最佳转向效果。实验结束后，我们的舵机安装如图2所示.3所示。

^{▲ 图2.3 转向舵机安装}

2.4 调整前轮倾角

??为了使汽车直线行驶稳定，转向轻，转向后可以自动纠正，减少轮胎和转向部件的磨损，必须在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的相对安装位置，称为车轮定位。该系统使用的智能汽车通过四个轮胎与地面接触，两个后轮同轴有限，无法调整，与智能汽车的前进方向平行，因此改变智能汽车与地面的接触，调试有利于汽车转向，直线四轮定位，只能通过调整前轮倾角定位参数来实现。它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束四个项目决定。

2.4.1 主销后倾

主销后倾如图2.4 所示，是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，向前为负，向后为正。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，模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角。

^{▲ 图2.4 主销后倾示意图}

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，转弯迟滞。所以我们修改主销后倾大致1~2°如图2.5所示。

^{▲ 图2.5 修改后的主销后倾}

2.4.2 主销内倾

主销内倾如图2.6所示。是将主销（即转向轴线）的上端向内倾斜。从车前方看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即主销内倾角。轮胎调整为倾斜以后直线行走的时候是轮胎内侧着地，而当过弯的时候，由于惯性车体会要向弯道外侧倾斜，而这时候的外侧轮胎如果倾斜角度事先调整得当则正好可以胎面着地，从而使车辆在弯道获得最佳抓地力。使车轮转向后能及时自动回正和转向轻便。经过多次尝试后我们主销内倾如图2.7所示。

^{▲ 图2.6主销内倾示意图}

2.4.3 前轮前束

车轮前束如图2.7所示。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。从上往下看，两个车轮指向的方向在前端指向内称为车轮前束，指向外的则称为车轮后束。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。

^{▲ 图2.7 车轮前束示意图}