芯耀
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本設(shè)計(jì)以第十六屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽節(jié)能信標(biāo)組賽題要求規(guī)范為背景，結(jié)合3D打印技術(shù)、PCB制板技術(shù)等制作一輛以英飛凌單片機(jī)為核心控制單元的節(jié)能信標(biāo)車(chē)模。以ADS為開(kāi)發(fā)環(huán)境、利用攝像頭獲取賽道信息，在完成無(wú)線電能高效收割的前提下控制車(chē)模實(shí)現(xiàn)尋燈、滅燈、避障等任務(wù)，同時(shí)兼顧節(jié)能與速度。該智能車(chē)車(chē)系統(tǒng)顯示了高度的智能化、人性化，并且具備良好的安全性、穩(wěn)定性，可以為無(wú)人駕駛汽車(chē)及環(huán)保個(gè)人交通工具的后續(xù)研究提供經(jīng)驗(yàn)。
組 別：節(jié)能信標(biāo)組
學(xué) 校：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
隊(duì)伍名稱：紫丁香五隊(duì)
參賽隊(duì)員：馬銘成 榮振帥 曹廣旭
指導(dǎo)教師：宋凱 董帥
帶隊(duì)教師：張依
第一章 引言
1.1 智能車(chē)大賽介紹
全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽受教育部高等教育司委托，由教育部高等自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化分教指委）主辦全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽。該競(jìng)賽以智能汽車(chē)為研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國(guó)大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一，為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革。該競(jìng)賽以"立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越"為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。
該競(jìng)賽由競(jìng)賽秘書(shū)處為各參賽隊(duì)提供/購(gòu)置規(guī)定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺(tái)，競(jìng)賽過(guò)程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車(chē)調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程。該競(jìng)賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車(chē)電子為背景，涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車(chē)等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競(jìng)賽規(guī)則透明，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)客觀，堅(jiān)持公開(kāi)、公平、公正的原則，保證競(jìng)賽向健康、普及、持續(xù)的方向發(fā)展。
1.2 第十六屆節(jié)信標(biāo)能組規(guī)則介紹
（1）車(chē)模
車(chē)模允許使用任何比賽中的車(chē)模，也可以自行設(shè)計(jì)制作車(chē)模。車(chē)模作品尺寸不限。
車(chē)模上不允許使用任何電池，車(chē)模需要通過(guò)無(wú)線接收線圈獲取信標(biāo)發(fā)送的無(wú)線電能。
信標(biāo)燈為扁平狀，車(chē)模可以行駛到信標(biāo)上面接受無(wú)線電能。
（2）微控制器與傳感器
車(chē)模微控制器使用Infineon系列單片機(jī)。
允許使用電感、RF天線、紅外光電、攝像頭傳感器、激光傳感器等。
（3）比賽場(chǎng)地與任務(wù)
信標(biāo)在點(diǎn)亮后同時(shí)會(huì)發(fā)送高頻無(wú)線功率信號(hào)（150kHz）和紅色、紅外燈光用于導(dǎo)引車(chē)模前往。發(fā)送的高頻無(wú)線功率信號(hào)也可以通過(guò)電磁共振耦合為節(jié)能車(chē)模提供大約70W充電功率。
比賽時(shí)，車(chē)模從第一個(gè)信標(biāo)開(kāi)始接受電能，自行啟動(dòng)去往下一個(gè)信標(biāo)。當(dāng)車(chē)模運(yùn)行到信標(biāo)上之后，信標(biāo)的燈便切換到下一個(gè)信標(biāo)，但本地的信標(biāo)依然發(fā)送無(wú)線電能，直到車(chē)模離開(kāi)本地的信標(biāo)燈，本地信標(biāo)停止發(fā)送無(wú)線電能，下一個(gè)信標(biāo)燈開(kāi)始發(fā)送無(wú)線信號(hào)。
信標(biāo)對(duì)抗組別中的磁標(biāo)數(shù)量、安裝方式不限。
1.3 報(bào)告內(nèi)容
在這份報(bào)告中,我們小組通過(guò)對(duì)小車(chē)設(shè)計(jì)制作的結(jié)構(gòu)，電路，調(diào)試，車(chē)輛參數(shù)的介紹,盡力展現(xiàn)我們?cè)谥谱髡{(diào)試過(guò)程中的思路和付出的汗水。具體表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作,以及算法方面的思維想法。這份報(bào)告是我們小組三人共同努力，精益求精改進(jìn)后的結(jié)果。
第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本章主要講述我們?cè)跈C(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
2.1 方案確定
節(jié)能信標(biāo)組對(duì)于車(chē)模的選型、結(jié)構(gòu)沒(méi)有限制，比較合適的方案有三輪和四輪。三輪車(chē)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、車(chē)模容易設(shè)計(jì)得更加輕巧節(jié)能、控制起來(lái)也更加簡(jiǎn)單，但是很難滿足信標(biāo)高速性與靈活性的要求；四輪車(chē)由于加入了舵機(jī)整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、車(chē)模很難設(shè)計(jì)得輕巧節(jié)能、控制起來(lái)也會(huì)更加復(fù)雜，但是車(chē)模的速度和靈活性得到了很大的提升。通過(guò)分析和比對(duì)，我們最終選擇了四輪車(chē)模。
2.2 整體結(jié)構(gòu)
完全獨(dú)立設(shè)計(jì)一輛四輪車(chē)難度較大，考慮到備賽時(shí)間比較緊張、參賽隊(duì)員水平有限等因素，我們最終決定以傳統(tǒng)C車(chē)模為基礎(chǔ)，借鑒C車(chē)模的設(shè)計(jì)思路及部分結(jié)構(gòu)，搭建一輛雙電機(jī)加舵機(jī)的四輪車(chē),車(chē)模以攝像頭、編碼器、陀螺儀作為傳感器。
▲ 圖2.1 C型車(chē)模
2.3 后輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
后輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用C車(chē)模的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以更加方便的改變傳動(dòng)比，考慮到車(chē)模尺寸和電機(jī)與傳統(tǒng)C車(chē)模不同，我們采用3D打印件制作了電機(jī)支架和傳動(dòng)軸固定支架，以實(shí)現(xiàn)較好的齒輪傳動(dòng)。
▲ 圖2.2 后輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
2.4 前輪結(jié)構(gòu)
考慮到車(chē)模會(huì)經(jīng)過(guò)藍(lán)臺(tái)，為了減小震動(dòng)，前輪需要懸掛結(jié)構(gòu)。前輪懸掛自行設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，因此我們采用了C車(chē)模的懸掛結(jié)構(gòu)并適當(dāng)修改，用3D打印件固定舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向。
▲ 圖2.3 舵機(jī)支架
2.5編碼器
編碼器采用龍邱科技512線編碼器，該編碼器具有較高的精度。通過(guò)3D打印件進(jìn)行固定，通過(guò)齒輪嚙合獲取車(chē)模速度。
2.6 攝像頭的搭建
為了輔助轉(zhuǎn)向，我們使用了兩個(gè)逐飛的170度紅外攝像頭，因此攝像頭的安裝極其重要，首先是攝像頭安裝位置的選取。由于車(chē)的重心靠后，為了保證攝像頭的穩(wěn)定性，我們將攝像頭安裝在車(chē)的電機(jī)中間附近，攝像頭的底座我們采用的是金屬底座，確保其剛性，固定過(guò)程中，我們?cè)谲?chē)底板上打孔，將底座和底板用螺絲和AB膠充分固定；為了降低整車(chē)重心，需要嚴(yán)格控制攝像頭高度，同時(shí)又要考慮前瞻的長(zhǎng)度和角度。我們采用碳纖維管作為安裝線性電磁傳感器的主桅，這樣可以獲得最大的剛度質(zhì)量比，整套裝置具有很高的定位精度和剛度，使攝像頭更加穩(wěn)定。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的嘗試，最終攝像頭的高度定為30cm左右，并且調(diào)整角度，使其前瞻大約在10m左右，這樣既能識(shí)別到遠(yuǎn)處的信標(biāo)燈（保證能夠接收到足夠的亮度），又不會(huì)受到太多雜光干擾。兩個(gè)攝像頭固定在碳桿上，其高度近似相同，分別為一前一后，通過(guò)螺絲和AB膠固定在碳桿上，以確保車(chē)模在運(yùn)行過(guò)程中攝像頭的穩(wěn)定性。
2.7 電機(jī)、舵機(jī)選型
在車(chē)模整體設(shè)計(jì)中，重中之重的是電機(jī)的選擇，這關(guān)系到控制和功耗這兩個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。我們的選擇有直流電機(jī)，空心杯電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)。為滿足車(chē)模速度、靈活、節(jié)能的要求，我們最終選擇了功率較大的空心杯電機(jī)，通過(guò)選擇合適的傳動(dòng)比可以獲得較高的速度和較大的轉(zhuǎn)矩。
舵機(jī)對(duì)于車(chē)模的轉(zhuǎn)向至關(guān)重要，基于節(jié)能、靈敏性、體積等因素的考慮，我們最終選擇了金屬舵機(jī)。金屬舵機(jī)不僅體積小，而且控制精度高、響應(yīng)速度快，完全滿足車(chē)模對(duì)于轉(zhuǎn)向的要求。
2.8 車(chē)模主要技術(shù)參數(shù)
智能車(chē)主要技術(shù)參數(shù)包括物理尺寸、電路指標(biāo)等，具體參數(shù)見(jiàn)表 2.1。
▲ 圖2.3.1 表格：智能車(chē)主要技術(shù)參數(shù)
▲ 圖2.4 智能車(chē)實(shí)物
第三章 無(wú)線充電部分設(shè)計(jì)
3.1 無(wú)線充電原理
無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用在現(xiàn)今電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域、手持電子設(shè)備、人體醫(yī)療器械、通信領(lǐng)域也都有著非常廣泛的應(yīng)用，利用電磁互感現(xiàn)象，通過(guò)磁場(chǎng)耦合的兩個(gè)線圈可以完成電能的傳輸。將感應(yīng)接收線圈放在發(fā)射線圈中間，它們之間存在電磁耦合。在發(fā)射線圈通電以后，就會(huì)在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。經(jīng)過(guò)整流之后，便可以形成可以充電的直流電流。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的充電。
▲ 圖3.1 無(wú)線充電示意圖
3.2 無(wú)線充電Simulink仿真
無(wú)線充電發(fā)射端采用半橋控制LCC結(jié)構(gòu)，我們?cè)赟imulink上仿真了這一結(jié)構(gòu)。通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，我們得出了線圈互感、負(fù)載阻抗等對(duì)充電功率和效率的影響，為我們?cè)O(shè)計(jì)接收端電路奠定了基礎(chǔ)。
▲ 圖3.2 無(wú)線充電仿真
3.3 無(wú)線充電接收線圈、磁環(huán)電感制作
無(wú)線充電頻率設(shè)定為150kHz，為了降低集膚效應(yīng)，我們采用了高頻利茲線自己繞制線圈，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整線圈自感和互感，以提高無(wú)線充電接收的功率和效率。線圈的自感和互感與利茲線匝數(shù)和線圈內(nèi)徑、外徑和繞制圈數(shù)等有關(guān)。為了減少線圈上的損耗、滿足接收端對(duì)于電壓的需求、滿足安裝要求，我們?cè)诒M可能增大線圈外徑的情況下減小線圈匝數(shù)，以減小線圈的重量和損耗。
磁環(huán)電感通過(guò)高頻利茲線繞在T106-2磁環(huán)上得到，改變利茲線的匝數(shù)和繞制圈數(shù)可以改變磁環(huán)電感的電感值，該電感值直接決定電路阻抗X，并決定了設(shè)計(jì)充電電流值。通過(guò)改變磁環(huán)電感的大小可以獲得較大的充電功率。
3.4 無(wú)線充電接收電路比較與設(shè)計(jì)
無(wú)線充電接收電路有LCC和LC兩種結(jié)構(gòu)。
（1）LCC
接收端等效電路為：
▲ 圖3.3 LCC結(jié)構(gòu)接收端電路
經(jīng)過(guò)推導(dǎo)計(jì)算，接收端各元件的參數(shù)分別為：
將電路進(jìn)項(xiàng)簡(jiǎn)化分析：
▲ 34。LCC結(jié)構(gòu)等效電路
由分析可知，負(fù)載電流與接收端電壓有效值和電路阻抗X有關(guān)，而與負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)，因此理論上可實(shí)現(xiàn)硬件恒流。但在實(shí)際充電過(guò)程中，由于電路器件限制、發(fā)射端功率限制等因素的影響，充電電流是隨著電容電壓的升高逐漸降低的。
（2）LC
▲ 圖3.5 LCC 接收電路結(jié)構(gòu)
LC結(jié)構(gòu)不能雖然不能實(shí)現(xiàn)硬件恒流，但接收電路更加簡(jiǎn)單，更容易使整個(gè)電路出于諧振狀態(tài)。經(jīng)過(guò)不斷比較，我們發(fā)現(xiàn)只要合理的繞制接收端線圈也可以達(dá)到較大的接收功率，平均接收功率不低于LCC結(jié)構(gòu)?？紤]到這些因素，我們最終采用了LC結(jié)構(gòu)。
3.5 超級(jí)電容選擇
前期賽題要求是滅25個(gè)燈比時(shí)間長(zhǎng)短，經(jīng)過(guò)多次跑車(chē)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)5串40F電容足夠完成比賽要求。但是后來(lái)賽題改為三分鐘積分制，因此就需要更大的電容。出于更改簡(jiǎn)單、充電功率等因素的考慮，我們最終決定并聯(lián)兩組5串40F電容，超級(jí)電容選擇低ESR的類(lèi)型。
第四章 硬件電路的設(shè)計(jì)
智能車(chē)電路部分主要的模塊包括：充電模塊、電源模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及其他周邊調(diào)試模塊。各模塊的總體設(shè)計(jì)原則是：節(jié)能、緊湊、易于拆換、穩(wěn)定可靠。但根據(jù)各模塊的不同，又有不同的設(shè)計(jì)要求。
4.1 電源模塊設(shè)計(jì)
由于我們是超級(jí)電容供電，所以電源模塊的設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要，電源的首要指標(biāo)是可靠性，整個(gè)硬件系統(tǒng)的工作完全由電源供電的可靠性決定，電源供電不穩(wěn)定會(huì)引起損耗、單片機(jī)復(fù)位、舵機(jī)及傳感器損毀等嚴(yán)重問(wèn)題；另外，與傳統(tǒng)的電池供電不同，超級(jí)電容在供電過(guò)程中存在電壓降低的問(wèn)題，所以，在接入電路時(shí)，還要有穩(wěn)壓的模塊。
4.1.1 電壓需求
電源設(shè)計(jì)中主要考慮到需要的電壓和電流，另外還用LED燈顯示電池電壓，便于直觀發(fā)現(xiàn)電池電量是否正常。我們需要的電源要求包括3.3V，6.5V等。
4.1.2 電源電路
根據(jù)規(guī)劃，3.3V供電我們選擇了TPS63070開(kāi)關(guān)電源芯片,對(duì)于這款芯片，其輸入范圍為2V-16V，而輸出可調(diào)，并且輸出電流可以達(dá)到2Ａ，足以滿足單片機(jī)、傳感器、外圍電路正常工作所需要的電流。設(shè)計(jì)原理圖如下圖所示。
▲ 圖4.1 3.3V 電源電路
攝像頭的供電電壓也是3.3V，但是其對(duì)電源質(zhì)量有較高的要求，開(kāi)關(guān)電源輸出有較大的紋波，不能滿足攝像頭的要求，因此我們單獨(dú)加了一級(jí)線性穩(wěn)壓給攝像頭供電，使攝像頭獲取圖片的質(zhì)量得到保證。
▲ 圖4.1.1 3.3V攝像頭電壓
6.5Ｖ舵機(jī)供電我們同樣采用了TPS63070電源穩(wěn)壓芯片，其高輸出電流足以滿足驅(qū)動(dòng)舵機(jī)所需的電流，且效率較高。原理圖如下。
▲ 圖4.2 6.5V穩(wěn)壓電路圖
4.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路為智能車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供控制和驅(qū)動(dòng)，這部分電路的設(shè)計(jì)要求以能夠通過(guò)大電流為主要指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)電路的基本原理是 H 橋驅(qū)動(dòng)原理，目前流行的H 橋驅(qū)動(dòng)電路有：H 橋集成電路，如 MC33886；集成半橋電路，如 BTN7971 等；MOS 管搭建的 H 橋電路。
對(duì)于節(jié)能組，為了選出一個(gè)低功耗的驅(qū)動(dòng)方案，我們對(duì)比三種電路都進(jìn)行了搭建并測(cè)試，MC33886 的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，外圍元件少，但缺點(diǎn)是內(nèi)阻較大，通過(guò)電流有限，可以通過(guò)兩片 MC33886 并聯(lián)方式進(jìn)行改善；BTN7971是集成半橋電路，電路簡(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)單的幾個(gè)外圍電阻，缺點(diǎn)是輸入電壓要高于5V才能正常工作，但是對(duì)于超級(jí)電容的寬輸入范圍的電壓來(lái)說(shuō)，需要升壓電路給予其足夠工作的電壓，但是很難找到效率極高的升壓芯片且升壓電路設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜；ＩＲ２１０４＋MOS管搭建的H 橋電路可以通過(guò)較大電流，且在電容電壓較低時(shí)仍能正常工作，但電路較為復(fù)雜，元器件也較多。對(duì)比三種方案，我們選擇了ＩＲ２１０４＋MOS管搭建的H 橋電路作為驅(qū)動(dòng)電路，下面是電路原理圖。
▲ 圖4.3 驅(qū)動(dòng)電路
4.3調(diào)試電路設(shè)計(jì)
調(diào)試電路在車(chē)模調(diào)試過(guò)程中是必不可少的，可以直觀的顯示智能車(chē)的參數(shù)和狀態(tài)，并且可以方便地修改參數(shù)。調(diào)試電路包括：五向按鍵、WIFI、OLED接口、蜂鳴器、撥碼。
▲ 圖4.4 調(diào)試電路
第五章 軟件方案
高效穩(wěn)定的軟件程序是智能車(chē)平穩(wěn)快速循跡的基礎(chǔ)。我們?cè)O(shè)計(jì)的智能車(chē)使用紅外攝像頭來(lái)獲取信標(biāo)位置信息，采用魯棒性很好的PID算法控制智能車(chē)的轉(zhuǎn)向和速度控制，使得在尋燈的過(guò)程中智能車(chē)達(dá)到快速的效果。由于賽題的要求是三分鐘的時(shí)間智能車(chē)充電和跑車(chē)，因此使用適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂品桨负托旭傔^(guò)程中的策略選擇就成了能否節(jié)約電能從而達(dá)到滅更多燈的關(guān)鍵，接下來(lái)將進(jìn)一步進(jìn)行解釋。
5.1 圖像采集與處理
本智能車(chē)采用的是2個(gè)逐飛的170度紅外攝像頭，前后分別一個(gè)。在單片機(jī)采集圖像后需要對(duì)其進(jìn)行處理，以提取主要的圖像信息。對(duì)于節(jié)能信標(biāo)組，需要提取的就是亮著的信標(biāo)燈的坐標(biāo)。十六屆信標(biāo)燈的燈罩是扁平的，距離較遠(yuǎn)時(shí)，接收到的光較弱，而且由于場(chǎng)地?zé)艄夂吞?yáng)光的存在，會(huì)存在雜點(diǎn)、光斑，對(duì)信標(biāo)燈的識(shí)別有著很大的影響。因此，在軟件上必須排除干擾因素，對(duì)圖像進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，并盡可能提取出更多的信息以供控制使用。
在圖像處理中，我們提取的信息主要包括：信標(biāo)燈的坐標(biāo)、信標(biāo)燈的長(zhǎng)、寬、面積、周長(zhǎng)，以及信標(biāo)燈距離。由于信標(biāo)燈為扁平狀，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，接收到的光比較少，提取到的信標(biāo)燈僅為一個(gè)像素點(diǎn)；距離較近時(shí)，形狀近似為一個(gè)橢圓。
當(dāng)場(chǎng)地光線足夠理想時(shí)，通過(guò)固定閾值二值化，便可將場(chǎng)地與信標(biāo)燈區(qū)分開(kāi)，再通過(guò)連通域提取，即可精確地收集到信標(biāo)燈的所有信息。當(dāng)場(chǎng)地光線不夠理想時(shí)，當(dāng)信標(biāo)燈的距離較近時(shí)，由于圖像畫(huà)面中信標(biāo)燈占了很大一部分，所以直接提取面積最大的連通域作為信標(biāo)燈即可；當(dāng)信標(biāo)燈距離較遠(yuǎn)時(shí)，由于信標(biāo)燈在畫(huà)面上僅為一個(gè)像素點(diǎn)，所以雜光會(huì)對(duì)信標(biāo)燈的提取造成很大的困難，甚至一些雜光的亮度大于信標(biāo)燈的亮度，僅通過(guò)固定閾值很難提取出真正的信標(biāo)燈位置。我們嘗試過(guò)了許多二值化方法，大津法、平均值法等等，但是效果都比較一般，因?yàn)檩^遠(yuǎn)處的信標(biāo)燈只有一個(gè)像素點(diǎn)，全局二值化顯然不太合適。最后還是采取了分段固定閾值法，主要思想就是距離遠(yuǎn)的部分給低閾值，距離近的部分給高閾值，這樣通過(guò)二值化，即可濾掉比信標(biāo)燈暗的部分。剩下來(lái)的就是在圖像中濾除雜光干擾，我們采用的方法是通過(guò)計(jì)算信標(biāo)燈的坐標(biāo)和形狀，來(lái)去除一些形狀不可能是信標(biāo)燈的連通域，通過(guò)這種方法，可以排除大部分干擾。剩下滿足條件的連通域中，我們選取與上一張圖信標(biāo)燈最近的連通域作為信標(biāo)燈的位置，來(lái)計(jì)算其各個(gè)信息。
5.2 信標(biāo)位置提取
首先通過(guò)前攝像頭采集的圖像進(jìn)行圖像處理，來(lái)判斷前方是否有信標(biāo)燈。如果正前方采集到了信標(biāo)燈的信息，那么便通過(guò)這個(gè)信息提取出其坐標(biāo)，以坐標(biāo)為基礎(chǔ)來(lái)控制車(chē)的運(yùn)動(dòng)。如果前攝像頭采集到的圖片中沒(méi)有信標(biāo)燈的信息，那么這時(shí)候?qū)髷z像頭進(jìn)行圖像處理，來(lái)判斷信標(biāo)燈和車(chē)的相對(duì)位置，從而確定轉(zhuǎn)向方向。整體邏輯在狀態(tài)機(jī)中體現(xiàn)。
5.3 PID運(yùn)動(dòng)控制算法
【通用原理部分，此處省略3000字...】
5.4 舵機(jī)控制和速度控制
我們對(duì)速度的要求是穩(wěn)定，在運(yùn)行的過(guò)程中調(diào)節(jié)時(shí)間小，視為一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因?yàn)樽鳛橹悄苘?chē)這個(gè)慣性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，速度不會(huì)徒增驟減（與控制周期比較），因此我們使用了PI控制，經(jīng)過(guò)調(diào)試，選擇合適的PI系數(shù)后，加速可以很快也不會(huì)過(guò)沖，控制效果很好。對(duì)于舵機(jī)，我們要求其能快速響應(yīng)并且不會(huì)出現(xiàn)振蕩，能夠快速且平穩(wěn)地根據(jù)信標(biāo)燈的位置確定具體的打角，因此我們使用PD控制，經(jīng)過(guò)調(diào)試，選擇合適的PD系數(shù)后，可以配合速度控制使智能車(chē)快速轉(zhuǎn)向并保持直道平穩(wěn)行駛。
▲ 圖5.4 速度控制測(cè)試曲線
5.5 策略選擇
對(duì)于智能車(chē)尋燈滅燈過(guò)程中的策略，有兩種方案：
- 一種是充滿一次電跑完全程，中途經(jīng)過(guò)燈罩時(shí)會(huì)補(bǔ)充很少一部分電能；另一種是初始時(shí)充很少一部分電，再跑一些燈后停在某一個(gè)燈上進(jìn)行充電，即中途補(bǔ)電；
兩種方法都有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，對(duì)于中途充電，他可以節(jié)省前期充電時(shí)間，并且讓小車(chē)幾乎維持在一個(gè)恒定的電壓值，既保證了速度，又延長(zhǎng)了小車(chē)的總體行駛時(shí)間。理論上來(lái)說(shuō)，小車(chē)可以一直行駛，不會(huì)出現(xiàn)無(wú)電停車(chē)的情況，但是這種方法的劣勢(shì)也較為明顯。
首先來(lái)說(shuō)，對(duì)于快速行駛小車(chē)在停車(chē)補(bǔ)電時(shí)勢(shì)必要急停減速，不節(jié)能，而且最大的問(wèn)題在于能否準(zhǔn)確停在一個(gè)能接收到最多電能的位置，之前我們嘗試?yán)梦恢铆h(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)控制的方法停車(chē)，最后的效果也不是很理想，會(huì)存在無(wú)法停在燈上合適的位置，甚至無(wú)法停在燈上的問(wèn)題，究其原因，是因?yàn)槲覀兊男≤?chē)在設(shè)計(jì)之初就是將線圈放在了車(chē)底，這樣對(duì)于四輪車(chē)來(lái)說(shuō)，可以保證重心集中，車(chē)身姿態(tài)較好，但是因?yàn)闊粽殖驶⌒巍?/p>
對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的四輪車(chē)來(lái)說(shuō)，根本無(wú)法呈現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定姿態(tài)停在燈罩上，就算停住了，因?yàn)樽藨B(tài)較差，充電的效率遠(yuǎn)不及初始放置時(shí)。其次，中途補(bǔ)電不符合我們?cè)O(shè)計(jì)這輛車(chē)時(shí)的初衷，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的想法就是追求更快的速度，因此無(wú)論從電機(jī)選擇還是車(chē)身機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)，都是為了速度服務(wù)，中途補(bǔ)電不利于我們四輪車(chē)連貫行駛，會(huì)影響整體的速度，而且對(duì)我們來(lái)說(shuō)，總體的充電時(shí)間并沒(méi)有減少，因此綜合所有因素考慮，我們得出的結(jié)論是中途充電比較適合一些輕量而且省電的小車(chē)，對(duì)于我們這種重且耗電來(lái)追求速度的車(chē)來(lái)說(shuō)，還是選擇充電一次，跑完全程的策略。
5.6 輔助車(chē)模調(diào)試程序設(shè)計(jì)
輔助調(diào)試程序有兩個(gè)部分，一是基于鍵盤(pán)顯示與按鍵的PID 參數(shù)輸入程序，二是基于WIFI模塊的無(wú)線通信數(shù)據(jù)發(fā)送程序。
第六章 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境與車(chē)模調(diào)試
在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作和調(diào)試的過(guò)程中，不管是軟件的開(kāi)發(fā)還是硬件電路的仿真和電路板的制作都離不開(kāi)PC 機(jī)。所以對(duì)于PC 機(jī)上的各種輔助設(shè)計(jì)軟件必須要有一定的熟悉程度。這樣可以提高開(kāi)發(fā)的效率。
6.1 ADS的使用
我們今年選用的單片機(jī)為英飛凌公司的TC264，我們邊學(xué)習(xí)邊不斷實(shí)踐。在老師和學(xué)長(zhǎng)的幫助下逐漸熟悉了對(duì)單片機(jī)的使用。
6.2 人機(jī)交互工具
在調(diào)試過(guò)程中需要不斷地修改變量的值來(lái)達(dá)到整定參數(shù)的作用，對(duì)此我們選用了液晶屏配合按鍵和撥碼開(kāi)關(guān)的調(diào)試方法。此外，比賽的時(shí)候，修改參數(shù)我們同樣用這個(gè)模塊進(jìn)行修改。
其中液晶屏我們選用 OLED 液晶，該液晶具尺寸小，高分辨率等特點(diǎn)。界面如圖6.1所示。按鍵采用五向按鍵其便于操作并且節(jié)省空間。設(shè)計(jì)五向按鍵以及4個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)參，顯示，方案選擇等部分。
▲ 圖6.1 液晶屏顯示界面
6.3 WIFI及上位機(jī)調(diào)試
車(chē)在同樣的賽道上走過(guò)的路都是不一樣的，所以無(wú)論怎么考慮車(chē)的狀態(tài)都是不夠完全的，因此需要對(duì)運(yùn)行中的車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們使用WIFI模塊配合上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)車(chē)模運(yùn)行狀態(tài)。如圖6.2所示。
▲ 圖6.2 上位機(jī)示波器
第七章 總結(jié)
7.1車(chē)模總結(jié)
7.1.1控制方面
采用PID進(jìn)行速度，轉(zhuǎn)向控制，利用攝像頭進(jìn)行尋燈。
7.1.2結(jié)構(gòu)方面
盡力做到了結(jié)構(gòu)的合理性與簡(jiǎn)潔性，將車(chē)模重量分布盡可能合理化，車(chē)模設(shè)計(jì)全為自己進(jìn)行。
電路板均為自己設(shè)計(jì)與焊接，完成了充電，轉(zhuǎn)壓，采集，控制等各項(xiàng)任務(wù)。
自己繞制線圈，配置電容模組以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和獲能。
7.1.3不足之處
車(chē)模的功耗還是有很多應(yīng)該避免的地方有待解決，車(chē)模的結(jié)構(gòu)還有較大的優(yōu)化空間，充電效率依然有較大的提升空間。
7.2工作綜述
在比賽的準(zhǔn)備期間,我們小組成員涉獵機(jī)械學(xué)，電力電子學(xué)，控制科學(xué)，傳感器應(yīng)用，計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。通過(guò)數(shù)月的智能車(chē)制作，我們學(xué)到了很多實(shí)踐能力，從方案選擇、更改、重新設(shè)計(jì)到實(shí)施方案，細(xì)調(diào)參數(shù)，機(jī)械和硬件制作，軟件編寫(xiě)，各方面都有深刻的體會(huì)，每一個(gè)細(xì)致的工作都會(huì)為小車(chē)這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)正面的影響，而每個(gè)疏漏，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不協(xié)調(diào)。這次比賽對(duì)我們的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)有極大的推動(dòng)作用,同時(shí)也加深了隊(duì)友之間的感情，為自己的未來(lái)添磚加瓦。我們感謝英飛凌公司提供了如此一個(gè)好的平臺(tái)來(lái)讓我們展現(xiàn)自我，小車(chē)在賽道上的馳騁，無(wú)疑也是我們那顆年輕的心的馳騁!
因?yàn)闀r(shí)間倉(cāng)促，水平有限，有很多疏漏或者錯(cuò)誤，也很遺憾沒(méi)有更加細(xì)致的寫(xiě)出整個(gè)設(shè)計(jì)方案，衷心希望老師對(duì)我們的工作提出寶貴的意見(jiàn)，給我們指點(diǎn)，讓我們?cè)诮窈蟮墓ぷ鲗W(xué)習(xí)中獲取更多的進(jìn)步。
致 謝
借書(shū)寫(xiě)技術(shù)報(bào)告的機(jī)會(huì)向幫助過(guò)我們的指導(dǎo)老師，哈工大智能車(chē)社團(tuán)的學(xué)長(zhǎng)們，哈工大學(xué)校、學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)以及組委會(huì)的老師，表示深深地謝意！
更要向隊(duì)內(nèi)的隊(duì)友表示深深地感謝，感謝陪伴在一起的日日夜夜！通過(guò)參賽，我們學(xué)會(huì)了很多！
最后，向沒(méi)有機(jī)會(huì)出現(xiàn)在隊(duì)員名單中的幕后英雄致敬！
參考文獻(xiàn)
[1] 關(guān)于舉辦第十六屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽的通知.
[2] 第十六屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽競(jìng)速比賽規(guī)則.
[3] 華成英, 童詩(shī)白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京, 高等教育出版社, 2006
[4] 邵貝貝. 單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法. 北京, 清華大學(xué)出版社, 2001
[5] 劉慧銀, 龔光華, 王云飛等. Motorola(Freescale)微控制器MC68HC08原理及其嵌入式應(yīng)用(新版). 北京, 清華大學(xué)出版社,1993
[6] 卓晴, 黃開(kāi)勝, 邵貝貝等. 學(xué)做智能車(chē). 北京, 北京航空航天大學(xué)出版社, 2001
[7] 潘新民, 王燕芳. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 北京, 高等教育出版社, 2001
[8] 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京, 北京航天航空大學(xué)出版社, 1997
[9] Karl J.Astrom, BjormWittenmark. Computer-Controlled Systems Theory and Design[M]. 北京, 電子工業(yè)出版社，2001.
[10] Freescale Semiconductor, Inc. MK60DN256ZVLL10 Sub-family Reference Manual[M], Rev.6, Nov. 2011
[11] LM2940 datasheet
[12] MC33886 datasheet
[13] BTS7960 datasheet
[14] 夏路易, 石宗義. 電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)教程Protel 99SE[M]. 北京, 北京希望電子出版社
[15] 曹麗，劉揚(yáng)，劉偉.利用加速度計(jì)和陀螺儀的筆桿運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)[M].儀器儀表學(xué)報(bào)
[16] 閻石. 數(shù)字電子電路基礎(chǔ). 北京, 高等教育出版社, 2005
