第二屆全國大學生「飛思卡爾」杯
智慧型汽車競賽
技術報告
學校： 河北理工大學
隊伍名稱： 冀風
參賽隊員： 李瑋
汪漢清張明吉
帶隊教師： 張瑞成
關於技術報告和研究**使用授權的說明
本人完全了解第二屆全國大學生「飛思卡爾」杯智慧型汽車競賽關保留、使用技術報告和研究**的規定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄並公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的**、影象資料，並將相關內容編纂收錄在組委會出版**集中。
參賽隊員簽名
帶隊教師簽名
日期針對第二屆「飛思卡爾」杯全國大學生智慧型汽車邀請賽的要求，結合第一屆大賽各隊的特色參賽報告，我們提出了簡單、穩定、快速、智慧型的方針作為模型車方案設計的指導原則。在整個準備過程中，我們經歷了學習相關文獻、分析系統組成原理、製作硬體電路、選擇控制策略、實際跑道除錯等五個階段，而且針對各種實際問題我們提出了多種解決方案，並經過大量的實驗，從而得出了一些相對較好的策略和思想。經過對被控物件的分析，我們把智慧型車控制系統分為兩個主要的子控制系統：
轉向控制系統和速度控制系統。轉向控制系統保證小車能夠緊密的跟隨黑線前進，速度控制系統能使智慧型車盡快穩定在所需要的不同速度上，即保證在直道入彎時能夠迅速降速保證小車不會因為車速過高而衝出跑道，在由彎道入直道時能夠經快使小車提高到所需的速度，從而提高小車的平均速度。
本文可分為三部分，第一部分簡述了硬體製作過程的方案選擇。第二部分詳細的闡述了智慧型車的控制思想及實現的方法。如黑線檢測方案、路形判斷方案、速度調節方案等。
第三部分是總結，主要總結了製作的經過以及一些心得體會。
表2.1技術引數
電源做為智慧型車的「心臟」，是小車的重要組成部分。小車使用的電源提供的電壓為7.2v，據資料可以知道，電動機可以工作在7.
2v，但微控制器、感測器必須工作在5v電壓下。故必須利用穩壓晶元進行穩壓。舵機可以工作在4.
5v~7.2v，舵機工作的電壓越大，它的反應速度越快。但由電源同時直接供電給電動機和舵機時，它們之間會產生很大的干擾。
如果用穩壓電路給舵機供電，就可以消除它們之間的干擾。利用7806穩壓晶元穩壓，使舵機工作在6v電壓下。電壓分配圖如下：
圖2.1 智慧型車系統電壓分配圖
路徑檢測方式主要有兩種：光電感測器檢測和ccd攝像頭檢測。由於光電感測器具有掃瞄頻率高、結構簡單、質量輕 、體積小、安裝方便、演算法簡單等優點，所以採用光電感測器檢測方式。
為了能夠清晰準確的辨別黑線軌跡，利用紅外光電感測器的特性，製作了路徑識別模組。電路特點：電路原理簡單，安裝方便，檢測速度快（道路檢測週期一般是幾十毫秒，遠快於ccd檢測，相比之下紅外置受管對反射光的響應時間和微控制器讀取訊號的時間是幾十微秒，因此在乙個檢測週期的大部分時間內，紅外發射管不需要工作，只要檢測瞬間工作即可。
這樣就可以大大降低耗電量。），如圖2.2所示，電路可以輸出連續變化的訊號。
圖 2.2 光電感測器驅動電路
該電路的實驗結果：電路和各引數如圖所示，第一級檢測電路可得到電壓是高電平10—15mv，低電平0—4mv，波形較好。經過第二級放大，通過設定可調反饋電阻可以調節放大倍數。
由於光電感測器是通過判斷接收到的光的強度來識別賽道的，不可避免的要受到外界環境干擾，在電路中產生雜訊。雜訊主要來自環境光線干擾，主要是日光和賽道附近燈光。抑制雜訊的措施主要有：
①安裝遮光板。②增加紅外發射功率，可以提高檢測訊號的訊雜比。③電路濾波：
環境干擾訊號一般是緩慢變化的，可採用脈衝式紅外發射與檢測方式，或者選用帶有38khz的調製/解調紅外發射接受模組。④軟體濾波，使用微控制器ad口採集紅外檢測訊號，再通過軟體濾除干擾資訊。
「一」字形排布是感測器最常用的排布形式，即各個感測器都在一條直線上，從而保證縱向的一致性，使其控制策略主要集中在橫向上。非「一」字形排布雖然增加了縱向的特性。但由於縱向的排列不一致，就比「一」字形更增加了多感測器同時感應的可能性，從而將控制策略複雜化。
而「一」字形排布結構簡單，對應的控制策略簡單，容易實現，所以採用「一」字形排布形式
為了使智慧型車快速，穩定的跟隨黑色軌跡，乙個快速，準確的測速感測器系統是必不可少的。常用的測速感測器包括紅外光電感測器，霍爾感測器和測速發電機。本設計採用了基於紅外光電感測器的智慧型車測速系統。
選用紅外光電感測器，響應時間是微秒量級，對於測量系統中的速度是完全足夠的。經過測量，車輪周長17cm，所以採用了17孔的測速碼盤，就可以滿足系統的要求，並且經實際測試可以達到上述目的。電路原理圖及測速碼盤示意圖如下：
圖2.3 測速感測器電路圖圖2.4 測速碼盤示意圖
電機驅動模組採用的是大賽組委會提供的mc33886晶元。
mc33886簡介：20個引角，其中d1,d2為使能端，in1，in2為輸入端，out1，out2為輸出端，將mc33886的輸入端接到微控制器pwm輸出口，在其輸出口可以得到與微控制器pwm輸出口相應的並可以驅動直流電動機的pwm訊號
mc33886其實質就是乙個h橋驅動電路，只不過它又加了一些保護電路，起到過流保護等作用。mc33886內部具有過電流保護電路，剎車效果好，介面簡單易用，能夠提供較大的驅動電流，但對於小車驟然時所需的電流還是不夠的，而且其發熱量也比較大。為了解決發熱的問題，我們採用了兩片33886晶元併聯使用的方式，經過實驗這種方式可以有效的驅動電機並且發熱量很小，完全可以滿足要求。
為了盡量緩解舵機滯後性所帶來的影響，提高它的響應速度，我們採取了相應的措施：
1）盡量加大舵機的工作電壓，提高其轉動速度。
2）利用桿槓原理，通過對小車的拉槓的調整，增大前輪轉角和舵機轉角的傳動比。
3）將小車的脈衝波形週期由20ms縮短到10ms，提高其響應速度。
智慧型車控制演算法是影響智慧型車運動效能的重要因素之一，在輸入訊號有限的條件下，運用一種有效的演算法，對於提高智慧型車的運動效能，有著重要的作用。系統方框圖如下：
圖3.1 系統方框圖
使用整合紅外感測器的缺點是它對路徑的檢測是離散的量，不能連續觀注到黑線位置的變化。當感測器的橫向間隔距離比較稀疏時，模型車進行方向糾正的時候會在黑線兩側產生較大的波動。所以感測器的間距不能過大，應當盡量的縮小。
但是，感測器的分布過密也有不足之處，如果過密會大大增加路徑檢測模組的質量，加大模型車的轉動慣量，不利於過彎。同時由於感測器的數量的限制，如果在個體之間布置過密，則整體的寬度也受到影響，檢測範圍縮窄，同樣不利於模型車的穩定執行。所以，感測器的間距應當根據實際的情況，在各種利弊之間進行合理的取捨，最終確定比較適中的間距。
經過反覆的分析和實驗測試，最終我們採用十二隻光電感測器「一」字型等距排列，間距是15mm。如圖3.2所示：
圖3.2 前排光電排布示意圖
為了能夠有效的反應黑線相對於小車的位置，對前排光電進行座標賦值，從左至右依次是-11，-9，-7，-5， -3，-1，1，3，5，7，9，11，當某乙個或兩個光電檢測到黑線時（即返回訊號為低電平時），通過軟體程式設計，根據光電反饋回來的高低電平的訊號，當某個光電返回的訊號為低電平時其對應的座標值才為有效值，而反饋回的訊號為高電平的光電對應的座標值無效，為零。微控制器根據收到的資料資訊對十二個座標值進行累加，然後除以具有有效座標值的光電數，即為黑線相對於小車前排光電的位置座標。通過軟體實現的細分的方法，可以把黑線相對於小車的位置值由12個提高到25個，在寬度不到170mm的範圍內細分為25個有效座標點，即為黑線與小車的相對位置每偏離5mm，此偏差即會被微控制器識別，這個精度完全可以滿足對小車的控制要求。
在製作前排光電和除錯的過程中，我們常常遇到光電管壞了而不知道，想知道某個光電處於的狀態時，資訊卻無從知曉。為此，我們把每個光電串了個發光二極體（如圖3.2），利用一定阻值的上拉電阻提高它的電壓，使當光電檢測到黑線時對應的二極體發光。
這樣我們就可是方便的觀察小車在執行的過程中每個光電的工作狀態了。
井巷工程認識實習河北理工大學
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