02-02:? ? "恩智浦"杯智能汽車麥克納姆車(H車)非涉密部分詳解
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序言——凡塵
(1)筆者的驅(qū)動芯片為LPC54606,但不限于stm系列單片機(jī)、51、K6X、LPC、樹莓派等單片機(jī);
(2)歡迎各位大牛投稿補(bǔ)充和完善;
(3)筆者一向崇尚開源分享精神,對于關(guān)鍵非涉密技術(shù)除外技術(shù)將會開源分享給各位讀者;
(4)本文參考自參賽隊伍—工程五隊“第十四屆全國大學(xué)生‘恩智浦’杯智能汽車競賽“技術(shù)報告和技術(shù)檢查表,筆者為該隊隊長、星塵工作室室長對上述文本享有修改和撰寫的權(quán)利;
(5)本文采用的是單目攝像頭方案；
(6)方案主板詳細(xì)電路圖和驅(qū)動程序及模塊詳解文檔等，為內(nèi)部涉密文檔僅供內(nèi)部使用,不允予公開；
本文將從以下幾個方面展開詳解:
1.摘要
2.系統(tǒng)總體設(shè)計
3.智能小車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化
? ? 3.1 車輪改裝
? ? 3.2編碼器安裝
? ? 3.3電機(jī)增加散熱片輔助散熱
? ? 3.4增加雙拉桅桿
? ? 3.5電機(jī)驅(qū)動板固定
? ? 3.6防撞擋板
? ? 3.7防撞側(cè)板
4.智能車控制硬件設(shè)計說明
? ? 4.1電源穩(wěn)壓模塊
? ? 4.2編碼器驅(qū)動模塊
? ? 4.3電機(jī)驅(qū)動模塊
? ? 4.4.接口及外設(shè)
5.智能車控制軟件設(shè)計說明
? ? 5.1信標(biāo)燈提取及優(yōu)化處理
? ? 5.2PID控制算法介紹
6.開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過程說明
? ? 6.1開發(fā)調(diào)試工具
? ? 6.2 LCD液晶屏、按鍵、撥碼開關(guān)調(diào)試
? ? 6.3藍(lán)牙及調(diào)試
7.車模主要參數(shù)
1.摘要
? ? ? ? 本系統(tǒng)以LPC為核心，軟件平臺為IAR EWARM開發(fā)環(huán)境，車模為組委會統(tǒng)一提供的H車模(麥克納姆車)。
? ? ? ? 本文介紹了整個智能車系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計開發(fā)過程。使用LPC作為主控芯片，用安裝在車頭的攝像頭來采集賽場信息，用編碼器檢測車模速度。整個系統(tǒng)的工作原理是由攝像頭采集賽場信息，與編碼器采集的車模速度信息一起送給單片機(jī)，通過程序設(shè)計控制優(yōu)化算法，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到車模在賽道上的穩(wěn)定高速行駛。
2.系統(tǒng)總體設(shè)計
? ? ? ? 本車以LPC為核心處理器，對各個模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。攝像頭為核心傳感器，所獲數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)的分析計算后對信標(biāo)進(jìn)行定位，所得位置以X和Y的坐標(biāo)形式體現(xiàn)，X用與橫向移動，Y則反應(yīng)距離遠(yuǎn)近，是加減速的依據(jù)，Y與十字準(zhǔn)心偏差和X與十字準(zhǔn)心偏差的余切的絕對值W作為旋轉(zhuǎn)分量的參數(shù)。此外，編碼器獲得對速度的反饋，通過PID算法，使速度穩(wěn)定在給定值附近并能跟隨給定值的變化。考慮對抗因素，智能車還能實現(xiàn)倒車，原地旋轉(zhuǎn)等功能。
? ? ? ? 根據(jù)智能車系統(tǒng)的基本要求，我們設(shè)計了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖下圖。在滿足比賽要求的情況下，力求系統(tǒng)簡單高效，因而在設(shè)計過程中盡量簡化硬件結(jié)構(gòu)，減少因硬件而出現(xiàn)的問題。
3.智能小車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化
? ? 3.1 車輪改裝
? ? ? ? ? ? 車輪上小套筒原先為橡膠材質(zhì)，對地面摩擦力太小，導(dǎo)致車子跑動中會打滑，所以將材質(zhì)更換為了發(fā)泡海綿。
? ? 3.2編碼器安裝
? ? ? ? ? ? 編碼器的存在是對調(diào)速系統(tǒng)的重要保證，因此編碼器的安裝正確與否也至關(guān)重要。編碼器的安裝要保證齒輪完美嚙合，齒輪間間隙合適，過大易打壞齒輪，過小會增大傳動阻力。同時也要保證兩個齒輪傳動軸平行，使力的傳動均衡可靠。
? ? 3.3攝像頭、電池和主板的固定及改裝
? ? ? ? ? ? 攝像頭內(nèi)加裝紅外濾光片，對信標(biāo)的紅外進(jìn)行識別，而且對未亮信標(biāo)進(jìn)行識別，傳遞障礙信息。相鄰被點亮信標(biāo)間距離長遠(yuǎn)不同，這要求攝像頭需要有足夠大的視野，常用廣角攝像頭。在安裝位置上，攝像頭應(yīng)盡可能高，以擴(kuò)大視野，從攝像頭的具體高度則在避障參數(shù)測量時確定。攝像頭位置一旦確定，應(yīng)牢牢固定好，確保位置不發(fā)生改變。攝像頭放置在碳素桿上方，這樣可增大攝像頭視野，達(dá)到良好的采圖效果。通過魔術(shù)貼和扎帶可將電池牢固地貼附在車身上，而不至于在車體高速行進(jìn)的過程中將電池甩出。余下的位置用于安放主板。
? ? 3.3電機(jī)增加散熱片輔助散熱
? ? ? ? ? ? 在溫度不是很高時散熱片作用效果比較明顯。
? ? 3.4增加雙拉桅桿
? ? ? ? ? ? 在小車運行過程中可能會發(fā)生側(cè)翻情況,通過雙拉桅桿可對攝像頭所放置的碳素桿進(jìn)行加固。
? ? 3.5電機(jī)驅(qū)動板固定
? ? ? ? ? ? 通過三根塑料柱將驅(qū)動板撐起并固定。
? ? 3.6防撞擋板
? ? ? ? ? ? 智能車在實際運行的過程中有可能會出現(xiàn)撞擊障礙物的情況，因此在前端加裝了撞擊緩沖擋板(實際應(yīng)當(dāng)將前驅(qū)兩個輪子擋住,避免對前輪造成剛性沖擊)。
? ? 3.7防撞側(cè)板
? ? ? ? ? ? 在與其它車進(jìn)行競速過程中可能會遭受側(cè)向撞擊,為防止攝像頭主桿和主控板被撞壞,側(cè)板采用曲面3d打印擋板。
4.智能車控制硬件設(shè)計說明
? ? 4.1電源穩(wěn)壓模塊
? ? ? ? ? ? 穩(wěn)壓模塊采用TPS 7333和TPS7350分別作為3.3V和5V的穩(wěn)壓電源。TPS7333為攝像頭、電位器、、撥碼開關(guān)提供電壓。+5V為陀螺儀、編碼器、單片機(jī)供電，此外還為E3Z-D62光電開關(guān)+12V提供輸入電壓，+12V使用B0512S DC-DC模塊為驅(qū)動芯片提供電壓:
? ? 4.2編碼器驅(qū)動模塊
? ? 4.3電機(jī)驅(qū)動模塊
? ? ? ? ? ? 驅(qū)動電路功率元件為8片Infineon公司生產(chǎn)的opti-MOS 管IRLR7843。其具備三個關(guān)鍵的能效優(yōu)值（FOM），行業(yè)最低的導(dǎo)通電阻、最低的柵極電荷以及最低的輸出電容等。無論在任何負(fù)載條件下，都可使MOSFET功耗降低20%，同時達(dá)到最高的性能。通過額定工作電流可以輕易達(dá)到100A以上，大大提高了電動機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動器主要由以下部分組成：PWM號輸入接口、隔離電路、邏輯換向電路、死區(qū)控制電路、電源電路、上橋臂功率 MOSFET 管柵極驅(qū)動電壓泵升電路、功率opti-MOS柵極驅(qū)動電路、橋式功率驅(qū)動電路、緩沖保護(hù)電路等。電路原理圖如圖所示：
? ? 4.4.接口及外設(shè)
5.智能車控制軟件設(shè)計說明
? ? 5.1信標(biāo)燈提取及優(yōu)化處理
? ? ? ? ? ? 我們的總體設(shè)計思想是：首先通過攝像頭判斷信標(biāo)位置，通過單片機(jī)計算出的誤差值并通過PID算法輸出橫縱向移動速度和自轉(zhuǎn)速度，同時根據(jù)信標(biāo)遠(yuǎn)近控制速度輸出。
? ? 5.2PID控制算法介紹
? ? ? ? ? ? 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。PID控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。
? ? ? ? ? ? PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差。
? ? ? ? ? ? 將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行
控制，故稱PID控制器:
? ? ? ? ? ? 比例調(diào)節(jié)作用（P）：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
? ? ? ? ? 積分調(diào)節(jié)作用(I)：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高誤差度。當(dāng)有誤差時，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時間Ti，Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。
? ? ? ? ? ? 微分調(diào)節(jié)作用(D)：微分作用反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)得動態(tài)性能。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。
我們小車采用了下面兩種PID控制算法：
? ? ? ? ? ? ? ? (1)位置式PID控制算法
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項，對導(dǎo)數(shù)項用后向差分逼近，得到數(shù)字PID控制器的基本算式（位置算式）：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 其中x0為偏差信號為 0 時的控制作用，是控制量的基礎(chǔ)。
其中T是采樣時間。
? ? ? ? ? ? ? ? (2)增量式PID控制算法
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 在用計算機(jī)控制的離散系統(tǒng)中，PID的算式為：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 那么：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 兩式相減得增量式PID的算式：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 反映的是第k 次和第 k-1 次之間的增量，而且可以看出，使用增量式 PID只需要保存前兩次的誤差即可。因此代碼簡單高效，并且無積分的累加誤差。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 增量型算法與位置型算法相比，具有以下優(yōu)點：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (a)增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計算誤差或計算精度問題，對控制量計算影響較小。而位置型算法要用到過去的誤差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (b)增量型算法得出的是控制量的增量，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，而位置型算法的輸出是控制量全量輸出，誤動作影響大。
? ? ? ? ? ? 根據(jù)我們實際情況的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)單一套用PID公式并不能達(dá)到預(yù)期的效果。適當(dāng)對PID公式進(jìn)行優(yōu)化可以達(dá)到更好的效果。根據(jù)智能車系統(tǒng)提出的改進(jìn)方法有不完全微分、微分先行、前饋控制等。對智能車算法的采用最好是知其道，才能達(dá)到用其妙的效果，根據(jù)具體的情況使用PID，不能完全按照理論照本宣科，墨守成規(guī)。
? ? ? ? ? ? 運用PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整 KP、KI、KD 三個參數(shù)，即參數(shù)整定。PID 參數(shù)的整定方法有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。由于智能車系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布式系統(tǒng)，并且要考慮賽道的具體環(huán)境，要建立精確的智能車運動控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且我們對車身機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進(jìn)行修正，模型參數(shù)變化較為頻繁，理論計算整定法可操作性不強(qiáng)，最終我們采用了工程整定方法。
6.開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過程說明
? ? 6.1開發(fā)調(diào)試工具
? ? ? ? ? ? 軟件開發(fā)工具選用的是 Embedded Workbench for ARM。Embedded Workbench for ARM 是 IAR Systems 公司為ARM微處理器開發(fā)的一個集成開發(fā)環(huán)境(下面簡稱 IAR EWARM)。比較其他的ARM開發(fā)環(huán)境，IAR EWARM具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點。它為用戶提供一個易學(xué)和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境，以及對大多數(shù)和特殊目標(biāo)的支持。嵌入式IAR Embedded Workbench有效提高用戶的工作效率，通過IAR的DeBug工具，可以大大節(jié)省軟件調(diào)試時間。調(diào)試界面如圖所示：
? ? 6.2 LCD液晶屏、按鍵、撥碼開關(guān)調(diào)試
? ? ? ? ? ? 在小車的調(diào)試過程中需要不斷地修改變量的值來達(dá)到整定參數(shù)的作用，對此我們選用了液晶配合按鍵和撥碼開關(guān)的調(diào)試方法。此外，比賽的時候，修改參數(shù)我們同樣用這個模塊進(jìn)行修改。
? ? 6.3藍(lán)牙及調(diào)試
? ? ? ? ? ? 賽車在同樣的賽道上走過的路都是不一樣的，所以大家無論怎么考慮車的狀態(tài)都是不夠完全的，因此需要有一套完備的方案來解決對運行中的車輛進(jìn)行實時監(jiān)控。 為了解決這個問題，我們使用HC-05藍(lán)牙模塊配合上位機(jī)進(jìn)行實時觀測車模運行狀態(tài)。
7.車模主要參數(shù)
后記——凡塵
時間匆忙，未能用篇幅舉代碼實例幫大家理解和校對錯誤，更多的是結(jié)構(gòu)和整體壓縮的內(nèi)容，如有錯別字和內(nèi)容不合理的地方歡迎大家批評指正，如有想深入探討或是項目需求的朋友歡迎加入QQ群：QQ群：
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