第三届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告学校：同济大学队伍名称：RaceKing参赛队员：刘矗殷辰佳孙东元带队教师：罗峰关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第三届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。
参赛队员签名：带队教师签名：日期：目录第一章引言 (1)第二章电方案概述 (2)2.1光电道路识别方案分析 (2)2.1.1 韩国透镜方案 (2)2.1.2 连续式传感器方案 (4)2.1.3 脉冲大电流前瞻方案 (5)2.2 道路识别方案概述 (6)第三章机械改装 (8)3.1车模重心的调整: (8)3.2齿轮啮合间隙的调整 (8)3.3 舵机安装方式的调整 (9)3.4 差速机构的调整 (9)3.5 主悬架的调整 (9)3.6 主销倾角的调整: (10)3.6.1 主销后倾角 (10)3.6.2主销内倾角 (10)3.6.3车轮外倾角 (10)3.6.4 车轮前束 (11)3.6.5 后轮的外倾角 (11)第四章电路设计 (12)4.1 核心控制器模块 (13)4.1.1 MC9S08QE128功能概述 (13)4.1.2 双芯片功能分配 (15)4.1.3 最小系统电路设计 (16)4.2 电能分配模块 (17)4.2.1 各模块用电情况分析 (18)4.2.2 LM2596-5.0开关稳压电路 (19)4.2.3 LM1117三端稳压电路 (20)4.2.4 MC34063DC-DC升压电路 (20)第五章控制算法 (23)5.1 传感器主动跟随算法 (23)5.2 转向算法 (25)5.3 电机速度控制算法 (27)第六章调试工具 (32)6.1 监控调试平台 (33)6.2 无线监控接口 (34)6.3 三维仿真调试模块的实现 (36)第七章结论 (40)第一章引言本论文按照第三届“飞思卡尔”全国大学生智能汽车大赛光电组比赛要求，在充分分析了上两届比赛论文和大赛情况并详细分析光电组传统方案后，本队进行创新设计并成功解决困扰已久的传感器探测距离和探测精度的问题，使本队赛车达到前瞻距离50cm（传感器路面探测点距赛车转向轮的距离）和精度0.5cm（路面黑线横向探测间距）的探测性能，同时还有着极高的稳定性和抗干扰能力。
而且，本队不仅在传感器方面较之其他传统光电车队有了质的飞跃，在控制器方面也有很大的改进。
采用飞思卡尔公司2007年的最佳8位处理器MC9S08QE128作为核心控制器。
此芯片不仅功能丰富，性能强大，而且规则规定可以使用两片8位芯片，可以同时进行信号处理和电机控制，在算法设计上也有了更大的空间和更灵活的方案。
在整个比赛的准备过程中，本队还开发了相应的上位机调试平台，可以通过无线收发器接收赛车实时信息，在电脑上位机中直观地了解赛车目前行驶情况和存在的问题。
另外此软件还可以进行赛车控制算法仿真，通过电脑模拟算法运行结果对算法可能产生的效果进行定性评价，大大提高的算法开发的效率。
在接下来的技术报告中，主要从机械，电路，算法和调试四方面对本队的技术方案作较为具体的介绍。
首先在第二章的方案概述中先分析了光电车的特性和主要问题，然后介绍应对的方案并给出本队的解决方案同时再赛车系统整体做定性介绍，然后在第三章机械改装，第四章电路设计和第五章控制算法中对本方案的各个细节进行介绍。
接着在第六章调试工具中详细就介绍了本队自主开发的上位机平台。
第二章电方案概述由于本次比赛中对于执行机构不能有任何改动，所以方案设计主要集中在道路识别方案和控制系统上。
在道路识别方面，本队使用随动舵机控制前瞻光电开关对赛道黑线主动跟随，转向舵机通过随动比控制进行转向，使得前瞻距离可以加长而不用担心盲区问题，在任意情况都可以较好的循线。
在控制芯片方面使用了两片MC9S08QE128CLK，将信号分析和电机控制分开运行，进一步减小控制时间提高控制精度。
由于对于智能车系统来说，最主要的是道路识别系统，其识别能力的优劣将直接影响赛车的行驶性能，所以接下来主要分析道路识别方案，而其他部分将分散在其他章节逐个介绍。
2.1光电道路识别方案分析2.1.1 韩国透镜方案在本届大赛规则中对于光电组别的划分是这样规定的：“在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电赛题组。
”，可见实际上大赛对于光电组组使用什么方式进行道路识别是非常宽松的，透镜一样也可以使用，只要不是用来成像就可以。
正如韩国2007年的二等奖车队KEM4328便是使用透镜来增加探测距离提前探测弯道，在透镜内部只有两个接收管，对于道路信息的提取是以点的方式进行，而不是图像，所以并不违反比赛规则，这点也已经向大赛组委会确认过了。
如下图所示便是韩国透镜车：第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图2.1但是透镜方案制作复杂而且体积庞大，往也无法前伸过多，以免造成整车质量前移而产生车体前倾不利于整车稳定性，同时车重增加导致惯性过大也会极大影响赛车的加减速性能，所以在韩国的透镜方案中也有车队为了将车身重量匹配好而把电池后移并且作了整车轻量化改造的情况，比如下图的2006年的冠军Nalssen车队便是如此：图2.2第二章光电方案概述不过此类方案虽然在一定程度上提高了探测距离，但在探测精度方面并没有很大改善，仍取决于传感器的布置方式，当然也可以通过一些手段提高探测精度，比如接下来要提到的清华大学的连续式传感器使得纵向探测精度达到了1mm的水平。
总之，由于韩国智能车大赛的赛道很长只能跑一圈而且提前公布赛道形状，和中国赛事情况不同，所以对于他们车队来说，稳定性是最重要的，速度反倒是其次，所以其对探测距离的要求不如我们这么大。
2.1.2 连续式传感器方案这是在飞思卡尔技术社区中清华大学三角洲工作室spanner上传的技术报告中提到的方案，使用模拟器件然后通过实验拟合出每个传感器的电压-距离曲线来提高纵向探测精度，如下图为其传感器特性和拟合曲线图：图2.3第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告可见，理论曲线和拟合曲线还是非常接近的，而且各个传感器的一致性也相当好。
这一方面取决于在传感器选择上使用了较为合适的产品，另一方面也是其归一化处理和拟合方法比较得当所致。
通过这种软件方法就可以有效地提高传感器的一致性，并且大大提高了纵向探测精度。
不过前提是要有较好的归一化处理算法和曲线拟合测试保证，对于算法的编写和实验能力有一定的要求。
2.1.3 脉冲大电流前瞻方案同样也是出自清华大学得方案，主要思想就是通过加大发光管上的电流来提高传感器探测距离，但是传感器长时间通大电流会造成器件损坏，所以就使用脉冲发射的方式进行，如此一来便可以有效地增加探测距离。
不过这样做会造成一定的干扰性，虽然通过滤波或者其他技术可以解决，但对于模拟电路调试方面就有比较高的要求了。
下图是其前瞻传感器图片：图2.4 图2.5如此一来，理论上就解决了光电传感器前瞻距离的问题，可以说只要电路参数调得好，达到40cm甚至50cm的前瞻距离都是有可能的。
不过，在spanner上传的另一篇文章（《基于Plastid1仿真平台的智能车硬件有话设计》）中也指出理论上存在一个最佳的前瞻距离，文章认为在光电传感器一字排列时，最佳前瞻距离与车速第二章电方案概述有关，3m/s时选30cm左右为佳，同时也认为如果“不考虑机械设计和光电设计的难度的情况下，应当使前瞻距离随实际车速而变化”。
总之，在前瞻距离问题能够解决的情况下，并不是越远越好，至少对已一字排列传感器而言存在一个最佳前瞻距离的问题。
2.2 道路识别方案概述在之前的方案分析中可以发现，对于光电组来说，传感器的探测距离和探测精度非常重要，也是上届比赛中所有光电车队面前的最大障碍。
这两个问题虽然目前都有一些解决方案，无论是距离或者精度都可以大幅度提高，但是毕竟受限于信息量，使得道路识别的综合效果无法得到有效的提高。
由于光电传感器有数量上的限制，对于赛道的探测势必受限于信息量，无论精度多高，也只能是布置了传感器的这一块区域内的精度较高，在赛道上没有布置传感器的地方就是盲区。
所以探测距离越远，盲区也就越大。
精度无论多高，看不见赛道就无法正确控制，势必速度就无法提高，这也是为何一字型布局会有最佳前瞻距离的原因。
同样的，任何单排的固定布局方式都一定会存在这个最佳前瞻距离，也就是前瞻极限。
所以，接下来要做的就是如何增加这个前瞻极限使得赛车可以获得更大的前瞻距离同时又不会有过多的盲区产生。
于是，便得出了本队的大前瞻随动控制方案。
如下图所示：第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图2.6这个方案是将大前瞻传感器安装在伺服电机（随动舵机）上，前置并悬伸出车体前端，将前瞻距离用到前排传感器（随动光电组）所能达到的最大距离，大约50cm 左右。
然后控制随动舵机使其跟踪黑线并始终将黑线置于随动光电组的中间位置，犹如导弹跟踪一般。
接着在控制算法中通过随动比调节转向舵机的转角，使其配合随动舵机进行转向，如此便能达到赛车系统的超前调节和路径优化等目的。
具体的控制算法见后文第五章控制算法部分。
第三章机械改装对于模型赛车而言，底盘质量对赛车性能有举足轻重的影响。
但是本次比赛中赛车的底盘部分偏软，做工粗糙，悬架系统性能较差而且还不是四轮驱动，平心而论并不适合做这类电动平路赛的比赛用车。
但是由于大赛对于底盘改造规则相当严格，所以对所有车队而言也非常公平，那么接下来如何合理调整相应参数使得赛车性能提高，将是所有车队面临的问题和挑战。
3.1车模重心的调整:在赛车各部分零部件大体完成的时候，我们通过移动车上零部件的位置，对其重心进行了调整，通过大量的对比实验后发现：不论使重心偏左还是偏右，赛车在弯道较多的赛道上都会出现不同程度的滑移和转向不足。
因此，重心应当尽量处在相对车模左右对称的中心平面内。
另外，通过实验发现：当赛车重心偏后时，虽然增大了后轮与地面间的摩擦，提高了车子的抓地力，使得起步较快。
但是，由于前轮上所分配的载荷较轻，使赛车转向时前轮滑移，造成过弯时间变长。
当赛车重心偏后的时候，虽然使得转向更平稳，但后轮的附着力不足，导致赛车动力不足，起步变慢。
因此，综上考虑，根据赛车的实际情况调整车体重心，使其处于中心偏后优化其稳定性。
3.2齿轮啮合间隙的调整赛车驱动为主办方提供的RS-380SH-4045电机，做后轴驱动。
电机传动轴和赛车后轴之间采用齿轮啮合传动，传动比为9：38。
另外，光编码器和后轴之间同样采用齿轮啮合。
齿轮啮合性能的好坏，直接影响电机的驱动效率。
