哈工大恩智浦智能小车技术报告 -

标题: 哈工大恩智浦智能小车技术报告 [打印本页]

作者: xiaoling123 时间: 2018-5-22 15:31
标题: 哈工大恩智浦智能小车技术报告
哈工大智能小车技术报告

摘要
本设计以第十二届“恩智浦”杯全国智能车大赛为背景，以自行设计制作车模
平台，制作一辆以恩智浦 32位微控制器 K60作为核心控制单元、以 IAR 为开发
环境、利用电感获取赛道信息，解决弯道、坡道、圆环等特殊赛道元素，并沿着
赛道以适合的速度运行的智能小车。该智能车车系统显示了高度的智能化、人性
化，并且具备良好的安全性、稳定性，可以为无人驾驶汽车及环保个人交通工具
的后续研究提供经验。

为了降低整车重心，需要严格控制电感线圈以及支撑架的重量，同时又要考
虑前瞻的长度和角度。我们采用碳纤维管作为安装线性电磁传感器的主桅，这样
可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度，使电感线圈
更加稳定，从而减小数据采集的误差。电感线圈的安装如图2.2所示。

由于我们是超级电容供电，所以电源模块的设计显得至关重要，电源的首要指标是可靠性，整个硬件系统的工作完全由电源供电的可靠性决定，电源供电不稳定会引起损耗、单片机复位、舵机及传感器损毁等严重问题；另外，与传统的电池供电不同，超级电容在供电过程中存在电压降低的问题，所以，在接入电路时，还要有稳压的模块。

电源设计中主要考虑到需要的电压和电流，另外还设计了电池电压显示，便于直观发现电池电量是否正常。如图  4.1 所示，智能车需要的电源要求包括 3.3V，5V，-5V，12V 等。
根据规划，5V  供电我们选择了TPS63070 开关电源芯片,对于这款芯片，其输入范围为 2V-16V，而输出可调，并且输出电流可以达到 2Ａ，足以满足单片机、传感器、外围电路，以及我们选的银燕舵机正常工作所需要的电流。设计原理图如下图所示。

３.３Ｖ我们采用ＴＰＳ７３６３３电源稳压芯片，将５Ｖ转成３.３Ｖ。下图是其原理图。由于其输出电流不大，２００ｍａ，因此为了增加电路的稳定性，我们使用了两块ＴＰＳ７３６３３分别为单片机和其他外围电路分开供电。

而整个电路分为了两个地，ＡＧＮＤ（模拟地）和ＰＧＮＤ（功率地），这样的设计是为了避免电机大电流对运放产生干扰，从而为小车提供精准定位。
4.2 驱动电路设计
驱动电路为智能车驱动电机提供控制和驱动，这部分电路的设计要求以能够通过大电流为主要指标。驱动电路的基本原理是  H 桥驱动原理，目前流行的H 桥驱动电路有：  H  桥集成电路，如  MC33886；集成半桥电路，如  BTS7960 等；MOS  管搭建的  H 桥电路。

对于节能组，为了选出一个低功耗的驱动方案，我们对比三种电路都进行了搭建并测试，MC33886  的优点是电路简单，外围元件少，但缺点是内阻较大，通过电流有限，可以通过两片  MC33886  并联方式进行改善；ＩＲ２１０４＋MOS 管搭建的H  桥电路可以通过较大电流，但由于每个 MOS 管体积较大，因此电路板面积较大，而对于我们的车模，只使用了一个电机，需要的驱动电路还^

PID 参数整定
运用 PID 控制的关键是调整 KP、KI、KD 三个参数，即参数整定。PID 参数的整定方法有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数；二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。由于智能车系统是机电高耦合的分布式系统，并且要考虑赛道的具体环境，要建立精确的智能车运动控制数学模型有一定难度，而且我们对车身机械结构经常

进行修正，模型参数变化较为频繁，理论计算整定法可操作性不强，最终我们采用了工程整定的方法。
5.3 速度控制部分
我们对速度的要求是稳定，在运行的过程中调节时间小，视为一个调节系统，因为作为智能车这个惯性系统来说，速度不会徒增骤减（与控制周期比较），因此我们使用了PI控制，经过调试，选择合适的 PI系数后，加速可以很快也不会过冲，控制效果很好。

5.4舵机控制部分
中提取控制量来控制舵机的转向，实现智能车的自动循迹是整个程序算法
的核心部分，只有舵机控制好了，才可能实现在不同的赛道元素上迅速、稳定的
前进。
舵机在用于转向中，我们对它的要求是响应时间快，可以很好的复现输入信
号，因此，舵机的模型应该为伺服系统，对于伺服系统，我们都采用 PD 控制。
其中，P 决定了系统的带宽，也直接决定了其响应速度；D参数决定了车的调整
时间。通过适当的调整，我们的角度伺服系统满足要求。

7.1 总结
7.1.1 控制方面
我们针对速度和转向分别做了不同的控制策略，取得了很好的效果。
7.1.2 特色设计
1)所有硬件电路，包括测速传感器、电感，都是亲自绘制电路板，自己焊接制作，这样能更好的定制符合自己车模的电路模块；
2)对于电容模组的搭建我们也是下了一番功夫，在多次的测试中，我们发现，不同的超级电容模组的性能是有很大的差别的。同一个品牌的电容，在不同的搭配下，其性能差别也十分明显。我们买来大量的模组进行实验最终发现，当模组两端电压维持在8-8.5伏特时，电机运行的性能最优。因此，我们制作了若干模组来应对不同长度的赛道。

7.2 结束语
通过数月的智能车制作，我们学到了很多实践能力，从方案选择、更改、重新设计到实施方案，细调参数，机械和硬件制作，软件编写，各方面都有深刻的体会，每一个细致的工作都会为小车这个系统的稳定性带来正面的影响，而每个疏漏，都会导致整个系统的不协调。在制作智能车的过程中，我们苦恼过，也因为小车跑的好而开心的笑过，我相信所有的智能车爱好者在制作小车以及智能控制小车的过程中，体会到的不仅仅是制作小车的乐趣，还有在制作做过程中队友们的齐心协力。小车转过第一个弯道的记忆如今还深深地留存在我的脑海里，就像你倾心栽培的一株花终于开了花，也像一个蹒跚学步的小孩突然小跑起来，那种感觉很让人兴奋。为了小车跑的好，我们熬过无数夜，翻阅各种资料，也曾在睡梦中无数次做梦梦到小车完美的直道加速、转弯、冲过十字道等等。如今回头看，欣喜地发现，在这个过程中，我们收获的不是一两点说的完的，不论是学知识，还是学做人，都是一次非常值得的经历。我们感谢恩智浦公司提供了如此一个好的平台来让我们展现自我，小车在赛道上的驰骋，无疑也是我们那颗年轻的心的驰骋!

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