哈工大恩智浦智能小車技術(shù)報(bào)告

ID:335723 · 發(fā)表于 2018-5-22 15:31

哈工大智能小車技術(shù)報(bào)告

摘要
本設(shè)計(jì)以第十二屆“恩智浦”杯全國智能車大賽為背景，以自行設(shè)計(jì)制作車模
平臺(tái)，制作一輛以恩智浦 32位微控制器 K60作為核心控制單元、以 IAR 為開發(fā)
環(huán)境、利用電感獲取賽道信息，解決彎道、坡道、圓環(huán)等特殊賽道元素，并沿著
賽道以適合的速度運(yùn)行的智能小車。該智能車車系統(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，可以為無人駕駛汽車及環(huán)保個(gè)人交通工具
的后續(xù)研究提供經(jīng)驗(yàn)。

為了降低整車重心，需要嚴(yán)格控制電感線圈以及支撐架的重量，同時(shí)又要考
慮前瞻的長度和角度。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，使電感線圈
更加穩(wěn)定，從而減小數(shù)據(jù)采集的誤差。電感線圈的安裝如圖2.2所示。

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)重問題；另外，與傳統(tǒng)的電池供電不同，超級(jí)電容在供電過程中存在電壓降低的問題，所以，在接入電路時(shí)，還要有穩(wěn)壓的模塊。

電源設(shè)計(jì)中主要考慮到需要的電壓和電流，另外還設(shè)計(jì)了電池電壓顯示，便于直觀發(fā)現(xiàn)電池電量是否正常。如圖  4.1 所示，智能車需要的電源要求包括 3.3V，5V，-5V，12V 等。
根據(jù)規(guī)劃，5V  供電我們選擇了TPS63070 開關(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，以及我們選的銀燕舵機(jī)正常工作所需要的電流。設(shè)計(jì)原理圖如下圖所示。

３.３Ｖ我們采用ＴＰＳ７３６３３電源穩(wěn)壓芯片，將５Ｖ轉(zhuǎn)成３.３Ｖ。下圖是其原理圖。由于其輸出電流不大，２００ｍａ，因此為了增加電路的穩(wěn)定性，我們使用了兩塊ＴＰＳ７３６３３分別為單片機(jī)和其他外圍電路分開供電。

而整個(gè)電路分為了兩個(gè)地，ＡＧＮＤ（模擬地）和ＰＧＮＤ（功率地），這樣的設(shè)計(jì)是為了避免電機(jī)大電流對(duì)運(yùn)放產(chǎn)生干擾，從而為小車提供精準(zhǔn)定位。
4.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路為智能車驅(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  BTS7960 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，通過電流有限，可以通過兩片  MC33886  并聯(lián)方式進(jìn)行改善；ＩＲ２１０４＋MOS 管搭建的H  橋電路可以通過較大電流，但由于每個(gè) MOS 管體積較大，因此電路板面積較大，而對(duì)于我們的車模，只使用了一個(gè)電機(jī)，需要的驅(qū)動(dòng)電路還^

PID 參數(shù)整定
運(yùn)用 PID 控制的關(guān)鍵是調(diào)整 KP、KI、KD 三個(gè)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(jì)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(jì)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(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)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(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且我們對(duì)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(jì)算整定法可操作性不強(qiáng)，最終我們采用了工程整定的方法。
5.3 速度控制部分
我們對(duì)速度的要求是穩(wěn)定，在運(yùn)行的過程中調(diào)節(jié)時(shí)間小，視為一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因?yàn)樽鳛橹悄苘囘@個(gè)慣性系統(tǒng)來說，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)過調(diào)試，選擇合適的 PI系數(shù)后，加速可以很快也不會(huì)過沖，控制效果很好。

5.4舵機(jī)控制部分
中提取控制量來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)智能車的自動(dòng)循跡是整個(gè)程序算法
的核心部分，只有舵機(jī)控制好了，才可能實(shí)現(xiàn)在不同的賽道元素上迅速、穩(wěn)定的
前進(jìn)。
舵機(jī)在用于轉(zhuǎn)向中，我們對(duì)它的要求是響應(yīng)時(shí)間快，可以很好的復(fù)現(xiàn)輸入信
號(hào)，因此，舵機(jī)的模型應(yīng)該為伺服系統(tǒng)，對(duì)于伺服系統(tǒng)，我們都采用 PD 控制。
其中，P 決定了系統(tǒng)的帶寬，也直接決定了其響應(yīng)速度；D參數(shù)決定了車的調(diào)整
時(shí)間。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，我們的角度伺服系統(tǒng)滿足要求。

7.1 總結(jié)
7.1.1 控制方面
我們針對(duì)速度和轉(zhuǎn)向分別做了不同的控制策略，取得了很好的效果。
7.1.2 特色設(shè)計(jì)
1)所有硬件電路，包括測(cè)速傳感器、電感，都是親自繪制電路板，自己焊接制作，這樣能更好的定制符合自己車模的電路模塊；
2)對(duì)于電容模組的搭建我們也是下了一番功夫，在多次的測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)，不同的超級(jí)電容模組的性能是有很大的差別的。同一個(gè)品牌的電容，在不同的搭配下，其性能差別也十分明顯。我們買來大量的模組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)最終發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模組兩端電壓維持在8-8.5伏特時(shí)，電機(jī)運(yùn)行的性能最優(yōu)。因此，我們制作了若干模組來應(yīng)對(duì)不同長度的賽道。

7.2 結(jié)束語
通過數(shù)月的智能車制作，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，各方面都有深刻的體會(huì)，每一個(gè)細(xì)致的工作都會(huì)為小車這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來正面的影響，而每個(gè)疏漏，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不協(xié)調(diào)。在制作智能車的過程中，我們苦惱過，也因?yàn)樾≤嚺艿暮枚_心的笑過，我相信所有的智能車愛好者在制作小車以及智能控制小車的過程中，體會(huì)到的不僅僅是制作小車的樂趣，還有在制作做過程中隊(duì)友們的齊心協(xié)力。小車轉(zhuǎn)過第一個(gè)彎道的記憶如今還深深地留存在我的腦海里，就像你傾心栽培的一株花終于開了花，也像一個(gè)蹣跚學(xué)步的小孩突然小跑起來，那種感覺很讓人興奮。為了小車跑的好，我們熬過無數(shù)夜，翻閱各種資料，也曾在睡夢(mèng)中無數(shù)次做夢(mèng)夢(mèng)到小車完美的直道加速、轉(zhuǎn)彎、沖過十字道等等。如今回頭看，欣喜地發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)過程中，我們收獲的不是一兩點(diǎn)說的完的，不論是學(xué)知識(shí)，還是學(xué)做人，都是一次非常值得的經(jīng)歷。我們感謝恩智浦公司提供了如此一個(gè)好的平臺(tái)來讓我們展現(xiàn)自我，小車在賽道上的馳騁，無疑也是我們那顆年輕的心的馳騁!

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