智能汽車(chē)競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告(節(jié)選)

　　摘要：針對(duì)智能車(chē)競(jìng)賽中傳感器信號(hào)處理設(shè)計(jì)安裝、底盤(pán)參數(shù)選擇、電路設(shè)計(jì)、HCS12控制軟件主要理論、控制算法等方面進(jìn)行闡述，并列出了模型車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)。

　　第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽在原有CCD組和光電組基礎(chǔ)上增加了電磁組，以100mA的交變電流為賽道，自主開(kāi)發(fā)檢測(cè)傳感器，檢測(cè)賽道信息。鑒于電磁組與光電、CCD在檢測(cè)方法上有本質(zhì)的不同，我們?cè)趥鞲衅髟O(shè)計(jì)上采用電感線(xiàn)圈檢測(cè)磁場(chǎng)，通過(guò)在多個(gè)點(diǎn)布置不同方向的檢測(cè)傳感器獲取賽道信息，利用所獲取的信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)賽車(chē)轉(zhuǎn)向、速度進(jìn)行控制。同時(shí)，我們利用前幾屆比賽積累下的經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)加強(qiáng)在電源管理、噪聲抑制、驅(qū)動(dòng)優(yōu)化、整車(chē)布局等方面的研究工作，使智能車(chē)能夠滿(mǎn)足高速運(yùn)行下的動(dòng)力性和穩(wěn)定性需求，獲得了良好的綜合性能和賽場(chǎng)表現(xiàn)。

　　整車(chē)設(shè)計(jì)思路

　　控制系統(tǒng)

　　智能車(chē)的工作模式如圖1所示：電磁傳感器獲取賽道某點(diǎn)電磁特性，信號(hào)輸入到S12控制核心，進(jìn)行進(jìn)一步處理以獲得賽道信息;通過(guò)光電編碼器轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)車(chē)速，并采用S12 的輸入捕捉功能進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算車(chē)速和路程;通過(guò)片上AD檢測(cè)電池電壓;舵機(jī)轉(zhuǎn)向采用分段PID控制;電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用PID控制，通過(guò)PWM控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)的功率。

　　整車(chē)布局

　　鑒于賽車(chē)和賽道的特點(diǎn)，并且車(chē)模不變，今年在整車(chē)布局上仍延續(xù)基本布局的思路，采用低重心緊湊型設(shè)計(jì)，并架高舵機(jī)以提高響應(yīng)速度。為調(diào)整整車(chē)重心位置，采用碳桿支撐電磁傳感器，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 在降低整車(chē)重心方面采用了低位主板的布局，同時(shí)設(shè)計(jì)了強(qiáng)度高質(zhì)量輕的電磁傳感器安裝架，減輕信號(hào)采集電路板重量，降低電池架高度，降低賽車(chē)前方底盤(pán)高度，如圖2。

　　電磁組主要特點(diǎn)

　　1. 傳感器信號(hào)為模擬值

　　電磁組需要檢測(cè)的信號(hào)為大小100mA，頻率為20KHz的方波信號(hào)，賽道由導(dǎo)線(xiàn)鋪成，導(dǎo)線(xiàn)周?chē)植贾蛔兊碾姶艌?chǎng)，由于賽道的各種形狀，使得磁場(chǎng)發(fā)生疊加，不同的賽道形狀形成不同的特征磁場(chǎng)，如下圖為十字線(xiàn)附近的磁場(chǎng)。賽道信息相對(duì)于傳統(tǒng)黑白線(xiàn)具有信號(hào)可以提供模擬信息的優(yōu)勢(shì)，我們利用電磁賽道這種優(yōu)勢(shì)，完善小車(chē)控制算法，達(dá)到了較好的控制效果。

　　2. 傳感器信號(hào)具有方向性

　　磁場(chǎng)是矢量，在空間的分布為具有方向性，所以傳感器檢測(cè)到的信號(hào)也具有特定的方向性。在實(shí)際檢測(cè)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，不同方向傳感器的變化規(guī)律有很大的不同，這也和磁場(chǎng)的分量變化規(guī)律相一致。比如，磁場(chǎng)垂直分量變化的比較早，但是受相鄰賽道的影響較大，而磁場(chǎng)的水平分量恰好相反。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　傳感器方案

　　磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器

　　使用10mH電感和6.8nF電容并聯(lián)諧振，來(lái)感應(yīng)20kHz的磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，得到正弦波，再用AD采樣，得到正弦波的峰值，以判斷傳感器離導(dǎo)線(xiàn)的距離，從而定位導(dǎo)線(xiàn)。由于官方給出的三極管放大電路不易調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，檢波電路信號(hào)變化速度較慢，我們決定使用運(yùn)放放大直接由AD采樣。電路圖如圖4。運(yùn)放使用了TL082雙運(yùn)放，能夠?qū)⑿盘?hào)放大幾千倍，可以滿(mǎn)足探測(cè)的需要。電磁起跑為并排放置的3000gauss的磁鐵，經(jīng)過(guò)對(duì)霍爾傳感器和干簧管的試驗(yàn)，最終選擇使用干簧管做起跑檢測(cè)，以達(dá)到較高的檢測(cè)精度和較大的檢測(cè)距離。

　　傳感器的布局

　　電磁傳感器測(cè)出的信號(hào)為當(dāng)前所在位置的某個(gè)方向的磁場(chǎng)信息，所以傳感器的布局至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器相距較大，視角寬，得到的賽道信息量大。所以，采用盡量架寬主要傳感器的方式，以獲得豐富的賽道信息，并且提前預(yù)知賽道形狀。