哈工大恩智浦智能小車技術報告

ID:335723 · 發表于 2018-5-22 15:31

哈工大智能小車技術報告

摘要
本設計以第十二屆“恩智浦”杯全國智能車大賽為背景，以自行設計制作車模
平臺，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
環境、利用電感獲取賽道信息，解決彎道、坡道、圓環等特殊賽道元素，并沿著
賽道以適合的速度運行的智能小車。該智能車車系統顯示了高度的智能化、人性
化，并且具備良好的安全性、穩定性，可以為無人駕駛汽車及環保個人交通工具
的后續研究提供經驗。

為了降低整車重心，需要嚴格控制電感線圈以及支撐架的重量，同時又要考
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
更加穩定，從而減小數據采集的誤差。電感線圈的安裝如圖2.2所示。

由于我們是超級電容供電，所以電源模塊的設計顯得至關重要，電源的首要指標是可靠性，整個硬件系統的工作完全由電源供電的可靠性決定，電源供電不穩定會引起損耗、單片機復位、舵機及傳感器損毀等嚴重問題；另外，與傳統的電池供電不同，超級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，還要有穩壓的模塊。

電源設計中主要考慮到需要的電壓和電流，另外還設計了電池電壓顯示，便于直觀發現電池電量是否正常。如圖  4.1 所示，智能車需要的電源要求包括 3.3V，5V，-5V，12V 等。
根據規劃，5V  供電我們選擇了TPS63070 開關電源芯片,對于這款芯片，其輸入范圍為 2V-16V，而輸出可調，并且輸出電流可以達到 2Ａ，足以滿足單片機、傳感器、外圍電路，以及我們選的銀燕舵機正常工作所需要的電流。設計原理圖如下圖所示。

３.３Ｖ我們采用ＴＰＳ７３６３３電源穩壓芯片，將５Ｖ轉成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定性，我們使用了兩塊ＴＰＳ７３６３３分別為單片機和其他外圍電路分開供電。

而整個電路分為了兩個地，ＡＧＮＤ（模擬地）和ＰＧＮＤ（功率地），這樣的設計是為了避免電機大電流對運放產生干擾，從而為小車提供精準定位。
4.2 驅動電路設計
驅動電路為智能車驅動電機提供控制和驅動，這部分電路的設計要求以能夠通過大電流為主要指標。驅動電路的基本原理是  H 橋驅動原理，目前流行的H 橋驅動電路有：  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。

對于節能組，為了選出一個低功耗的驅動方案，我們對比三種電路都進行了搭建并測試，MC33886  的優點是電路簡單，外圍元件少，但缺點是內阻較大，通過電流有限，可以通過兩片  MC33886  并聯方式進行改善；ＩＲ２１０４＋MOS 管搭建的H  橋電路可以通過較大電流，但由于每個 MOS 管體積較大，因此電路板面積較大，而對于我們的車模，只使用了一個電機，需要的驅動電路還^

PID 參數整定
運用 PID 控制的關鍵是調整 KP、KI、KD 三個參數，即參數整定。PID 參數的整定方法有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數；二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。由于智能車系統是機電高耦合的分布式系統，并且要考慮賽道的具體環境，要建立精確的智能車運動控制數學模型有一定難度，而且我們對車身機械結構經常

進行修正，模型參數變化較為頻繁，理論計算整定法可操作性不強，最終我們采用了工程整定的方法。
5.3 速度控制部分
我們對速度的要求是穩定，在運行的過程中調節時間小，視為一個調節系統，因為作為智能車這個慣性系統來說，速度不會徒增驟減（與控制周期比較），因此我們使用了PI控制，經過調試，選擇合適的 PI系數后，加速可以很快也不會過沖，控制效果很好。

5.4舵機控制部分
中提取控制量來控制舵機的轉向，實現智能車的自動循跡是整個程序算法
的核心部分，只有舵機控制好了，才可能實現在不同的賽道元素上迅速、穩定的
前進。
舵機在用于轉向中，我們對它的要求是響應時間快，可以很好的復現輸入信
號，因此，舵機的模型應該為伺服系統，對于伺服系統，我們都采用 PD 控制。
其中，P 決定了系統的帶寬，也直接決定了其響應速度；D參數決定了車的調整
時間。通過適當的調整，我們的角度伺服系統滿足要求。

7.1 總結
7.1.1 控制方面
我們針對速度和轉向分別做了不同的控制策略，取得了很好的效果。
7.1.2 特色設計
1)所有硬件電路，包括測速傳感器、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)對于電容模組的搭建我們也是下了一番功夫，在多次的測試中，我們發現，不同的超級電容模組的性能是有很大的差別的。同一個品牌的電容，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行實驗最終發現，當模組兩端電壓維持在8-8.5伏特時，電機運行的性能最優。因此，我們制作了若干模組來應對不同長度的賽道。

7.2 結束語
通過數月的智能車制作，我們學到了很多實踐能力，從方案選擇、更改、重新設計到實施方案，細調參數，機械和硬件制作，軟件編寫，各方面都有深刻的體會，每一個細致的工作都會為小車這個系統的穩定性帶來正面的影響，而每個疏漏，都會導致整個系統的不協調。在制作智能車的過程中，我們苦惱過，也因為小車跑的好而開心的笑過，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，體會到的不僅僅是制作小車的樂趣，還有在制作做過程中隊友們的齊心協力。小車轉過第一個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，也像一個蹣跚學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，我們熬過無數夜，翻閱各種資料，也曾在睡夢中無數次做夢夢到小車完美的直道加速、轉彎、沖過十字道等等。如今回頭看，欣喜地發現，在這個過程中，我們收獲的不是一兩點說的完的，不論是學知識，還是學做人，都是一次非常值得的經歷。我們感謝恩智浦公司提供了如此一個好的平臺來讓我們展現自我，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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