智能汽車競賽技術報告(節(jié)選)

　　摘要：針對智能車競賽中傳感器信號處理設計安裝、底盤參數(shù)選擇、電路設計、HCS12控制軟件主要理論、控制算法等方面進行闡述，并列出了模型車的主要技術參數(shù)。

　　第五屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車邀請賽在原有CCD組和光電組基礎上增加了電磁組，以100mA的交變電流為賽道，自主開發(fā)檢測傳感器，檢測賽道信息。鑒于電磁組與光電、CCD在檢測方法上有本質(zhì)的不同，我們在傳感器設計上采用電感線圈檢測磁場，通過在多個點布置不同方向的檢測傳感器獲取賽道信息，利用所獲取的信號進行處理，實現(xiàn)對賽車轉(zhuǎn)向、速度進行控制。同時，我們利用前幾屆比賽積累下的經(jīng)驗，繼續(xù)加強在電源管理、噪聲抑制、驅(qū)動優(yōu)化、整車布局等方面的研究工作，使智能車能夠滿足高速運行下的動力性和穩(wěn)定性需求，獲得了良好的綜合性能和賽場表現(xiàn)。

　　整車設計思路

　　控制系統(tǒng)

　　智能車的工作模式如圖1所示：電磁傳感器獲取賽道某點電磁特性，信號輸入到S12控制核心，進行進一步處理以獲得賽道信息;通過光電編碼器轉(zhuǎn)速傳感器檢測車速，并采用S12 的輸入捕捉功能進行脈沖計數(shù)計算車速和路程;通過片上AD檢測電池電壓;舵機轉(zhuǎn)向采用分段PID控制;電機轉(zhuǎn)速控制采用PID控制，通過PWM控制驅(qū)動電路調(diào)整電機的功率。

　　整車布局

　　鑒于賽車和賽道的特點，并且車模不變，今年在整車布局上仍延續(xù)基本布局的思路，采用低重心緊湊型設計，并架高舵機以提高響應速度。為調(diào)整整車重心位置，采用碳桿支撐電磁傳感器，減小轉(zhuǎn)動慣量。 在降低整車重心方面采用了低位主板的布局，同時設計了強度高質(zhì)量輕的電磁傳感器安裝架，減輕信號采集電路板重量，降低電池架高度，降低賽車前方底盤高度，如圖2。

　　電磁組主要特點

　　1. 傳感器信號為模擬值

　　電磁組需要檢測的信號為大小100mA，頻率為20KHz的方波信號，賽道由導線鋪成，導線周圍分布著交變的電磁場，由于賽道的各種形狀，使得磁場發(fā)生疊加，不同的賽道形狀形成不同的特征磁場，如下圖為十字線附近的磁場。賽道信息相對于傳統(tǒng)黑白線具有信號可以提供模擬信息的優(yōu)勢，我們利用電磁賽道這種優(yōu)勢，完善小車控制算法，達到了較好的控制效果。

　　2. 傳感器信號具有方向性

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

　　硬件設計

　　傳感器方案

　　磁場檢測傳感器

　　使用10mH電感和6.8nF電容并聯(lián)諧振，來感應20kHz的磁場信號，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，以判斷傳感器離導線的距離，從而定位導線。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)，檢波電路信號變化速度較慢，我們決定使用運放放大直接由AD采樣。電路圖如圖4。運放使用了TL082雙運放，能夠?qū)⑿盘柗糯髱浊П?，可以滿足探測的需要。電磁起跑為并排放置的3000gauss的磁鐵，經(jīng)過對霍爾傳感器和干簧管的試驗，最終選擇使用干簧管做起跑檢測，以達到較高的檢測精度和較大的檢測距離。

　　傳感器的布局

　　電磁傳感器測出的信號為當前所在位置的某個方向的磁場信息，所以傳感器的布局至關重要。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當傳感器相距較大，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，并且提前預知賽道形狀。