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智能车竞赛技术交流 北方赛区 东北大学王明顺 一 智能车大赛背景 比赛以迅猛发展的汽车电子为背景 涵盖了控制 模式识别 传感技术 电子 电气 计算机 机械等多个学科交叉的科技创意性比赛 旨在培养大学生对知识的把握和创新能力 以及从事科学研究的能力 在韩国 汉阳大学发起该赛事 从2000年起 韩国已成功举办了六届 教育部高等教育司委托 教高司函 2005 201号文 高等学校自动化专业教学指导分委员会主办全国大学生智能车竞赛 2007 1 29 东北大学王明顺 3 为了更好的推动汽车电子技术的发展 加强大学生的科技创新能力 该比赛于2006年在我国首次展开 2006年8月21日第一届 飞思卡尔 杯全国智能车邀请赛在清华大学综合体育馆成功举行 包括清华大学 上海交通大学 西安交通大学等在内的全国各地及港澳地区的57所高校112支代表队参加了此次比赛 该比赛的公开 公平与公正的比赛规则 以及该比赛是基于迅猛发展的汽车电子的创意性比赛 激发了大学生参加该比赛的热情 2007 1 29 东北大学王明顺 4 韩国2004年赛道韩国2004年智能车运行展示2006年清华比赛现场2006年全国智能车邀请赛部分视频 比赛赛道及视频欣赏 2007 1 29 东北大学王明顺 5 二 车体概况 电机 舵机 转速测量 2007 1 29 东北大学王明顺 6 由上图可以看出 车体部分由电机 舵机与测速等部分组成 电机性能的好坏与与电机的驱动部分密切相关 大赛组委会提供了一种电机驱动芯片MC33886 另外还有多种电机驱动芯片可使用 如L298 通过改变PWM的占空比可控制电机的转速 下面将简单介绍电机的特性与两种电机驱动芯片的电气性能 2007 1 29 东北大学王明顺 7 电机RS 380SH特性 电机特性 2007 1 29 东北大学王明顺 8 RS 380SH 4045特性曲线 2007 1 29 东北大学王明顺 9 MC33886芯片 工作电压 5 40V 导通电阻 120毫欧姆 输入信号 TTL CMOS PWM频率 10KHz 短路保护 欠压保护 过温保护等 2007 1 29 东北大学王明顺 10 MC33886芯片的典型应用 2007 1 29 东北大学王明顺 11 电机驱动芯片L298的特点 操作电压可到46V 总的直流电流可以到达4A 低饱和电压 过温保护 逻辑 0 的输入电压可达到1 5V 2007 1 29 东北大学王明顺 12 舵机在智能车的转向控制中起着重要作用 它决定了智能车行驶时的方向性 下面将从以下几方面来介绍 舵机功能舵机结构舵机的基本参数舵机控制方法 智能车的舵机简介 2007 1 29 东北大学王明顺 13 舵机结构 舵盘 减速齿轮组 位置反馈电位计5k 直流电机 控制电路板等 工作原理 控制信号 控制电路板 电机转动 齿轮组减速 舵盘转动 位置反馈电位计 控制电路板反馈 控制量 舵盘角度 2007 1 29 东北大学王明顺 14 尺寸 39 4 37 8 27 8重量 56g工作速度 0 11sec 60 4 8V 0 08sec 60 6 0V 堵转力矩 6 1kg cm 4 8V 7 7kg cm 6 0V 工作角度 45度 舵机的基本参数 HS 925 2007 1 29 东北大学王明顺 15 舵机控制方法 2007 1 29 东北大学王明顺 16 舵机特性曲线 2007 1 29 东北大学王明顺 17 软件计数方式 定时器中断方式 PWM硬件产生方式 S12DG128PWM控制器8路PWM输出端口 独立的8路8bitPWM输出 或者4路16bitPWM输出 A B SA SB时钟源 舵机控制信号产生方式 脉宽范围对应舵机旋转角度 一方面舵机的极限位置 另一方面考虑到车模转向的极限 可以通过测试得到大约40度左右的旋转角度 PWM周期可选择50 200Hz控制说明舵机的响应时间对于控制非常重要 一方面可以通过修改PWM周期获得 另一方面也可以通过机械方式 利用舵机的输出转距余量 将角度进行放大 加快舵机响应速度 关于舵机控制信号的说明 2007 1 29 东北大学王明顺 19 关于舵机控制的改进说明 采用不同的电压等级机械结构上变化 2007 1 29 东北大学王明顺 20 关于智能车的转速测量 转速测量在电机速度控制中起着重要作用 通常的转速测量方式有以下几种 可以依据实际情况进行灵活选用 编码器信号稳定 但价格与测量精度要求成正比 测速电机利用单片机AD口进行采集信号 但测量精度不高 自制编码器价格便宜 易于安装备调试 能够保证测量精度要求 但使用的计算机机时较多 2007 1 29 东北大学王明顺 21 关于智能车的电源设计 一般来讲 舵机 传感器和MCU需要稳压控制 采用基本的稳压芯片 如7805采用开关型稳压集成电路 如LM2576 2575采用低压差线性电源器件 如TPS73XX 2007 1 29 东北大学王明顺 22 智能车引导线识别的好坏取决于检测元件与算法 检测元件红外传感器图像传感器其他 三 路径检测 被动式主动式数字式模拟式关于红外传感器作为路径识别的检测元件的详细论述 可以参考清华大学黄开胜老师的 智能光电传感器布局对路径识别的影响研究 借此大家可以借鉴一下韩国汽车大赛路径检测的经验 红外传感器用于路径检测 2007 1 29 东北大学王明顺 24 线阵列线阵列图像传感器类似于模拟式红外传感器 它只扫描前方一行的数据信息 但是环境影响小 面阵列前方路径感知的情况决定了智能车的控制性能 视频图像传感器的主要特性就是尽可能早的感知前方路径信息 使得控制器能够预动作 图像传感器用于路径检测 2007 1 29 东北大学王明顺 25 图像传感器的接口类型 USB接口 微机用 全电视信号输出 安全监控用 2007 1 29 东北大学王明顺 26 传感元件的安装 选择了传感元件以后 需要通过反复试验来决定传感元件的几何位置 从而选择一组适合于智能车性能最佳的安装参数 红外传感器 安装个数 布局与向前伸出的长度对动力学性能的影响 图像传感器 摄像头的安装高度 视角与对智能车动力学性能的影响 2007 1 29 东北大学王明顺 27 四 控制方案简介 针对智能车这个具体的研究对象 常见的控制方案有以下几种 2007 1 29 东北大学王明顺 28 A 速度V恒定的随动控制方案 2007 1 29 东北大学王明顺 29 辨识原理 通过记忆一定次数的历史路径信息 来对前方的路径信息进行预测 如设定某时刻内为同种路径信息 那么在将来的一定时间内也可认为路径形式与历史路径同 从而形成一种试探性的前行 B 辨识随动控制方案 V可变 2007 1 29 东北大学王明顺 30 C 记忆控制方案 记忆控制方案的实现是通过反复查表来实现的 具体实现如下 编码值 3 编码值 特征值 1 2 1 2 3 4 4 数据值 2007 1 29 31 编码值 速度值 编码值 转角值 编码值 控制部分 速度 转角 v1 a1 a2 v2 1 2 1 2 3 1 2 3 V1 V2 V3 a1 a2 a3 2007 1 29 东北大学王明顺 32 2007 1 29 东北大学王明顺 33 D 切换控制的控制方案 根据CCD图像传感器是别的路径结果 定制了不同路径情况下的控制器 根据路径决策的结果进行不同控制器之间的切换 以下是其决策框图 2007 1 29 34 切换控制的控制框图 2007 1 29 东北大学王明顺 35 采用切换控制的控制方法 使得智能车能够实时对路径识别结果进行决策 体现了智能车的高智能性 2007 1 29 东北大学王明顺 36 竞赛成功的技术条件 良好的机械性能优越的动力特性引导路径的准确与快速识别灵活与有效的控制策略性能的整体优化 以上讲述仅起抛砖引玉的作用祝大家竞赛取得更好的成绩 2007 1 29 东北大学王明顺 38 谢谢