2.2车模改进

根据本赛对车速快而稳的要求，本系统的整体布局做了以下几个方面的改进：

(1) 电池放在车子后面，有利于重心分布和增加后轮的摩擦力。
(2) 舵机竖直放置，加长舵机臂，方便控制，减少反应时间。
(3) 用轻便坚固的碳纤杆作为摄像头杆的材料。
(4) 摄像头安于车体的中前部，减少摄像头的盲区的同时可以看得更远。
(5) 降低底盘高度，提高稳定性。

第三章 机械结构设计

本系统所采用C车模。下面从前轮定位、舵机安装、后轮驱动与差速调节、传感器安装与选用、车模加固及重心降低，车轮固定等方面对C1车模的改造进行介绍。

3.1 前轮定位的调整

车辆在高速过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载对前轮的安装角度，本系统对前轮定位进行了调整，使车辆直线行驶更稳定，转向更轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等 4个参数决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。

经过一段时间的调试，我们发现车子由于机械损耗会出现转向沉重、发抖、跑偏、不正、不归位或轮胎单边磨损、偏磨等不正常磨损现象，这时就需要对前轮进行重新定位。前轮定位做得好才能保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。因此需对赛车的前轮转向模块进行测试实验，联合转向舵机的获取标定数据，并结合相应的转向理论进行调整。

在实际调试中，我们发现适当增大内倾角的确可以增大转弯时车轮和使车转向更灵活，减小因摩擦不够而引起的转向不足的情况。由此可见，对前轮定位是必要的。

3.1.1 主销后倾

主销后倾是指前轮主销在车模的纵向平面内（小车的侧面有一个向后的倾角γ，即主销轴线与地面垂直线在车模在纵向平面的夹角，称为“主销后倾角”。采用主销后倾，车模在车轮偏转后会产生一回正力矩，纠正车轮偏转。可通过增减黄色垫片数量来改变，我们采用的主销后倾角大概为 3 度。

3.1.3前轮前束

前束是转向灵敏度与稳定性的权衡。前束不可以无限度增大，太大了的话，直道行驶时车轮与地面发生的就不是滚动摩擦，而是滑动摩擦，轮胎磨损将急剧增大，且会导致阻力加大，降低直道速度。过度减小，会导致稳定性降低，车辆
抖动，难以操控。为了增加车子的转向性能以及满足阿克曼转弯原理，本系统将车子的前束调教为大概5°左右。

3.4摄像头的选择安装及固定

为了降低整车重心，需要严格控制总钻风像头的安装位置和重量。我们采用轻巧的铝合金夹持组件并用碳纤维管作为安装总钻风的主桅，这样可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度，使摄像头便于拆卸和维修，具有赛场快速保障能力。

3.5车模的加固以及车模重心的降低

在符合官方规定的前提下，采样硬连接，使用连接件连接车身和摄像头两个部分以获得理想的效果，使车模重心降到最低，又不至于坡道处刮到赛道。用502粘合轮胎与轮箍的外接触处，以防止转向时出现轮胎和轮毂脱离而失去抓地力的情况。电池的位置也在查阅资料和实践后得出的，以四六比例配重的位置，以达到前后轮转向能力的一致性，得到最好的控制效果。车子前端加防撞保护，增强车子防撞能力。车模固定如图所示：

4.2各部分电路

主控设计：主板上设置了核心板插座，编码器接口，舵机接口，PWM信 输出接口，OPENMOVIE信 接口，OLED插座，无线调参模块接口，陀螺仪接口，云台控制接口，按键，拨码开关等外设。原理图如下：

舵机稳压电源模块为TPS565201芯片进行稳压处理，此芯片完全可以满足舵机电流需求，避免了由于电流不足导致舵机打角缓慢打角不充分的问题。原理图如图4.4所示。

3.3V稳压模块由AMS1117-3.3V芯片进行稳压处理，本主控我们采用两个AMS1117-3.3V芯片给OPENMOVIE和其它外设供电，确保了摄像头不会因为电源问题造成图像采集缺失等问题。其电源输入是经过TPS565201进行降压后再输入的，避免了压差过大导致芯片工作不稳定的情况，同时TPS565201过大电流足够支持相关外设的电流需求。原理图如图4.6所示。

电机驱动设计：

电机驱动采用半桥驱动方案。来自CPU的PWM信 经过缓冲器芯片后输入半桥驱动芯片，该芯片采用12V电压控制的MOS开启，从而控制电机转动。下面为各部分详细分析：
缓冲芯片与电流检测芯片所需3.3V电压为ASM1117-3.3V提供。MOS的12V开启电压为电源提供，原理图如下：

PWM信 经缓冲器后输入半桥驱动芯片IR2302。其具有极快的动态相应速度，还具有电源欠压保护和关断逻辑。半桥驱动电路图如下：

4.3 小结

硬件电路基本要求是稳定能用，在这个基础上再从原理图的绘制到 PCB 的布局布线寻找各个能提高性能的细节。另外电路板的形状大小要和车模机械结构相适配，保证电路稳定的同时也要保证良好的机械结构。

第五章 软件系统设计与实现

高效稳定的软件是智能车平稳快速移动的基础。本系统使用总钻风摄像头来获取赛道信息，使用OpenART来获取图像信息，图像采集处理就成了整个软件的核心内容。而MCU处理速度有限，如何高效提取所需的图像信息和利用所剩不多的计算资源来完成车体速度和方向的控制就成了我们研究的核心内容。经过不断的尝试和改进，本设计采用了几种巧妙而行之有效的方案，充分利用了MCU的有效时间和计算资源。在智能车的速度和方向控制方面，本系统使用了鲁棒性很好的经典PID 控制算法，配合使用理论计算和实际参数补偿的办法，使智能车达到了稳定快速的移动效果。

5.1方向控制

方向控制模块用舵机来实现。在图像处理之后，计算道路的实际中心与图像中心的差值，即车的位置偏差。偏差可以反应车的当前相对位置，用PD算法对车的位置偏差进行调控，实现转向控制。PD算法是基于偏差的控制，通过对偏差进行比例P、微分D运算，能有效提高舵机的响应速度，减小稳态误差，提高动态性能，对改善舵机的滞后特性具有极佳效果。在对PD控制进行参数整定时，研究发现采用动态P参数即该参数是关于偏差值的二次函数，可以实现忽略小偏差的同时对大偏差做出迅速响应，达到在弯道曲率大的位置车能够快速响应，在道路曲率小的地方快速平滑稳定的效果。PD算法的结构框图如图5.1所示。

在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，控制规律为：
e ( k ) = r ( k ) c ( k ) eleft( k right) = rleft( k right) – cleft( k right) e(k)=r(k)/span>c(k)
u ( k ) = K p { e ( k ) + T T I ∑ j = 0 k e ( j ) + T D T [ e ( k ) e ( k 1 ) ] } uleft( k right) = K_p left{ {eleft( k right) + {T over {T_I }}sumlimits_{j = 0}^k {eleft( j right) + {{T_D } over T}left[ {eleft( k right) – eleft( {k – 1} right)} right]} } right} u(k)=Kp/span>{e(k)+TI/span>T/span>j=0∑k/span>e(j)+TTD/span>/span>[e(k)/span>e(k/span>1)]}

式中：
k——采样序 ，k = 0，1，2…； r(k)——第k次给定值；
c(k)——第k次实际输出值； u(k)—— 第k次输出控制量；
e(k)—— 第k次偏差； e(k-1)—— 第k-1次偏差；
KP——比例系数； TI——积分时间常数；
TD——微分时间常数； T——采样周期。

简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：

• 比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信 ，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
• 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。
• 微分环节：能反映偏差信 的变化趋势(变化速率)，并能在该偏差信 变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信 ，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。

5.2.2位置式PID

位置式PID中，由于计算机输出的u (k) 直接去控制执行机构(如阀门)，u(k)的值和执行机构的位置(如阀门开度)是一一对应的，所以通常称公式(4.5)为位置式PID控制算法。

位置式PID控制算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对过去e(k)进行累加，计算机工作量大；而且因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成严重的生产事故。因而产生了增量式PID 控制的控制算法，所谓增量式PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量△u(k)。

5.2.3增量式PID

当执行机构需要的是控制量的增量(例如：驱动步进电机)时，可由上式推导出提供增量的PID控制算式。对上述表达式做运算，可得：

u ( k 1 ) = K p [ e ( k 1 ) + T T I ∑ j = 0 k 1 e ( j ) + T D T [ e (