智能车竞赛技术 告 | 节能信标组 – 中国计量大学 – 赛博 – 8

2.2机械调整思路

??机械部分的调整好坏与否是制约智能车速度的最大关卡。我们的思路是：

• 采用较为合适的轮距，使得车模在灭灯后能然让转弯半径尽可能的小。
• 调整差速同时减轻前轮重量以满足转向灵活稳定。
• 调节整个寻灯过程中的速度控制曲线，让车模在离灯较远时能够以较高速度冲刺，在灯附近减速以尽可能地最小化能量浪费与转向成本。
• 尽量保证车模整体速度与减速稳定性、续航的平衡。

2.3软件设计思路

??软件部分主要由模块驱动、数据采集、图像分析、控制算法、交互界面组成 通过状态机控制程序整体的运行流程 [3]，状态机的控制方式时序清晰，同时也较易阅读。具体内容在后文中描述。

2.4整车布局

??对于本届全国智能车竞赛，参赛规章里表明节能信标组可以使用自制车模，故为了满足新颖的比赛内容，我组使用以 3D打印车模主板为主体的自制车模，在满足机械强度的同时兼顾重量以获得在相同电量下的更好续航。同时，信标灯保护罩高于赛道场地，对在行驶中的车模不可避免的产生犹如“减速带”一样的效果。故良好的结构才能保证系统的稳定性和高效性。因此必须先对整个模型车的结构有一个全面的认识，了解其特点，力求整车结构合理，论据合适，最终整车布局如图所示。

3.4电机型 的选择

??相对于传统组别，节能信标组别的限制更少，在车模乃至于电机的选择上，组委会都没有给出明确的限制。但实际上，由于节能信标组别竞赛性质的特殊要求与限制，如何更高效的利用有限的能量，在实际竞赛中获得更高的速度、更长的续航是我们不得不谨慎思考的问题。节能组的电能绝大部分被电机消耗，因此电机的效率高低决定了车模在行进过程中是否节能。这一问题的解决与否，和车模所选电机的扭矩、转速、功耗、响应速度等主要参数，甚至重量、大小、尺寸等次要参数都息息相关。

??对于电机的选择，主要有几大类别：
??常规直流电机具有价格低廉并且控制简单的优势，同时电机惯性足，不会存在像无刷电机一样失锁的问题，对于颠簸路面的抗性也会更好。但直流电机内磁铁磁场强度较低，由此导致其功率密度较低，这与我们设计轻便的节能车的方向相反，同时由于直流电机物理电刷换向的特性，因此而带来的摩擦损耗也使其效率不高。

??空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用无铁芯转子（也叫空心杯型转子）。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了极大改善，这便使其具有了突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，空心杯电机的效率一般在 70%以上，部分产品可达到 90%以上(普通铁芯电机一般在 15-50%左右)。但市面上的空心杯电机一般都转速过高而扭矩过低，如果需要作为动力轮动力使用，通常需要配合减速齿轮组使用才能保证足够的扭矩，这样一来又会导致效率以及系统的可靠性与可维护性降低。

??空心杯电机也分为有刷无刷两种，有刷空心杯具有与普通直流电机相同的易于控制的优点。无刷电机没有电刷，因此没有有刷电机打火，噪音大等缺点，同时无刷电机的永磁体现在多采用高磁能级的钕铁硼材料，因此其功率密度较高。无刷电机的缺点在于其控制较为复杂，需要自行制作电子调速器才能驱动，同时电子调速器的性能也影响着电机的相应与效率。

??在省赛中，由于种种限制与之前尝试的失败，我们选择使用了 LQ25R8V6直流减速电机，并在整体车身较重的情况下，依靠可靠的寻灯、路径规划与速度控制方案获得了较为理想的成绩。在国赛中，我们则选择使用空心杯行星减速电机。如上文中所提到的，这个电机具有节能的优点，同时控制特性良好，响应速度极快，这对我们控制算法的即时性与进一步优化都有着极大的帮助。在侧面，电机重量的减轻也使得整个车模更加轻便节能。但电机尺寸的减小使得新版车模底盘变低，在测试中卡灯的现象常有发生，让我们在这方面多少走了一些弯路。

??空心杯减速电机：
??空心杯电机具有较小的体积，能集成高性能编码器，同时响应速度快，效率高，非常适合作为节能组电机。

??经过测试，空心杯减速电机在空载时使用约为 0.03V的电压即可启动。9V满占空比时空载电流大约 0.02A。电机额定工作电压 9V，。电机使用 PWM调速时，在一定的频率下，电机不会产生由于 PWM控速产生的蜂鸣声，电流损耗最小，同时可以提高电机使用寿命。使用这款电机的问题在于这款电机传动部分为 16牙的齿轮，不能使用常见减速电机使用的联轴器，提升了结构设计的复杂度。

3.5车模的制作

3.5.1自制车模方向的选择

??由于节能信标组别的特殊性质，大赛组委会并未对车模做强制性要求，这就意味着除了使用官方车模以外，只要在符合章程规定的情况下，我们就可以自己制作定制车模参赛。虽然官方车模具有坚固、易于上手、有官方技术与配件库支持等优势，但其单一的结构与配件并不利于我们更换使用其他非官方配件，例如电机、万向轮等。且相较于官方车模，自制车模可被更方便的调整以适应主板、充电线圈等硬件与整体控速方案。于是在竞赛之初，我们便将自制车模作为主要方向。

??使用 Solidworks软件进行 3D建模，并使用 3D打印机将其打印出来。这样的制作过程非常省时省力，可以减少车模验证方案的时间。

??最后，关于建模中的细节，在一开始可以使用槽孔用于硬件安装，便于后期的调试与更改。也可以使用槽孔与镂空减小打印面积以达到最终减轻重量的目的。但槽孔的安装稳定不如圆孔，而且在某些边缘位置的槽孔会使边缘部分与主体连接面积减少，使得强度大大降低。我们在调试过程中就经历了多次模型部分断裂的情况。在使用最终版时，我们认为槽孔的主要目的是减重与在中心这种不会影响强度的位置，更方便的调整磁标等零件的位置。

3.6机械结构的安装

??保证车模整体机械结构的稳定性与牢固性是车模正常运行的基础。在整车机械结构的安装与设计方面，我们经过了许多尝试。

3.6.1电路板的安装

??为了使得各个部分能够高效利用空间，我们选择使用较轻的尼龙柱对电路板进行加高与堆叠安装。这样在保证不浪费车身面积的情况下，最大化空间利用率，同时方便调整整车重心，使得其在加减速与过灯时姿态更稳定，不容易倾侧。

3.6.3摄像头的固定

??摄像头是整车最重要，也是最需要稳定性的部分。一丝一毫的不稳定，都可能对采集到的数据产生巨大影响，使得最终整车运行策略产生变动。在安装时，考虑到三角形的稳定性最佳，我们使用竖杆直接支撑，并在旁边立两辅助杆加固。而在杆的材料选择上，我们敲定了使用强度高且重量较轻的中空碳素杆。

??所以，可以很容易的得出结论：线圈距离信标灯越近越好。但如果一味地压低线圈高度，使得其与地面产生接触摩擦，就会在车模行进中增加很多不必要的摩擦阻力。经过多次调试，我们使用扎带将线圈悬吊在了一个比较合理的位置，能在减少摩擦损耗的情况下最大限度地提升充电效率。第十六届全国大学生智能汽车竞赛技术 告

??自制车模是一个很大的机会，同时也是一个很大的挑战。在获得近似无限的自由度的同时，我们也必须认真审视自己所做的每一个决定，认真思考它们会对整车的运行产生什么影响。在许多新奇的思路中化虚为实，在矛盾的双刃剑中尽力取得最优的平衡点。在整个过程中，我们进行数十次不同结构和形状的车模主板。

3.7本章小结

??本章主要介绍了智能车机械部分的设计和优化。智能车机械结构的性能影响着整个系统的高效性和稳定性，故先进行转向逻辑的设计，对差速转向测试并优化以获得最适合实际行驶的参数，通过试验测试验证最优参数满足系统要求 [5]。在基础之上，对万向轮的安装位置与高度进行多次测试，并最终确定了车模后低轮高的安装方案。最后，对摄像头安装结构、磁标安装位置等其他部分都进行了优化。

 

第四章 硬件电路设计

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4.1硬件部分概述

??电路如同智能车的“血管”，是智能车各部分信息流通的枢纽，一个稳定的电路系统是智能车运行稳定的基本保障。在硬件电路设计过程中，从芯片选型到元件参数的确定，都需要经过仔细的论证，进而绘制出电路原理图。我们的电路总体架构如图 4-1所示。

??·经过对比测试，我们选用在比赛规定微控制范围内最为节能的 TC212作为智能车控制系统中的主控制器。

??TC212智能车核心板（型 ： SAK-TC212S-8F133F，简称 TC212S）是面向大学生智能车比赛的核心控制板，并可以用于 InfineonAurix?单片机 ——TC212开发者学习和试验，可以作为开发板或产品板使用。其创新的多核架构基于多达三个独立的 32位 TriCoreCPU，旨在满足最高安全标准，同时显著提高性能。 TC21xL家族属于 TC2xx奥里克斯 ?配备 133MHz的 TriCore、3.3V的单电压电源和强大的通用时间器模块（ GTM）， TC21xL系列旨在降低复杂性、一流的功耗和显著的成本节约。TC212S具有高达 0.5MB的闪存 w/ECC保护、具有 12bitSARADC转换器、多样化的分时器模块（ GTM,CCU6,CPT12）、具有电压检测器等等。

??设 L2为接收线圈，Cp2为串联电容，C2为并联电容，Lf2为磁环。不妨假设接收时需要的电压和电流为 10V和 7A，从而可以计算出基本电抗为：

??为提高电能传输效率，降低系统在电感电容上的无功损耗，我们需对原边与副边的谐振补偿结构进行参数配置：令ω1为原边 L1和 C1的谐振角频率，ω2为副边 L2与 C2的谐振角频率，根据磁耦合谐振系统的传输条件及 LCL谐振结构的运行特点，元器件参数关系如下：

??能计算出， 5串 60F的电容最多能储存 1093.5J能量， 4串 100F则可以储存 1458J。通过多次测试与计算，我们得出结论： 3分钟时长的车模运行要求电容至少保留 1100J能量才能在保留些许容错率的情况下完成，每次发车前的充电需要 40-42s的时间。在权衡利弊之后，我们最终选择使用 4串 100F的超级电容器。

4.2.5驱动模块电路设计

??对于智能车竞赛来说，速度是取得好的成绩的重要条件，由此电机驱动模块的重要性也就不言而喻。直流驱动电机控制直流电机的转速方向和转动速度。出于赛题当中的节能需求，在驱动选型中，需要考虑驱动的效率、体积、适用范围等条件。经过测试，选用 8701E驱动芯片方案。 DRV8701E可以工作在 6-45V的宽电压范围，而且 8701E无需外部升压，于是这有大大的增加了电能使用的效率，其次，一块 DRV8701芯片就可以驱动整个全桥，相比于两种 “祖传 ”的方案（ IR2104+IRLR7843驱动和 BTN驱动）可以说是非常优越了。

5.2程序框图

??对摄像头采集到的图像进行处理，是整个信标灯识别环节中的关键部分，只有从合理处理过的图像中才能获取到准确的位置与方向，才能正确地控制智能车。

5.3.1图像卷积算法

??所谓图像卷积算法，就是将图像中的每一个像素点作为对象，计算它的邻域像素与滤波器矩阵的对应元素的乘积，然后将它们相加，作为该像素位置的值。这样我们就完成了滤波过程。

??最大值、最小值、中值滤波：顾名思义，这三种算法相当于取窗口区域中的最大值、最小值、中值作为描点像素值。这三种滤波都是非线性的，在处理脉冲噪声，椒盐噪声等效果显著，且速度上具有显著优势。最小值滤波能很好地滤除信标图像中高值干扰，但是在灯距离远时会产生一定的影响。

5.3.1图像连通域算法

??在节能信标组比赛当中，干扰通常会在摄像头中产生大片光斑的效果，仅使用滤波算法不足以滤除干扰。所以还需要利用连通域算法对每一个连通域进行单独的分析判断。

??最简单的连通域的标记方法为第一次遍历全标记，第二次遍历进行连通域标 ，第三次遍历再进行特征分析。此方法十分简单，但是消耗时间久。所以我们使用深度优先算法对其进行优化，在连通域分析的同时进行特征提取，这能提升效率。

??大致的思路是：整体算法结构使用递归思路。首先每个点查找时进行标记，如果这个点已经被标记，则忽略它。然后在本行提取一条线，在这条线的上方下和方判断是否有相连的区域，同时记录这一行特征。 .若上方有区域则优先向上查找。当上下都没有区域时，查找结束，根据区域内每行特征提取区域特征。

??在内存紧张的时候，保证两张图片的空间即可实现优化版本的连通域算法，即不使用额外的空间进行全图特征储存，每次标记使用原图像标记。

5.4信标灯识别

5.4.1干扰识别

??由上文中提到的连通域算法，我们可以提取每个区域特征，进而对图像进行分析处理。由连通域可以提取出区域边界、中心坐标、点数、边缘平整度等特征。随后根据之前采集到的可靠信标图像进行分析。二者的分辨可以从干扰最显著的特征开始：信标灯图像的大小会随着距离增大而减小，因此高处面积大的区域必然不是信标灯。同理，近处面积小的区域也必然不是信标灯。在图像当中，信标灯的整体形状大多为椭圆状，面积随距离增大而减小，单边的斜率变化最多一次。干扰判断的难点在于规则形状区域的干扰，信标组比赛场地多为避光地点，所以在时间紧张的情况下，可将调试重心放在其他控制上。

5.3.1信标坐标识别

??在车辆运行过程中，信标灯的坐标位置是最重要的信息输入。对此，最简单的思路是直接将计算出的灯的中心点位置在图像中的坐标作为灯的坐标位置。但实际情况下，我们使用的 170度广角镜头会产生严重的图像畸变，故首先需要对图像畸变进行矫正，并且去除由广角视野看到的高处灯光等部分图像。同时，当信标灯显示不全时，需要将图像边缘的信标灯进行反推，按照椭圆特征进行图像外补全，随后再进行坐标分析。

??在参数整定的过程中，先将积分项和微分项系数置零，即系统只在比例环节的控制下进行整定，比例系数从小变到大，直到能够快速且稳定地控制智能车车速时，然后从小到大依次增加，当然比例系数也需要作适当的调整，直到找到智能车能够快速地响应并且消除稳态误差时，再次增大积分项系数，直到系统产生震荡，然后依次减小积分项系数，再次找到智能车能够快速地响应且消稳态误差时，从小到大增加微分项系数，直到系统快速且稳定地响应，通过多次反复整定，确定一组最优的控制参数。

??闭环控制相应速度快。可以使智能车控制响应速度更加迅速，控制精度更高，但是非常费电，在节能组比赛中，尽量尝试使用开环电机系统。

??开环电机系统在节能信标组的可行性分析：智能车控制系统多采用闭环电控制系统的原因除了响应速度和精度之外，很重要的一点是无法建立 MCU控制器输出和电机转速之间的对应关系，采用开环控制将使得电机速度随着电池电量等因素的变化而变化。节能信标组别当中，由于采用超级电容代替电池，车模在某一阶段的电量是可以预见的，也就是说，在这一阶段的特定输出可以产生特定的结果，因此节能组使用开环电机控制系统是可行的。

??智能车的开环电机控制系统，可以利用 Sigmoid函数（也叫 S型生长曲线、 Logistic函数），这是一种在步进电机控制中常用的控制曲线。可以在靠近信标灯时减速阶段作为控速过渡曲线，以减少车模在减速阶段的功耗。