??全全国大学生智能汽车竞赛由教育部高校自动化专业举办 教学指导分委会主办的科技竞赛。至今已成功举办十六届。竞赛 过程包括理论设计、实际生产、车辆调试、现场比赛等环节，要求学生组成 团队合作，初步体验工程研发项目从设计到实现的全过程 程。比赛融合了科学性、趣味性和观赏性，发展迅速，前景广阔 以汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算 机械、机械、汽车等多学科专业的创意竞赛。比赛规则透明，评价标准客户 坚持开放、公平、公正的原则，努力朝着健康、普及、可持续的方向发展。

??本次智能车比赛，我队是双车接力组。本组车使用MM32PIN27PS电感和电容谐振检测作为核心控制单元，用于跟踪传感器 100kHZ 电流产生的磁场。在车身转向控制方面，使用电磁信号强度作为转向反馈；由于平衡车的特殊性，车身必须保持平衡。根据保持车身平衡最基本的基本原理，我们需要知道当前的角度和速度。因此，在保持车身平衡方面，我们确定陀螺仪作为角度传感器，型号为ICM-20602；在赛题任务方面，两个磁性不同的磁铁用于传球，两辆车之间的距离通过超声波检测，两辆车之间的通信通过串口实现。

??在传球过程中，三轮车作为前车（传球车），需要在车前安装弱磁铁。磁铁的强度不仅要确保球在运行过程中不会脱落，而且要确保传球的顺利进行。如图2所示.1。

??陀螺仪是直立，陀螺仪是一个非常关键的模块。为了确保它因安装不良而旋转，从而影响模具姿态的检测，将其单独固定在模具底板上，然后用热熔胶固定，以确保检测数据的可靠性。如图2所示.3所示。

??电池是整个模型所有部件中最重要的部分。我们选择质量轻、性能好的7台电池.4v锂电池容量52000mA.h，它属于大容量。在此之前，我们选择了智能汽车专用镍铬电池。这种电池容量小，长期使用后性能会变差，然后果断放弃。电池支架也是电池安装的重要组成部分。电池支架最好使智能汽车的整个中心更加集中。考虑到汽车的稳定性，在保证车型顺利通过坡道的前提下，我们尽量减少汽车的重心。电池位置不当会导致智能车转弯时侧滑。最终电池的安装如图2所示.4。

??印刷电路板（Printed-Circuit Board， PCB）镀铜玻璃纤维板由环氧树脂粘合而成。蚀刻部分镀铜，只留下铜层布线，构成电路互连。 PCB 单层、双层或四层、六层、八层、十二层甚至更多。层数越多，接线越容易，但成本越高，调试越难。如果 PCB 有特殊的供电层和接地层，系统会有更强的干声抗干扰。使用电子设计自动化软件(如 DXP）设计 PCB 注意以下问题。

??正式走线前要对 PCB 规划总体格局。 布局规划应遵循以下基本原则。

??（1）在 PCB 布板前先打印相应的原理图，然后根据原理图确定整个原理图 PCB 板的一般布局，即各硬件构件的位置布置。
??（2） PCB 如果没有其他要求，板的形状一般为矩形，长宽比为 4:3 或 3:2。
??(3)考虑面板上元件的放置要求。
??(4)考虑边缘接口。

  本次比赛可供选用的芯片有M0和M3两款，M0为90MHZ，M3为120MHZ，由于前期没意识到芯片的重要性，和M3芯片的短缺问题，我们选择了M0芯片，M0芯片各个方面要逊色于M3这后来也成为了我们，提速的一大障碍。所以在这里建议大家若有较高的目标一定要选择性能好的主控芯片。

  5v稳压模块，是基于SPX2940的设计，此电路包括了滤波，稳压的过程，SPX2940具有输出固定，响应快的特点，经过电容滤波，可以稳定输出5v电压，其电路图如图3.1所示。

  为保证摄像头，运放，芯片的正常运行，需要稳定的3.3v电压，3.3v电压是基于RT9013的设计此电路包括了滤波，稳压的过程。为保证不让同一个3.3v稳压模块负载过多，我们使用了多个3.3v模块，原理均相同。其电路图如图3.2所示。

  三轮电磁车，首先进行各模块的初始化，在主函数while语句中实现拨码开关，按键的检测以及OLED的显示，主系统的周期为5ms，进入进行AD采值，数据处理，然后小车姿态数据采集，5ms控制一次电机工作。程序流程如图1所示。

  本届比赛赛道元素增加了新型元素—三叉路口，此元素得增加使赛道的识别难度大大提升。三轮总体需要经过元素坡道，环岛以及新增得三叉路口。

  我们采取的使利用陀螺仪去识别坡道，利用陀螺仪的积分判断进入坡道，然后实现减速能够保证不出现飞车的情况，从而达到顺利经过坡道。

  我们三轮智能车采取的电感进行识别， 环岛与其他元素相比只有一个明显的特征，即左右两侧电感的电压都会大于正常循迹时的电压，据此可以判断出环岛元素，然后采取取特征值的方法，使小车进入环岛。出环岛陀螺仪进行积分，当达到目标积分时就出环岛。

  三叉路口也采取的电感进行识别，因为俩个电磁线会分别进入一条三叉路口，这样三叉路口的电感就会比较小。由于这样条件过于简单就会造成多处误判，所以我们就更加细化三叉路口的电磁条件，增加一些识别先后的条件，利用超声波进行感测传球距离从而更好的更稳定的传球，这样对于三叉路口的识别和处理达到更加完善。

  控制算法包括平衡控制、方向控制和速度控制。平衡控制采用PID控制，方向控制采用位置式PD控制,速度控制采用增量式PD控制。PID控制即比例、积分、微分控制，该方法在工程实际中应用相当广泛。PID控制算法具有结构简单、工作可靠、便于调整、性能稳定等优点。

  PID调节是Proportional(比例)，Integral(积分)，Differential(微分)三者的缩写，是一种过程控制算法,就是对误差信号(采样信号与给定信号的差)通过比例,积分,微分的运算后的结果作为输出控制信号,来控制所要控制的对象。

  比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

  积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高误差度。当有误差时，积分调节就进行，直至无误差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

  PID控制算法中PID参数的整定是控制系统设计的核心内容。该过程是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

  PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定。该方法需要依靠一定的数学模型，即通过一定的模型进行理论计算，最后确定控制器参数。但是，理论计算的方法所得到的数据常常是不能够直接运用到实际中的，其必须通过实际工程进行验证，并进行调整和进一步修改。二是工程经验整定。该方法主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。工程整定方法中的PID参数整定主要有临界比例法、衰减法、反应曲线法。三种方法各有其特点，每一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。此外，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

  进行 PID控制器参数的整定步骤一般如下：
(1)、预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
(2)、仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
(3)、在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数；
(4)、根据实际运行情况对计算出的PID控制器的参数进行调整。

  本系统的PID参数为通过上位机调试得来，具体调试方法为：先将PID参数设置为经典参数，然后通过上位机观察速度曲线，不断改变PID参数，直至观察速度曲线发现其加减速时间很短，超调量很少，则说明此时的PID参数已经基本比较合适，这样就确定出适合本系统的一组PID参数。

  选用的是IAR Embedded Workbench。IAR Systems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，嵌入式 IAR Embedded Workbench 有效提高用户的工作效率，通过 IAR 工具，可以大大节省软件调试时间。调试界面如图5.1所示：

  在小车的调试过程中需要不断地修改变量的值来达到整定参数的作用，对此我们选用了液晶配合按键和拨码开关的调试方法。此外，比赛的时候，修改参数我们同样用这个模块进行修改。

  液晶我们选用OLED液晶，该液晶具有以下特点：

  •尺寸小，显示尺寸为0.96吋，而模块的尺寸约29.5mm29.5mm 。具有普通LCD无法比拟的体积的优势。
  •高分辨率，分辨率为12864，显示效果远超过LCD。
  •可以显示的数据更多，方便观察内部的变量的变化情况。

  但同时，它的缺点也是显而易见的：

  自从决定参加第十六届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛以来，我们小组成员查找资料，设计机构，组装车模，编写程序，分析问题，智能车终于达到了稳定、快速、简单的性能目标，最终确定了我们的作品。

  在此份技术报告中，我们主要介绍了准备比赛时的基本思路，包括机械，电路，以及智能车的控制算法。

  在传感器布局，我们分析了前几届中出现的电感排布方法，综合考虑到程序的稳定性、简便性，我们最后敲定了现在的电感排布，并通过反复实践决定了传感器的数量和位置，在软件上不断完善控制算法，最终智能车在跑道上能稳定完成自主循迹行驶。

  在电路方面，我们以模块形式分类，在电源管理，电机驱动，接口，控制，信号采集，传感器这六个模块分别设计，在查找资料的基础上各准备了几套方案；然后我们分别实验，最后以报告中所提到的形式决定了我们最终的电路图。

  在算法方面，我们使用C语言编程，利用比赛推荐的开发工具调试程序，经过小组成员不断讨论、改进，终于设计出一套比较通用的，稳定的程序。在这套算法中，我们结合路况调整车速，做到直线加速，弯道减速，保证在最短时间跑完全程。

  在之前的备战过程中，场地和经费方面都得到了学校和系的大力支持，在此特别感谢一直支持和关注智能车比赛的学校和系领导以及各位指导老师、指导学长，同时也感谢比赛组委会能组织这样一项有意义的比赛。

  现在，面对即将到来的大赛，在历时近一年的充分准备以及东北赛区赛的考验之后，我们有信心在全国比赛中取得优异成绩。也许我们的知识还不够丰富，考虑问题也不够全面，但是这份技术报告作为我们小组辛勤汗水的结晶，凝聚着我们小组每个人的心血和智慧，随着它的诞生，这份经验将永伴我们一生，成为我们最珍贵的回忆。

[1] 刘南昌,李全,王宏,张楠. 基于单神经元PID 的直流电动机速度控制算法研究[J]. 五邑大学学报, 2011.8.15．
[2] 侯勇严,郭文强. 单神经元自适应PID 控制器设计方法研究[D]. 陕西咸阳. 陕西科技大学电气与电子工程学院.2003
[3] 王渊峰. Altium Designer 20电路设计标准教程[M] 科学出版社. 2012.1.1.

● 相关图表链接:

• 图1.1 整体结构框图
• 图2.1
• 图2.2
• 图2.3
• 图2.4
• 图3.1
• 图3.2
• 图3.3
• 图3.4
• 图 4.1
• 图5.2