智能汽車(chē)競賽技術(shù)報告(節選)

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

　　第五屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車(chē)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(kāi)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(xiàn)圈檢測磁場(chǎng)，通過(guò)在多個(gè)點(diǎn)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(jìn)行處理，實(shí)現對賽車(chē)轉向、速度進(jìn)行控制。同時(shí)，我們利用前幾屆比賽積累下的經(jīng)驗，繼續加強在電源管理、噪聲抑制、驅動(dòng)優(yōu)化、整車(chē)布局等方面的研究工作，使智能車(chē)能夠滿(mǎn)足高速運行下的動(dòng)力性和穩定性需求，獲得了良好的綜合性能和賽場(chǎng)表現。

　　整車(chē)設計思路

　　控制系統

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

　　整車(chē)布局

　　鑒于賽車(chē)和賽道的特點(diǎn)，并且車(chē)模不變，今年在整車(chē)布局上仍延續基本布局的思路，采用低重心緊湊型設計，并架高舵機以提高響應速度。為調整整車(chē)重心位置，采用碳桿支撐電磁傳感器，減小轉動(dòng)慣量。 在降低整車(chē)重心方面采用了低位主板的布局，同時(shí)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(chē)前方底盤(pán)高度，如圖2。

　　電磁組主要特點(diǎn)

　　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(xiàn)鋪成，導線(xiàn)周?chē)植贾?zhù)交變的電磁場(chǎng)，由于賽道的各種形狀，使得磁場(chǎng)發(fā)生疊加，不同的賽道形狀形成不同的特征磁場(chǎng)，如下圖為十字線(xiàn)附近的磁場(chǎng)。賽道信息相對于傳統黑白線(xiàn)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(chē)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(chǎng)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(shí)際檢測的時(shí)候發(fā)現，不同方向傳感器的變化規律有很大的不同，這也和磁場(chǎng)的分量變化規律相一致。比如，磁場(chǎng)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(chǎng)的水平分量恰好相反。

　　硬件設計

　　傳感器方案

　　磁場(chǎng)檢測傳感器

　　使用10mH電感和6.8nF電容并聯(lián)諧振，來(lái)感應20kHz的磁場(chǎng)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(xiàn)的距離，從而定位導線(xiàn)。由于官方給出的三極管放大電路不易調節放大倍數，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，能夠將信號放大幾千倍，可以滿(mǎn)足探測的需要。電磁起跑為并排放置的3000gauss的磁鐵，經(jīng)過(guò)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(gè)方向的磁場(chǎng)信息，所以傳感器的布局至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，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。