智能汽车系统设计方案.docx

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1、智能汽车系统设计方案第一章方案设计本章主要介绍智能汽车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能汽车控制系统进行深入的介绍和分析。1.1系统总体方案的选定本届智能汽车大赛摄像头组是直立平衡组，这对我队是一个全新的挑战。一开始小车系统中我们使用KL25MCU，但之后发现，KL25的存较小，不能存储足够的赛道信息，于是改用了KL26ARM®Cortex™-M0+MCU。智能车的系统中，车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。其运动控制主要

2、可以分为三个主要任务：车模平衡控制、车模速度控制、车模方向控制。根据最基本保持车身平衡的基本原理，我们需要知道车身当前的角度和角速度。因此在保持车身平衡方面，我们确定以加速度计作为角度传感器，陀螺仪作为角速度传感器。对于速度控制，我们使用欧姆龙编码器进行测速，根据编码器返回的速度进行自适应调整。使用野火鹰眼OV7725进行赛道信息的采集并实现方向控制。1.2系统总体方案的设计遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞思卡尔的32位微控制器KL26单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。摄像头采集二值化赛道信息，返回到单片机作为转向控制的依

3、据。使用卡尔曼滤波将加速度计测得的角度和陀螺仪测得的角速度进行角度合成。最后车模平衡控制、车模速度控制、车模方向控制叠加成对车模电机的控制，通过主控输出PWM波控制电机的转速以保持车身的平衡和锁定赛道。同四轮车不同，平衡组仅能使用左右轮的差速来转弯。为了控制的准确性和快速性，我们使用编码器作为速度传感器。编码器返回的信号可以形成闭环，使用PID控制电机的转速。根据以上系统方案设计，智能车分为以下几个模块：KL26主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下：KL26主控模块是整个智能车系统的“大脑

4、”，用来处理和存储摄像头采集的道路信息，根据控制算法做出控制决策，驱动两个直流电机完成对智能汽车的方向控制；同时使用陀螺仪和加速度计获取车模行进过程中的实时角速度和加速度信息，用以保持车模稳定行进；电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源；电机驱动模块，将主控芯片输出的PWM控制信号放大以实现对直流电机的控制；速度检测模块，检测反馈智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制；辅助调试模块，主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。1.3小结本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计和总体结构，简要地分析了系统各模块的作用

5、。在今后的章节中，将对整个系统的各个模块进行详细介绍。第一章机械系统设计及实现智能汽车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识，我们车的机械部分设计如下：2.1车模车体架构今年我们摄像头平衡组，我们选用E车模，配套的电机型号为电机RS-380，智能车的控制采用的是双后轮驱动方案。智能车的外形大致如图2.1：图2.1智能车外形图2.2电路板和电池的安装根据倒立摆原理分析可知，车模重心越低，越有利于保持平衡。为了使小车具有较好的稳定性及转向性能，我们在搭建小车时尽量

6、选择降低重心，在搜集一些相关的资料和研究前面几届的技术报告后，历经三次重大结构调整，我们最终完成了车模的定型。如图2.2所示图2.2车模整体结构2.3摄像头的安装摄像头作为赛道采集信息的传感器，安装的稳定性影响到整个车采集信息的准确性，合理的高度和角度能够获得更大的前瞻，摄像头的高度还会影响到整车的重心，经取舍之后，我们最终使用碳素杆做了一个三角支架，将摄像头固定在上面。安装方式如图2.3所示图2.3摄像头的安装2.4加速度计和陀螺仪的安装加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。为了减少车模运动引起的干扰，理论上加速度传

7、感器安装的高度越低越好；陀螺仪可以测量物体的旋转角速度，为了获得正确的小车前后角速度，应该保证陀螺仪的安装是水平的，否则容易导致小车过弯加减速。经综合考虑，我们决定将加速度计陀螺仪模块安装在小车的质心附近，于是将其固定在摄像头支架的底部。如图2.4所示图2.4加速度计陀螺仪的安装位置2.5编码器的安装实现对轮速的精确控制是保证小车平衡的关键因素之一，因此我们安装了编码器实现对速度的闭环控制。编码器作为车模速度测量的传感器，其安装的合理程度将影响最终的速度反馈。在保持对称的基础上，调节编码器的位置，保证编码器齿轮与电机齿轮的合理啮合程度，防止打

8、齿或增大阻力等弊端。其安装位置如下图2.5：图2.5编码器安装2.6车模重心位置的调整重心的高度是影响智能车稳定性的因素之一。当重心高度偏高时，智能车在转弯过程中易