模块实时获取赛车赛道信息速度信息电机控制舵机控制辅助调试第章引言的速度。然后利用边缘检测方法从图像数据中提取赛道黑线，求得赛车于黑线位置的偏差，接着采用方法对舵机进行反馈控制，并在算法的基础上，整合加入模糊控制算法，有利于对小车系统的非线性特性因素的控制。最终赛车根据检测到的速度，结合我们的速度控制策略，对赛车速度不断进行恰当的控制调整，使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。设计赛车系统的软件结构如图所示。第章引言图系统的软件方框图第章引言本章小结本章主要介绍了大赛的背景和赛车整体结构设计的概述，硬件，软件和机械部分的有效融合是赛车能否跑出好成绩的关键因素。赛车采用组委会统提供的车模，由控制处理芯片，陀螺仪模块，速度传感模块，舵机驱动模块，电机驱动模块和辅助调试模块组成，通过图像采集黑线提取速度控制等环节使赛车在规则下沿赛道快速前进。第章引言第二章赛车机械结构介绍和改进本届比赛使用的是型车模，并且采用反向行驶的方式，因此在原有车模基本调整如前后轮调整，重心调整，传动调整等的基础上，要想使车能够更快的行驶就必须对其本身的各种结构进行必要的改进和优化，尤其是各部分的差速的调整，更成为车模机械好坏的重要部分。驱动选择转向轮调整转向轮调整轮定位包括主销后倾角主销内倾角前轮外倾角和前轮前束四个内容。车轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶和转向轻便，并减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损。如图第三章硬件设计图前轮定位原理图从车前后方向看轮胎时，主销轴向车身内侧倾斜，该角度称为主销内倾角。当车轮以主销为中心回转时，车轮的最低点将陷入路面以下，但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起个相应的高度，这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的因而舵机复位容易。此外，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而减小转向时舵机的拉力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到舵机上的冲击力。但主销内倾角也不宜过大，否则加速了轮胎的磨损。从侧面看车轮，转向主销车轮转向时的旋转中心向后倾倒，称为主销后倾角。设置主销后倾角后，主销中心线的接地点与车轮中心的地面投影点之间产生距离称作主销纵倾移距，与自行车的前轮叉梁向后倾斜的原理相同，使车轮的接地点位于转向主销延长线的后端，车轮就靠行驶中的滚动阻力被向后拉，使车轮的方向自然朝向行驶方向。设定很大的主销后倾角可提高直线行驶性能，同时主销纵倾移距也增大。主销纵倾移距过大，会使舵机沉重，而且由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸。从前后方向看车轮时，轮胎并非垂直安装，而是稍微倾倒呈现八字形张开，称为负外倾，而朝反方向张开时称正外倾。前轮外倾角对汽车的转第三章硬件设计弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称外八字，如果车轮垂直地面旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏个外八字角度，这个角度约在左右。脚尖向内，所谓内八字脚的意思，指的是左右前轮分别向内。采用这种结构目的是修正上述前轮外倾角引起的车轮向外侧转动。如前所述，由于有外倾，舵机转向变得容易。另方面，由于车轮倾斜，左右前轮分别向外侧转动，为了修正这个问题，如果左右两轮带有向内的角度，则正负为零，左右两轮可保持直线行进，减少轮胎磨损。见图图前轮约束示意图舵机安装舵机转向是整个控制系统中延迟较大的个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。分析舵机控制转向轮转向的原理可以发现，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。这相当于增大力臂长度，提高线速度。针对上述特性，我们采用长连杆方式将舵机放在前面，大大的增加了舵机的力臂，如图第三章硬件设计图舵机安装方式改变了舵机的力臂，使转向更灵敏舵机安装在了正中央，使左右转向基本致增加前轮下压力，从而提高了前轮的抓地力，当然这样也加重了舵机负载易。驱动轮调整差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。当车辆在正常的过弯行进中假设无转向不足亦无转向过度，此时个轮子的转速轮速皆不相同，依序为外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。此次所使用车模配备的是后轮差速机构。差速器的特性是阻力越大的侧，驱动齿轮的转速越低而阻力越小的侧，驱动齿轮的转速越高‧以此次使第三章硬件设计用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。后轮差速的调整主要是调整差速器中差速齿轮的咬合程度，差速的松紧与自己所要求的速度相匹配，已达到自己想要的状态。其他调整车体重心调整车体重心位置对赛车加减速性能转向性能和稳定性都有较大影响。重心调整主要包括重心高度和前后位置的调整。理论上，赛车重心越低稳定性越好。因此除了摄像头装得稍高以外，其他各个部件的安装高度都很低。除此之外，车辆重心前后方向的调整，对赛车行驶性能也有很大的影响。根据车辆运动学理论，车身重心前移，会增加转向，但降低转向的灵敏度因为大部分重量压在前轮，转向负载增大，同时降低后轮的抓地力，影响加减速性能重心后移，会减少转向，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加，提高加减速性能。因此，确定合适的车体重心，让车模更加适应比赛赛道是很关键的。今年我们赛车在车体中心位置上有了很大改革，将摄像头安装在车体靠后位置，这样使得赛车的重心后移，极大地增加了赛车的转向灵活度。其他调整除以上主要机械调整外，还包括摄像头的安装电池的的安装系统板的安装以及些机械结构的微调。这主要跟所用的电路大小等有关，其中驱动电机的螺丝定要上紧，并要经常检查，旦在行驶中松动就会造成零件的损坏。尽量使车辆的重心放低，减少小车行驶过程中的震荡。本章小结本章主要介绍了赛车各个部分的机械结构。机械机构对于整车的性能至关重要，只有在较好的机械结构的前提下，控制算法才能发挥出其应有的效果。总而言之，调整舵机安装时以最大相应速度较低负载为目标，至于放置位置则根据整车的重心调整决定，前轮和后轮差速则需在转弯性能和加减速性能之间权衡，齿轮传动机构和速度传感器安装则以较低的电机负载和适当的齿轮啮合度为目标，除了以上部分的调整外，还可对主悬架弹簧松紧和底盘高度进行第三章硬件设计适当调整，通过增加避震弹簧的刚性降低底盘高度调整齿轮间隙，改善了赛车的行驶表现。对各个部件的调整需从整车的角度考虑，不能各个击破，需要相互协调取舍。第三章硬件设计第三章硬件设计电源设计小车电源系统如下图所示。图电源框图传感器选型市场上容易买到的摄像头有用的摄像头，安防系统上使用的模拟输出的单板摄像头，以及数字输出的摄像头模块和感光芯片。若使用摄像头，虽然价格低廉，但是需要增加接口芯片，并需要充分了解其内部协议，增加了实现的复杂度。因而不考虑使用摄像头。若使用模拟输出的摄像头，可采用专用的视频处理芯片对信号进行数字化。例如，可以使用对制模拟信号实现行场同步信号分离。可以使用专用的视频转换器，如，对模拟信号进行采集。因为多用于安防系统，模拟摄像头的成像质量好，边沿锐利，对比度高。使用模拟摄像头带来的问题是需要增加额外的硬件电路，容易受外界的干扰，因而对电路设计的要求也相对高些电池电机舵机电平转换稳压稳压稳压第三章硬件设计若使用数转换，直接输出量化的图像信号，不需要再增加额外的硬件设备，简化了字输出的摄像头，则可以由感光芯片中的处理器预先进行硬件设计，减轻了重量，提高了设计的可靠性。和模拟摄像头相比，数字摄像头的重量相差不大，而与的接口更简单，使用起来更为方便。综合上面的分析，市场上的摄像头不能满足我们的需求，因此我们自行研发款摄像头，如下图所示。图数字摄像头传感器的供电电路我们选用的图像传感器需要使用供电，故需要通过线性稳压芯片为其提供个的电源。如图所示。图摄像头电源模块第三章硬件设计传感器的信号处理数字摄像头输出信号包括图像信号帧同步信号行同步信号。利用帧同步信号和行同步信号进行同步，然后对图像信号进行采集。图数字摄像头采集的图像由图中可以看出，由于安装角度等原因，采集到的图像产生了梯形失真，即离小车较近的地方赛道宽，距离远的地方赛道窄。因而随着距离的增加，赛道分析结果的可靠性也会逐渐降低。第三章硬件设计电路设计电源电路在电源上加个大电容滤波。通过示波器观察，由于电机启动时瞬间流过大电流，会导致电池电压瞬间被拉低，稳压模块可能不能输出稳定的电压，所以稳压芯片采用低压差的稳压芯片，将配置成不同的输出即可得到稳定的输出电压。图为电源电路，用来指示电源状态。图电源图所示为转的线性稳压模块，用来给舵机供电。图稳压模块第三章硬件设计图为转的线性稳压模块。图稳压模块电机驱动电路为了保证驱动电路的性能，提高设计的可靠性，我们选用了在比赛中使用较多的电机驱动芯片。是英飞凌公司制造的大电流电机驱动芯片，其最大电流为李世华，田玉平移动小车的轨迹跟踪控制控制与决策第章引言附录电路原理图核心控制电路图电机驱动电路附录二主要程序源代码