题目：智能车方向

队伍信息：万权震 林泽邦 周凯晨

获奖信息：二等奖

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。

主控板和电磁识别模块使用立创EDA绘制，电源模块和电机驱动模块采用现成的模块。

**1\.1\*\*\*\*系统总体方案的选定**

本届智能汽车大赛电磁组比赛对传感器有着严格的规定，我们决定选用工字型电感作为电磁信号的检测装置。此电路具有简单实用，可靠准确的优点。

**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STC 微控制器，型号限定为： STC8G2K64S4-36I-LQFP48。三对工字型电感依据法拉第电磁感应定律，感知铺设在赛道中间的电磁导引线中的 20KHz 交变电流信号，返回到单片机作为转向控制的依据。加速度计返回的模拟信号作为车身当前角度的信号，陀螺仪采集车身转动的角速度。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。

根据以上系统方案设计，赛车共包括六大模块： 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：

主控模块，作为整个智能汽车的“大脑”，将处理电感线圈、陀螺仪，加速度计和霍尔编码器等传感器的信号，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控制；

传感器模块，是智能汽车的“眼睛”，可以调整好一定的前瞻，提前感知前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间，同时使用陀螺仪和加速度计计算车模行进过程中的实时角度信息和角速度信息，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，驱动直流电机以实现智能汽车的电机输出；

速度检测模块，检测智能汽车轮子的转速，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。在今后的章节中，将对整个系统的各个模块进行详细介绍。

第二章 机械结构调整与优化

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，然后建立相应的数学模型，从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进优化和提高结构的稳定性。本章将主要介绍E车模的机械结构和调整方案。

2.1 智能汽车车模的选择

此次竞赛选用的是北京科宇通博科技有限公司生产的智能车竞赛专用模型车(E型模型车)，配套的电机型号为RS-380SH。智能车的控制采用的是双后轮驱动方案。由于时间和资源的有限，我们的小车还未能实现直立，在校赛中我们展示的小车采用万向轮代替原本的小车直立能力。如下图

2.2 智能汽车传感器的安装

车模中的传感器包括有：速度传感器（编码器），车模姿态传感器（陀螺仪、加速度计）以及电感线圈。其中目前我们已经完成了电感线圈的安装。

为了降低整车重心，需要严格控制电感线圈以及支撑架的重量，同时又要考虑前瞻的长度和角度。我们采用碳纤维管作为安装线性电磁传感器的主桅，这样可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度，使电感线圈更加稳定，从而减小数据采集的误差。如下图。

为了清楚地监视速度和电磁传感器的运行情况，我们特地安装了OLED显示屏显示读取参数，并通过串口调试可以远程调控参数值。

2.3 电源的安装

为了实现小车重心的降低，我们将电池安装在了小车两个轮子之后。并通过人为打孔，在原车模的基础上安装了固定铜柱，用以支撑电池系统稳固。

2.4 其他机械结构的调整

另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮，新买来的车轮因为与赛道摩擦少，还是光亮面，会降低车轮的抓地力，所以我们对轮子的表面进行处理，以保持其粘滞性，提高抓地力。同时，为了方便散热，我们尽可能少的选用胶带，更多的通过人为打孔的方式，通过不同型号螺丝和铜柱进行两层交错固定。考虑到电机散热量较大，电机与铜柱、其余模块之间间隔较大，而模块散热量小，故模块间间距较小。

在板子布线和外接导线方面我们也精心设计了一下：将导线尽可能和邻近支撑设备缠绕，防止高速运行过程中发生意外。

2.5 小结

模型车的性能与机械结构有着非常密切的联系。良好的机械结构是模型车提高速度的关键基础。在同等的控制环境下，机械机构的好坏对其速度的影响十分显著。我们非常重视对智能汽车的机械结构的改进，我们小车的大部分质量都集中在两轮前后尽量避免在，达到降低重心的目的，从而提高了小车整体的稳定性和可靠性。

第三章 硬件电路方案设计

本系统的硬件电路采用模块化设计方式。主要包括单片机最小系统模块、电源模块、路径识别模块、测速模块、串口通信模块、显示模块等部分。

3.1 单片机最小系统模块

我们使用了使用STC8A-64核心板,这是一款基于宏晶新系列STC8A8K64S4A12_LQFP48单片机的核心板，该单片机资源丰富、功能强大。该单片机为STC公司目前最强大的8位单片机，使用编程方法与89C21基本一致，但性能非常强大。

系统板电路模块如下图所示。

3.2 电源模块

由于编码器和我们采用的系统版的额定工作电压为5V，采用了输出5V的电源模块。电路的设计原理如下图所示。电源模块可以输出三种电压：3.3V，5V和7.2V。我们利用电源模块可以给不同的模块供电。但是在供电过程中，我们发现，不同导线对电流的传输能力不同。杜邦线的传输能力很弱，如果利用一根或几根杜邦线传输电机电流很可能出现堵转的现象。为了解决这个问题，我们采用了铜导线传输电机电流，而对核心系统板应用了铝导线，以节省成本。

3.3 电机驱动模块

我们测试了7843CMOS驱动模块和BTN模块，发现两种模块各有优缺点，最终根据运行效果，我们采用了7843CMOS驱动模块。这种模块反应灵敏，对电机控制较为精确，所以我们采用了这种模块驱动电机。

第四章 磁场信息处理

智能车采集信息的底层处理算法是整个上层控制策略的基础，电感传感器采集的稳定性、电感线圈采回值处理方法、路径识别的准确性都决定着上层控制策略能否发挥作用，只有准确的识别出路径信息，智能车才能实现高速稳定行驶。

此模块将电磁传感器由六路 10mH 电感和 6.8nF 电容构成谐振，采集到的信号在离赛道高 2cm以上可检测到正常信号，并且传输给板载 LMV358 运算放大器放大整流后通过输出信号接口，接到单片机 ADC 接口。离赛道中心 2-30cm（实测不止这个距离）均可看到单片机采集的值明显的连续变化，并且在同一位置检测的值基本稳定，是较为理想的赛道信号电磁传感器。

第五章 理论方法与分析

电源电压较高大约7.2 V左右，直接给电机输出电压使得电机驱动。由于电压过高，为了保护电路通过电源模块给单片机供电（5V）。单片机读取电磁传感器得到的数据，通过这些数据来控制电机驱动。使得小车能够循迹，随着电磁线而走直线或拐弯。

下面是小车组装的一些细节图