第十五屆全國大學生智能汽車競賽 晉速-天馬星隊技術報告*

*帶隊教師：左義海 寇元

本組使用的是自制車模，采用宏晶公司的STC8g2k64s4作為核心控制單元，自主構思控制方案及系統(tǒng)設計，包括傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機驅動等，最終實現(xiàn)一套能夠自主識別路線，并且可以實時輸出車體狀態(tài)的智能車控制硬件系統(tǒng)^[1-2]。

圖1 車模整體視圖

1   智能車軟件整體設計方案

軟件部分的設計主要是對微處理器STC8g2k64s4 的程序編寫，通過計算，對其各個端口進行讀寫控制，即將傳感器獲取的電信號通過單片機端口讀入，并經過處理，進行控制算法，最終通過單片機端口輸出給硬件電路，對車速、打角等硬件電路進行控制，最終實現(xiàn)對車輛機械部分的控制^[3-5]。

軟件的設計原則主要是：效率、結構化、規(guī)范、易讀。因為軟件部分涉及到端口輸入輸出數(shù)據(jù)的處理，要對車輛硬件進行控制，因此要提高軟件處理的效率以達到控制的及時性。另外，整個控制環(huán)節(jié)有緊密的邏輯關系，因此，軟件的結構合理和規(guī)范化的設計有助于調理邏輯關系，便于修改、調試、擴展及擁有較強的適應能力。程序編寫選用MDK 為編譯環(huán)境，C 語言為主要程序編寫語言。

軟件系統(tǒng)是對傳感器等輸入設備輸入的信息進行處理，然后通過一定算法，得到控制輸出，對現(xiàn)有的硬件電路進行調度和控制，從而使智能車按照賽道前進。軟件系統(tǒng)要達到的最終目的是讓智能車更快更穩(wěn)的在賽道上行駛，從而真正達到“智能”。

2   賽道特殊元素處理方法

2.1 車庫處理方法

對于車庫，我們的思路是：

檢測→程序執(zhí)行打角→程序執(zhí)行直走→停止

● 檢測：我們先后試過紅外，干簧管，磁力計。經對比，我們采用一根彈簧將磁力計吊在碳桿上的方案。

● 程序執(zhí)行打角：檢測到車庫之后，車模就開始進行打角，在這里我們采取固定轉向的方法，我們通過控制車模打角的時間來使車子打角。車模打角的時間是通過大量實驗得出數(shù)據(jù)，然后用matlab 擬合出一條時間-電壓曲線，通過這條曲線計算出來的。

● 程序執(zhí)行直走：打角程序執(zhí)行完成后我們控制車模直走進庫，直走也是給的固定占空比，我們同樣是控制車模執(zhí)行程序的時間來完成這一步驟。

圖2 車庫

2.2 環(huán)島處理方法

圖3 環(huán)島

圖3 為一個標準的環(huán)島，我們的處理方法主要基于我們的電感排布方式，所以不一定普遍適用。我們采用的電感排布是“三橫兩豎”。由于環(huán)島鋪設是有一個點或一段距離是電磁線重疊的，這個區(qū)域的電感值會明顯區(qū)別于別的地方，根據(jù)這一特征我們將其判斷為環(huán)島。之后再通過豎直電感和水平電感的偏差擬合出一個新的偏差，以此進環(huán)。最后需要對出環(huán)進行處理，防止一個環(huán)島繞幾圈而耗能。

2.3 坡道處理方法

由于坡道鋪設有明言規(guī)定電磁線會鋪在坡道表面（如圖4），所以說到了坡道處水平電感會有突變，經多次測試，中間電感值變化最明顯，又加了陀螺儀判斷當前角度為車模正常行駛的角度作為輔助判斷條件。經多次測試后，該方案可行。

圖4 細則中鋪設坡道說明軟件控制是基于機械系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的完善的基礎上開展起來的。我們設計電磁程序控制算法的時候，首先根據(jù)不同放大倍數(shù)的電磁運放傳感器，確定了我們所需要采取的數(shù)據(jù)，然后配合上位機將電感值反饋回來，再配合各個傳感器的數(shù)據(jù)進行分析和處理。通過嘗試過的方案優(yōu)劣比較，最終確定采集特征值判斷，效果比較明顯。

圖4 細則中鋪設坡道說明

3   結語

軟件設計是在機械和硬件得到保障下的一項工作。因為有些問題從軟件上解決或許很棘手，但是從機械或硬件上入手就會很簡單，所以在機械和硬件設備完善的情況下軟件設計起來會相對順利。先在桌面上靜態(tài)調試使車模直立起來，接著電感進行濾波計算偏差，然后上算法循跡，最后再綜合調試。直立控制上我們采用的是PD 控制，轉向算法上我們也采用的PD 控制，處理特殊元素時我們采取特征點來判斷。電機控制算法上我們有所不足，但是我們肯定會繼續(xù)努力，繼續(xù)嘗試不同的算法，完善我們小車的控制程序。

參考文獻：

[1] 關于舉辦第十五屆全國大學生智能汽車競賽的通知[EB/OL].[2020-6-6].https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/106581683

[2] 王盼寶,佟超,曹楠,等.智能車制作[M].北京:清華大學出版社,2001.

[3] 張劍平.模擬電子技術基礎[M].北京:清華大學出版社,2011.

[4] 閻石.數(shù)字電子電路基礎[M].北京:高等教育出版社,2005.

[5] 邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法[M].北京:清華大學出版社,2001.

（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2021年第2期。）