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第十一届“恩智浦”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告 学 校：哈尔滨工业大学 队伍名称：紫丁香七队 参赛队员：樊如愿 党宇 郎正滢 李腾飞 赵永森 带队教师：王雷 潘立强 I 摘摘 要要 本文设计的智能车模运动系统平台是基于 WIFI 通信协议和 RFID 射频标签识别技术的全自动智能停车场管理系统。该系统分为五个部分，小车模型，停车场仿真沙盘，总控制中心，用户 APP 以及管理者上位机。小车模型是将“恩智浦”智能车竞赛中所使用的 B 型车模加以改造而成，核心控制单元采用 K60微控制器，采用电感和 RFID 射频识别模块识别停车场模型中的信息，通过欧姆龙编码器采集小车的运动速度，WIFI 通信模块实现小车与整个系统的通信；停车场仿真沙盘是小车运动平台，模拟真实停车场内场景；总控制中心核心控制使用 K60 微控制器和 WIFI 模块实现分析计算和收发指令；用户 APP 基于安卓系统使用 Java 语言进行开发，可在安卓手机和平板上进行使用，实现用户和停车场之间的交互；管理者上位机使用 C#语言开发，实时动态监控停车场的运行。小车自身控制通过 PID 算法实现了速度闭环和位置闭环；采用集中式控制实现对多辆小车的调控；小车采用电磁线和标签识别辅助循迹和定位，实现自主循迹。通过这五大部分，实现了车与车，人与车之间的信息交互，实现了人物互联，物物互联，符合物联网的要求。经过实验，该系统运行稳定，功能可靠，为未来全自动停车场的实现提供了一种可行的解决方案。关键字：K60，物联网，全自动停车场，路径规划 II 目录目录 摘 要.1 引 言.1 第一章 系统总体设计.3 1.1 设计背景.3 1.2 系统功能设计.3 1.3 系统技术设计.4 第二章 停车场模型及小车机械系统设计与实现.5 2.1 停车场模型设计.5 2.2.1 底布布局设计.5 2.2.2 模型装饰设计.5 2.2 小车机械系统设计.7 2.2.1 前轮定位.7 2.2.2 舵机安装.8 2.2.3 传感器安装.9 2.2.4 车壳安装.10 第三章 硬件系统设计及实现.13 3.1 硬件整体设计方案.13 3.2 传感器的选择.14 3.2.1 编码器.14 3.2.2 RFID 射频识别标签.15 3.3.3 WIFI 通信模块.16 3.3 电路设计方案.16 3.3.1 K60 最小系统板.17 III 3.3.2 电源稳压电路.17 3.3.3 电机驱动电路.19 3.3.4 拨码开关.22 3.3.5 单片机接口与其他接口.22 3.4 本章小结.23 第四章 软件系统设计及实现.24 4.1 小车循迹算法.24 4.2 小车动作控制.25 4.3 小车定位.25 4.4 WiFi 通信.26 4.5 最优路径.26 4.6 避障处理.27 第五章 APP 及上位机简介.28 5.1 APP 简介.28 5.2 上位机简介.30 结 论.31 参考文献.32 附录 1 部分程序源代码.1 I 引引 言言 人类借助化石能源，通过工业革命，利用商品流通将世界物流连接在一起。随后借助电子和通讯技术，通过信息革命，利用互联网将人类信息交流联接在一起。刚刚过去的二十一世纪的十几年间，上述变革周期已经缩短至几年，甚至几个月的时间。正在国内大搞互联网加、物联网的时候，世界各地又不断智能硬件、工业 4.0 革命等。在这期间，细心的人们会发现物流和信息流相融合的技术统一体物联网正在悄悄的影响着我们的生活，改变着我们的习惯。形形色色的安装有嵌入式计算硬件的智能体，以其变化多端的传感器、性能各异通信手段、贴切友善的功能软件不断我们对于世界的新体验。第一波物联网浪潮正在逐步消耗由网络互联所带来着前进的动力。浪过之后所显现出来的真正为物联网提供可持续发展的技术特点应该是：高性能的嵌入式处理芯片、可靠多样的传感器技术、高效能源控制转换、丰富的互操作模式以及信息安全处理能力。基于这些技术的支撑，充分挖掘智能体本身的环境信息感知与处理能力，使得未来物联网中的物体将会变得更加智能、安全、节能和易用。未来互联网将是一个万物互联的世界，而安全解决方案将融入从终端节点到网络再到云服务器的每个角落。随着现代社会的飞速发展，私家车的拥有数量急剧增加，停车场的需求量也越来越大，一位难求的现象时有发生。针对这种情况，以智能、安全和互联为核心指导思想，我们设计了“丁香泊车”全自动智能停车场管理系统。该系统为未来自动停车场提供了一种可行的解决方案，深刻体现了万物互联的物联网带给人们生活的巨大便利，只为最后 100 米的舒适。本文设计的全自动停车场管理系统基于恩智浦 K60 系列微处理器，采用了电感以及 RFID 识别模块感知环境中的信息，并配套设计了相应的用户 APP 和管理者控制系统上位机，保证系统的可靠性和安全性。该停车场可实现无人管理，管理者仅需一个管理终端，便可实时查看停车场内的运营状况；用户在手机安装相应的 APP，可随时查看停车场内的车位状况，根据用户个人喜好选定第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2 车位后，可自动规划路线，告别在停车场内一位难求的状况，同时缴费，预约车位均可在手机上进行，节约了大量时间。我们小组成员从今年五月份开始组队，进入哈工大智能车创新俱乐部开始准备创意赛。在备赛期间，我们秉承“规格严格，功夫到家”的哈工大精神，认真准备，注重细节，敢于尝试，勇于创新，从确定方案，到具体实施，都经过多次讨论和验证，期间困难重重，但是我们从未轻言放弃，反复实验，总结经验和教训，解决一个又一个问题，不断完善，致力于做到最好。尽管路途艰辛，但是这短短的几个月注定将成为我们最美好的回忆之一，也是我们今后人生道路中的一笔珍贵的财富。3 第一章第一章 系统总体设计系统总体设计 1.1 设计背景设计背景 物联网，顾名思义，就是物物相连的互联网。通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合，就形成了物联网。物联网的目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。智能，安全，节能，易用，是物联网网络的特点。通过各种传感器和多样的通信方式，实现物体和人对信息获取的最大化，最终实现人对周围环境整体的信息的获取和掌控。相比与互联网解决最后一公里的问题，物联网更致力于解决最后 100 米的问题，物联网相比互联网，更加注重用户的体验，以用户体验为核心的创新2.0 模式正是当前物联网发展的核心灵魂。正因为如此，我们将方案的重点放在解决人们身边的问题，更加注重方案的实用性，在实用的基础上展开创新，是物联网的意义所在。随着汽车工业的蓬勃发展以及人民生活水平的日益提高，私家车的数量越来越多，停车难的问题也随之浮现。上班下班，回家聚餐，开会旅游，停车已经成为不可避免的问题。一位难求的苦恼，有车一族时时刻刻在面临。针对这种情况，并且结合智能车，我们设计了“丁香泊车”全自动智能停车场管理系统。1.2 系统功能设计系统功能设计 丁香泊车系统从展示角度可分为三大部分：车模运动平台，用户 APP，管理者模式上位机。车模运动平台可实时模拟真实停车场内的运营情况；可通过手机 APP 控制其中的小车运动，模拟用户真实使用 APP 停车的情景；管理者模式实时反应出停车场内的运营情况，包括车位占用情况，小车实时位置等实时信息。该系统有以下几个特点：智能。选定希望的出口和车库号，小车即可自动选择路径，进入到指定车位以及从相应的出口出去。同时支持多车同时运行，小车之间自动实现避让，第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 4 停等，入库，出库等动作，井然有序。安全。车库入口有道闸，配合安全识别，保证停车场内进入的车辆都是在系统内注册过的车辆，保证了用户的权益。管理者上位机可实时监控停车场内部情况，一旦有突发情况可及时处理。高效。用户通过 APP 可预订车位，并且查看车位的剩余情况，从而对停车场内的情况提前了解；通过自主选择车位位置和出口，系统可为用户规划出在停车场内的行进路线，对于规模较大的停车场，更快的到达车位，效率更高；通过 APP 即可完成缴费，告别刷卡取卡的麻烦，大大节约了时间。相比于其他停车系统致力于在城市内对于停车场位置的确定，丁香泊车将重点放在了停车场室内管理，对停车场进行室内定位，利用物联网的技术，解决用户到车位的最后 100 米的尴尬。1.3 系统技术设计系统技术设计 丁香泊车系统从技术实现上分为五大部分：停车场沙盘模型，小车模型，总控制中心，APP，上位机。这五大部分之间通过 WIFI 通信，核心控制芯片均采用恩智浦 K60 系列微处理器，实现系统协调有序的运行。小车模型基于恩智浦智能汽车竞赛竞速赛中所使用的 B 型车模自行改装而成，所有的电路机械结构等均自行设计完成；总控制中心由一块 K60 芯片作为核心控制芯片，调控整个系统协调有序运行；停车场沙盘模型包括停车场内部结构以及必要的装饰物；APP 是基于 Android 系统 JAVA 语言开发，上位机使用 C#语言进行开发。整个系统均自行设计制作完成，经过一个半月的调试与实验，系统安全有效，稳定可靠，运行有序，实现了全自动停车场的基本功能。5 第二章第二章 停车场停车场模型模型及及小车小车机械系统设计与实现机械系统设计与实现 2.1 停车场模型设计停车场模型设计 2.2.1 底布布局设计底布布局设计 综合考虑停车场系统要求和展示场地限制等因素，我们设计了如图 2.1 所示的沙盘底布。图 2.1 停车场底布布局 浅灰色部分为停车场内部，深灰色部分为停车场外部。停车场外部由一条环形公路和绿化带组成，小车在没有接收到停车指令时，在外圈环形公路上运动，模拟用户在停车场以外的区域中运动时的情景；该停车场设计有三个出入口，最大限度模拟真实停车场的复杂情况；停车场内部设计三排共 14 个车位，用户可随意选择其中任何一个车位。赛道底布材质为喷绘布，大小约为 5*5(m)，为近似正方形。2.2.2 模型装饰模型装饰设计设计 为了增强展示效果，使系统更加美观，在底布上设计了相应的仿真模型和灯带道闸等装饰物。第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 6 图 2.2 仿真草皮和模型树木 图 2.3 仿真建筑模型 每个车位上都装饰有相应的 LED 灯带，采用 12V 供电，功率为 18W/m，采用干簧管接近开关检测是否有小车在车位，当小车驶入车位，相应车位上LED 灯带便会亮起，提示观众相应小车进入车位，使展示效果更加明显。图 2.4 LED 灯带 第二节 停车场模型及小车机械系统设计及实现 7 2.2 小车机械系统设计小车机械系统设计 根据组委会比赛的规则规定，本次比赛车模机械结构可以自行设计制作，也可以购买成品车模平台。考虑到制作改装难度及展示效果，经讨论决定我们选用“恩智浦”智能车比赛的 B 车模并加以改装来完成设计。本节就主要介绍车模的机械结构和设计改造方案。2.2.1 前轮定位前轮定位 在该停车系统中，虽然对小车运动速度要求不是很高，但是对于小车转弯的精度和灵敏度有很高的要求，以便精准停进相应车位。为了使模型车在行驶时更加稳定，转向轻便，转向后能自动回正，并减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的相对安装位置，叫车轮定位。其中包括主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。本设计中对车模速度要求不是很高，但对车模对称性有较高要求，对车模的灵活转向也有较高要求。前轮前束的作用是保证模型车的行驶性能，减少轮胎的磨损，对转向改善并无明显效果，由此不再讨论。主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。图 2.5 主销后倾图 主销后倾角的存在使车轮转向轴线与赛道的交点在轮胎接地点的前方，可利用赛道对轮胎的阻力产生绕主销轴线的回正力矩，该力矩的方向正好与车轮偏转方向相反，使模型车保持直线行驶。后倾角越大，模型车的直线行驶性越第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 8 好，转向后方向盘的回复性也越好，但过大的回正力矩也会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在 1到 3。可以适当的增加主销内倾角，有利于保持直线行驶、转向后回正。主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。图 2.6 主销内倾图 主销内倾角的作用，是使车轮在受外力偏离直线行驶时，前轮会在重力作用下自动回正。另外，主销内倾角还可减少前轮传至转向机构上的冲击，并使转向轻便；在实际的调整中，只要我们将角度调整为 5 度左右，转向会有所改善。2.2.2 舵机安装舵机安装 考虑到主板的安装方便、空间布局以及车模转向性能，我们对转向舵机安装结构进了调整。车模的转向是通过舵机带动左右横拉杆实现。由于车模准确倒车入库时对舵机转向控制需十分精确，对堆积转向机构响应速度有较高要求。在舵机的转动速度和功率一定的情况下，要想加快转向机构的响应速度，唯一的办法就是优化舵机的安装位置及其力矩延长杆的长度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。通过不断调整舵机轴及转动杆长度，我们最终确定其安装方式如图：第二节 停车场模型及小车机械系统设计及实现 9 图 2.7 舵机安装图 舵机安装方式通常有两种，立式和卧式。经过反复实验，我们最终选用了卧式舵机。小车舵机选用 SD-5 系列舵机，频率 300Hz，供电电压 6V。2.2.3 传感器安装传感器安装 本系统设计是通过电磁线引导小车完成循迹功能，由于小车对速度要求并不如竞速组高，在适当范围内，我们尽量降低电感安装位置，减小两电感水平间距以将小车长宽大小控制在一定范围内以使车模更轻便美观，并只采用两个电感，排布方式为水平。由此，将电感高度确定为舵机支架高度位置，在此情况下，经试验确定，在两电感水平间距为 21cm 通过合适算法，完全能达到理想中的循迹功能。电感排布及安装位置如图。图 2.8 传感器安装图 第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 10 2.2.4 车壳安装车壳安装 考虑到美观要求与展示效果，我们决定选用网上购买透明塑料车壳并自主喷漆的方式制作车壳。并用螺丝将车壳固定在底盘上。其最终效果如图：图 2.9 透明车壳 图 2.10 田宫车模专用喷漆 图 2.11 涂装车壳实物图 13 第三章第三章 硬件系统设计及实现硬件系统设计及实现 3.1 硬件整体设计方案硬件整体设计方案 从最初进行硬件电路设计时我们就既定了系统的设计目标：安全、可靠、高效。在整个系统设计过程中我们以单片机为核心，严格按照规范进行设计制作。为了保证硬件系统的安全、可靠和高效，我们采取以下措施：（1）首选典型电路并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。选用成熟的硬件电路系统不但减少了设计开发周期，还确保了硬件电路设计的可靠性与稳定性。（2）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。做到功能够用的同时还留有扩展的余地，同时也方便测试。（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。在硬件设计的时候尽量做到可靠稳定，为软件的控制打下良好的基础。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用 CPU时间。（4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。（5）可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件 选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，使本系统工作的可靠性达到了设计要求。在设计 PCB 电路板时尽量将器件放芯片放在同一面。这样有助于提高稳定与可靠性，避免了安装或其他使用过程中出错的可能性。（6）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。（7）尽量使电路设计尽量简洁，尽量减少元器件使用数量，缩小电路板面积，使电路部分重量轻，易于安装。我们在对电路进行了详细分析后，对电路第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 14 进行了简化，合理设计元件排列、电路走线，使本系统硬件电路部分轻量化指标都达到了设计要求。（8）尽量朝“单片”方向设计硬件系统。最终我们设计的主控板 3D 效果图如图 3.1 所示。图 3.1 主控板的 3D 效果图 3.2 传感器的选择传感器的选择 3.2.1 编码器编码器 增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出 A、B 两相互差 90 电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。考虑到编码器的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出方式等指标，最终我们选取 512 线的光电编码器 LQ_ECM14180305_SDZ 编码器。该型号编码器输出电平类型为 CMOS 信号，抗干扰能力强，可以不需上拉电阻直接和单片机连接，供电电压 3.3V 到 5V 可选，编码器可输出编码器的运转方向，即只需要一个 IO 的高低来检测编码器的旋转方向。不需要正交解第三章 硬件系统设计及实现 15 码也可以完成方向识别，简化了软件上正交解码程序的麻烦。3.2.2 RFID 射频识别标签射频识别标签 射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID 技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的 RFID 系统，是由阅读器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是 Reader 发射一特定频率的无线电波能量，用以驱动电路将内部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。以 RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合及后向散射耦合两种。一般低频的 RFID 大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是 RFID 系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet 或 WLAN 等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是 RFID 系统的信息载体，应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 16 图 3.2 RFID 射频识别模块 3.3.3 WIFI 通信模块通信模块 ESP8266 是一款超低功耗的 UART-WiFi 透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到 Wi-Fi 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。ESP8266 封装方式多样，天线可支持板载 PCB 天线，IPEX 接口和邮票孔接口三种形式；ESP8266 可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具等。图 3.3 WiFi 模块 3.3 电路设计方案电路设计方案 硬件控制电路主要由四部分组成：K60 为核心的最小系统板，主控电路板，电机驱动模块，按键和 OLED 屏。最小系统版安插在主控电路板上，从而完成信号采集、处理、控制的全过程。而由于电机将有大电流控制，噪声大。故将电机驱动电路与主控电路分开，减少电机驱动电路对主控电路的干扰。第三章 硬件系统设计及实现 17 主控电路板上主要集成了电源稳压电路、最小系统板插座、电机驱动板接口、传感器、舵机接口、编码器模块、运算放大器模块、OLED 以及按键接口，拨码开关、蓝牙、指示灯等。3.3.1 K60 最小系统最小系统板板 单片机最小系统板使用了 MK60DN512ZVLL10 芯片来作为控制的核心MCU。我们选择了 100 引脚的单片机。为了减小 PCB 板的大小，最小系统版上并没有将所有的 100 个引脚都完全引出来，而是选择本系统所需要使用的引脚引出，包括了 PWM 接口、中断接口、LPTMR 接口、外部中断接口、不同IO 接口等等。此外还有简单的时钟电路、复位电路、电源滤波电路等。最小系统板 3D 效果图如图 3.2 所示。图 3.4 最小系统板 3D 效果图 3.3.2 电源稳压电路电源稳压电路 本系统中电源稳压电路分别需要有+5V，+3.3V，+6V，-5V 供电。+5V 为编码器、蜂鸣器、电子罗盘供电；+3.3V 为 KL26 单片机、无线蓝牙模块、陀螺仪加速度计、拨码开关、供电；+6V 给舵机供电；-5V 以及+5V 给运放模块供电。电池直接供给电机驱动模块，电机驱动模块会在后文详述。5V 电源模块：此模块采用 LM2940 电压转换芯片将电池电压 7.2V 转换为 5V 为编码器和 3.3V 芯片供电。我们采用了低压差三端稳压器件 LM2940。输第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 18 出电压 5V；输出电流 1A；输出电流 1A 时，最小输入输出电压差小于 0.8V；最大输入电压 26V；工作温度-40+125。LM2940 的稳压的线性度非常好，转换压差较大，发热现象并不明显。内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接 和反插入保护电路。而开关电源虽然有节约能源，降低热损耗等优点，但由于其纹波较大，电压不稳而影响其他模块的正常使用，我们选用LM2940 对其进行供电。电路原理图如图 3.3 所示。图 3.5 5V 电源模块原理图 6V 电源模块：此模块采用 MIC29302 电压转换芯片将 7.2V 转换为 6V，舵机也是一种电机，对电流需求较大，由于 MIC29302 芯片输出的最大电流可达到 3A，输入电压的范围大，能够满足舵机的需求，故我们选择该芯片为舵机供电。电路原理图如图 3.4 所示。图 3.6 6V 电源模块原理图 3.3V 电源模块：在本系统中，3.3V 为单片机 K60 供电以及为 WIFI 模块、第三章 硬件系统设计及实现 19 射频识别模块、拨码开关等众多模块供电，故其稳定性有很大影响。TI 公司的TPS73633 超低压差线性稳压芯片，此芯片在输出电流到 400mA 时的压差仅需75mV，其最大的特性是无需外部滤波电容，输出噪声仅为 30uV，为 KL26 主控芯片提供干净稳定的电流，相比传统的 AMS1117 和 XC6206，各种参数都要高很多，在小车复杂的电磁环境下为芯片的稳定可靠工作提供支持。故我们采用 TPS73633 电压转换芯片将 5.0V 转换为 3.3V。电路简单使用方便。电路原理如图 3.5 所示。图 3.6 3.3V 电源模块原理图 3.3.3 电机驱动电路电机驱动电路 本次系统中需要驱动 2 个电机：一个为后轮动力电机；另一个为平衡轮电机。故因此驱动的设计尤为重要。常用的电机驱动有两种方式：一、采用集成电机驱动芯片；二、采用 N 沟道 MOSFET 和专用栅极驱动芯片设计。集成的电机芯片功能简单，不能自主设计，响应性能也不够好。不能满足使用要求。故在这里我们选择第二种方式，采用 N 沟道 MOSFET 构建 H 桥驱动电路和专用栅极驱动芯片设计。首先先介绍一下 H 桥。H 桥是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母 H，故得名与“H 桥”。4 个开关组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠。要使电机运转，必须使对角线上的一对开关导通。如图 3.6a所示，当 Q1 和 Q4 导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。如图 3.6b 所示，当 Q2 和 Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。主电路中的开关实际上是各种半导体开关器件的一个理想模型。因为需要此开关拥有着出色的性能，无论是开关响应时间，还是负第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 20 载电流能力。故在本次设计中采用 N 沟道 MOSFET。(a)(b)图 3.7 H 桥原理图 H 桥的控制主要分为近似方波控制、脉冲宽度调制（PWM）和级联多电平控制，三种控制方式。考虑到单片机的控制性能、实现难易程度、实现控制的成本问题，综合考虑后选择采用脉冲宽度调制来对 H 桥进行控制。驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的开关不会同时导通非常重要。如果Q1 和 Q2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个开关直接回到负极。此时，电路中没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制开关。因此这里就需要专用栅极驱动芯片来对 H 桥进行直接控制。这样就才能提高系统的可靠性与稳定性。在市面上常见的集成 H 桥式电机驱动芯片中，HIP4082 型芯片性能较为出色，可以实现满足对 H 桥的良好控制，满足使用需求。HIP4082 是 H 桥 N 通道 MOS 管驱动器集成电路，特别针对于脉宽调制电动机驱动，使基于桥式电路的设计更为简单灵活；有较多的可调节的死区时间（0.25us 到 4.5us）。设计简单，性能良好，有着较高的可靠性与稳定性。本电机驱动主要就是为 HIP4082 芯片所连接的 H 桥驱动电路。设计原理图如图 3.7 所示。第三章 硬件系统设计及实现 21 图 3.8 驱动电路图 最终我们设计出来的电机驱动电路 3D 模型图如图 3.8 所示：图 3.9 电机驱动 3D 模型图 第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 22 3.3.4 拨码开关拨码开关 主控板上还集成了 4 路拨码开关，可以通过拨码开关的通断来代表不同的状态，配合程序的代码来实现不同的功能模式。原理图如图 3.9 所示。图 3.10 拨码开关原理图 3.3.5 单片机接口与其他接口单片机接口与其他接口 主控板上还留有与单片机最小系统板、舵机、编码器、射频识别标签、WIFI 模块、蓝牙串口、电机控制 PWM 的接口、蜂鸣器接口、OLED 接口、按键接口。原理图如图 3.10 所示。(a)第三章 硬件系统设计及实现 23 (b)图 3.11 接口电路图 3.4 本章小结本章小结 本章主要介绍硬件系统的各个电路模块和选择的传感器模块。而各个模块都是我们自己精心设计的，自己认真设计电路板的形状，对电路板进行合理的布局、布线，简化。再三检查，才投出去制作。投板回来之后，自己手工焊电路板，最终经过调试后成功投入使用，完成车模的硬件电路。这些硬件电路和传感器将整个系统联合起来，成为一个有机的整体，为下一步软件的调试和最终功能的实现打下了坚实的基础。24 第四章第四章 软件系统设计及实现软件系统设计及实现 根据智能泊车系统的要求，我们设计的流程如下图所示：4.1 小车循迹算法小车循迹算法 场景主干道采用电磁线引导，小车通过传感器采集路径信息，通过 PID 自动控制算法实现对小车的寻迹，小车在行进过程中，编码器采集速度信息，通过 PID 自动控制算法实现对小车的控速，使小车行进更稳定。PID（比例、积分、微分）控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID 控制原理图如图 4.3 所示。第章 软件系统设计及实现 25 图 4.3 PID 控制原理图 其中，比例环节的作用为及时的反应控制系统的偏差，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分环节能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），起到超前的作用，加快系统动作速度。在计算机控制系统中，使用的是数字 PID 控制器，通常分为位置式PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。增量式 PID 具体实现为公式(4.1)。(公式 4.1)式中 增量式 PID 的突出优点是控制增量的确定仅与最近 3 次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果。因此我们采用增量式 PID 作为本系统主控制算法。4.2 小车动作控制小车动作控制 小车的各种动作通过控制电机和舵机的配合实现，例如倒车入库可分为：前进，舵机打角，后退，舵机回舵，后退。为了提高准确度，小车通过编码器记录距离，电机的每次转动都控制在一定距离范围内，误差主要是编码器本身的误差。4.3 小车定位小车定位 定位采用 RFID 射频识别标签，在场景的主干道上贴足够数量的标签卡，第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 26 每个标签有独一无二的编号，小车上装有识别标签的模块，只要在足够近距离内，小车就会采集到标签的编号，唯一确定小车的位置。每个小车把自己的位置信息发给控制中心，实现对多个车辆位置的监控。4.4 WiFi 通信通信 在我们的泊车系统中，每辆小车配有丰富传感器实时采集环境信息，通过WIFI 共享当前位置、目标车库、目标路径、目标出口、行驶方向等信息，中心控制系统收集这些信息并且集中处理为每辆小车规划出最优路径，并在将要发生碰撞的位置及时控制小车停等避让。通过对比多种组网方式各自优劣后，我们选用了串口转 WIFI 模块ESP8266-01 来构建了一个小范围内互联网络，控制中心与小车形成星型拓扑结构，星型拓扑结构的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将要发送到数据发送中心节点，再由中心节点负责将数据送到目地节点。因此，中心节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，只需要满足链路的简单通信要求。星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。因此，中央节点的主要功能有三项：当要求通信的站点发出通信请求后，控制器要检查中央转接站是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接;在两台设备通信过程中要维持这一通路;当通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应能拆除上述通道。一般网络环境都被设计成星型拓朴结构。星型网是广泛而又首选使用的网络拓扑设计之一。控制中心采用 UDP 广播形式将信息发送给所有小车，小车则采用点对点的形式发送信息给控制中心。4.5 最优路径最优路径 用于定位的标签均匀放置，手机 APP 选择目标车位之后，根据自身位置对应的标签和目标车库对应标签，调用之前的数据库，比较不同路径所覆盖标签的数量，选择较少标签数量的那条即为最短路径。第章 软件系统设计及实现 27 4.6 避障处理避障处理 多个小车在一起入库的时候，会出现一些拥堵情况，这时候其它小车对于自己就是障碍，要执行一些避让或者停等的措施才能使小车成功入库，成功出库，以及驶出车库。每个小车将自己的位置信息以及状态信息发送给控制中心，控制中心根据这些信息综合判断，给出每个小车具体的动作，实现整个停车场的路径规划。下图是算法流程：图 4.1 算法流程示意图 28 第五章第五章 APP 及上位机简介及上位机简介 5.1 APP 简介简介 智能手机已经走进千家万户，在几乎人手一部智能手机的信息时代，使用手机 APP 作为用户和停车场系统之间的交流工具成为不二选择。为此，我们专门设计了相应的手机 APP丁香泊车 APP。使用该 APP，可实现一键停车一键取车一键缴费，让停车这件事变得简单，省力，省心。如图 5.1 所示，在 APP 主界面上设置有预约，停车，取车三个快捷键，同时下方三个按键可在主界面，消息通知界面和用户信息界面相互切换。图 5.1 APP 主界面 点击三个快捷键分别会出现相应的预约、停车、取车界面，按照需求选择车位和相应的出口，即可完成自己想要的功能，如图 5.2 所示。第五章 APP 及上位机简介 29 图 5.2 APP 界面（1）其中，已经被占的车位和自己选择的车位将会用不同的颜色标注出来，以便用户辨认。APP 还配有消息管理和个人资料用户管理，方便用户进行个性化定制，如图 5.3。图 5.3 APP 界面（2）第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 30 5.2 上位机简介上位机简介 为了更好的监控停车场的实时运营状况，我们设计编写了管理者模式上位机，实时反应小车在停车场中的位置和停车场的运营情况，如图 5.4 所示。图 5.4 上位机主界面 通过上位机还可以进行历史消息查询，分别可以按照车位和车牌号查询，如图 5.5 所示。图 5.5 上位机历史消息界面 31 结结 论论 在此份技术报告中，我们主要介绍了准备比赛时的基本思路，包括机械设计及最重要的控制算法的创新思想。在硬件方面，我们主要从主控板，电机驱动，传感器和 wifi 通信方面介绍了小车的组成，在算法控制方面，我们主要介绍了路径规划和小车控制 PID 算法，并且介绍了手机 app 和上位机的功能等。在这几个月的备战过程中，场地和经费方面都得到了学校和学院的大力支持，在此特别感谢一直支持和关注智能车比赛的学校和学院领导以及各位指导老师、指导学长，同时也感谢比赛组委会能组织这样一项有意义的比赛。自报名参加“恩智浦”杯智能汽车竞赛以来，我们小组成员从查找资料、设计机构、组装车模、编写程序一步一步的进行，最后终于完成了最初目标，定下了现在这个设计方案。现在，面对即将到来的大赛，我们有信心在全国比赛中取得优异成绩。也许我们的知识还不够丰富，考虑问题也不够全面，但是这份技术报告作为我们小组辛勤汗水的结晶，凝聚着我们小组每个人的心血和智慧，随着它的诞生，这份经验将永伴我们一生，成为我们最珍贵的回忆。32 参考文献参考文献 1 王铎，赵经文理论力学（I）北京：高等教育出版社，2009.2 王淑娟，蔡惟铮，齐明模拟电子技术基础北京：高等教育出版社，2009.3 谭浩强著C 程序设计北京：清华大学出版社，2003 4 徐向民Altium Designer 快速入门（第 2 版）北京：北京航空航天大学出版社，2011.5 杨春玲，王淑娟数字电子技术基础北京：高等教育出版社，2000.6 田玉平自动控制原理科学出版社，2013.7 白志刚自动调节系统解析与 PID 整定化学工业出版社，2012.1 附录附录 1 部分程序源部分程序源代码代码#include common.h#include include.h char send_data12=X,X,120,2,120,120,120,120,120,120,Y,Y;char Leave_direction7;void Hop_Handeler1(unsigned int a,unsigned int b,unsigned int m,unsigned int n);void Hop_Handeler2(unsigned int a,unsigned int b,unsigned int m,unsigned int n);unsigned int Hop_Handler_Max(unsigned int i,unsigned int j);unsigned int Hop_Handler_Min(unsigned int i,unsigned int j);void speed_control(unsigned int i,unsigned