基于 RT-Thread賽車控制算法開發

學校：中原工學院

隊伍名稱：逐鹿—希望車沒事

參賽隊員：張恒基、王金龍、彭曉輝

本文以第十六屆全國大學生智能汽車競賽為背景，該比賽受教育部高等教育司委托，由教育部高等自動化專業教學指導分委員會（以下簡稱自動化教指委）主辦全國大學生智能汽車競賽。

全國大學生智能汽車競賽是一項以“立足培養、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”為指導思想，面向全國大學生開展的具有探索性的工程實踐活動。它以設計制作在特定賽道上能自主行駛且具有優越性能的智能模型汽車這類復雜工程問題為任務，鼓勵大學生組成團隊，綜合運用多學科知識，提出、分析、設計、開發并研究智能汽車的機械結構、電子線路、運動控制和開發與調試工具等問題，激發大學生從事工程技術開發和科學研究探索的興趣和潛能，倡導理論聯系實際、求真務實的學風和團隊協作的人文精神。

本次比賽中，我們使用大賽組委會統一提供的 B車模，以 TC264單片機為核心控制器，采用 MOS管驅動車模電機，MT9V034攝像頭作為傳感器，自主構思速度控制和轉向控制方案引導車模，按照規定路線識別行進。在報告中，我們通過對整體方案、機械、硬件、算法等方面的介紹，詳細闡述了我們在此次只能汽車競賽中的思想和創新。包括電路設計、算法、機械結構等等，詳盡地闡述了我們的思想和創意，具體表現在電路的創新設計，以及算法方面的獨特想法，和遇到而對于賽道新增元素的挑戰，也讓我們付出了不少的努力和汗水。這份報告凝聚著我們的心血和智慧，是我們共同努力后的成果。在此，分享給大家，希望能夠給廣大智能車愛好者提供一定的幫助。

RT-Thread，全稱是 RealTime-Thread，顧名思義，它是一個嵌入式實時多線程操作系統，基本屬性之一是支持多任務，允許多個任務同時運行并不意味著處理器在同一時刻真地執行了多個任務。事實上，一個處理器核心在某全國大學生智能汽車邀請賽技術報告

一時刻只能運行一個任務，由于每次對一個任務的執行時間很短、任務與任務之間通過任務調度器進行快速地切換（調度器根據優先級決定此刻該執行的任務），給人造成多個任務在一個時刻同時運行的錯覺。在 RT-Thread系統中，任務是通過線程實現的，RT-Thread中的線程調度器也就是以上提到的任務調度器。 RT-Thread是一個集實時操作系統（ RTOS）內核、中間件組件和開發者社區于一體的技術平臺，具有極小內核、穩定可靠、簡單易用、高度可伸縮、組件豐富等特點。 RT-Thread擁有一個國內最大的嵌入式開源社區，同時被廣泛應用于能源、車載、醫療、消費電子等多個行業，累積裝機量達數千萬臺，成為國人自主開發、國內最成熟穩定和裝機量最大的開源 RTOS。

本技術報告共包括七章內容，其中第一章引言部分主要介紹了智能車賽事的主題思想以及該技術報告所涉及的內容；第二章介紹了本車的機械結構設計以及機械原理；第三章闡述了本隊伍的系統設計方案；第四章訴述了本隊伍的程序框架以及所用算法；第五章介紹了準備比賽中本隊伍使用的系統開發以及調試工具；第六章介紹了本車的主要參數；第七章列寫了對本報告進行了最后的總結以及本團隊參與比賽來的經驗之談，希望能給大家帶來幫助。

一、車模舵機位置的安裝

按照比賽規定，本次大賽使用 B車模配套的 S-D5數字舵機，工作電壓4.5-5.5v,帶堵轉保護電路，力矩 5.0kg，回中更準確，定位更精確，動作速度 ≤0.14±0.02sec/60°。具體參數見下圖 2.1

舵機直接控制著小車的轉向，對于小車的轉向，它是通過舵機帶動左右橫拉桿來實現的。由于舵機的轉動速度和功率是一定，要想加快轉向機構響應的速度，唯一的辦法就是優化舵機的安裝位置和其力矩延長桿的長度。因此舵機的安放位置就顯得至關重要了。我們采用的是中置立式的安裝方式。對于舵機的拉桿，為了使當擺角最大的時候舵機給的推力是最大的，拉桿采用偏 V字安裝。

二、前輪定位

經過多番嘗試與查閱資料，對于前輪的定位，我們最終采用“前輪外傾，主銷內傾”的結構。、

主銷后傾角指車體縱向平面和地面垂直線的夾角，如圖 2.1所示，主銷后傾角可以產生一個與轉向相反的力矩使得車輪具有自動回正的能力，一般主銷后傾角越大，車速越高，前輪的自動回正能力就越強。但是主銷后傾角太大，將會引起前輪回正過猛，導致轉向沉重。調試中發現，我們發現車速加快后，增加主銷后傾角未必是好事，但是通過適當調整，能在一定程度上穩定車身。

前輪前束是指從汽車的正上方向下看，由輪胎的中心線與汽車的縱向軸線之間的夾角稱為前束角。輪胎中心線前端向內收束的角度為正前束角，反之為負前束角。總前束值等于兩個車輪的前束值之和，即兩個車輪軸線之間的夾角。

前束的作用是用來消除車輪外傾造成的不良后果。車輪外傾使前輪有向兩側張開的趨勢 ,由于受車橋約束不能向外滾開，導致車輪邊滾邊滑增加了磨損。有了前束后可使車輪在每瞬間的滾動方向都接近于正前方，減輕了輪轂外軸承的壓力和輪胎的磨損。

前輪的外傾是保證車輛操縱穩定性所必需的，也使前輪在汽車的任何工作條件下都不致產生負外傾，保證安全運轉。在前輪有外傾角的情況下，地面對車輪的垂直反力將產生一個軸向分辦，其目的是消除各種間隙，使轉向節軸上內外兩個大小不同的錐形滾柱軸承受力盡量往內礴大軸承上，減少轉向節螺母的軸向力，防止該螺母松脫而導致前輪飛出危險。車輪有了外傾后，兩側車輪有向外分開的趨勢。由于車橋的約束，車輪將不斷地相對路面作側向滑動，從而加速輪胎的磨損。為了抵償外傾后帶來的不良后果，故前輪有前束，有了前輪前束，可使車輪在每一瞬間的滾動方向都接近正前方，這樣既能保證車輛直線行駛的穩定性，又能保證輪胎正常磨耗。

三、后輪差速調整

經過試驗我們發現：如果差速過緊，即兩輪胎的速度很接近時，轉彎的時候內側輪很容易打滑，從而產生側滑，使賽車滑出賽道。當差速過松時，會使直道的時候兩輪打滑（電機不是處于后軸中央），大大的減小了賽車的驅動能力。所以差速調整要適當，才會使直道驅動能力強且穩定，彎道轉彎容易。

由于小車轉彎時，內側車輪和外側車輪的轉彎半徑不同，外側車輪的轉彎半徑要大于內側車輪的轉彎半徑，這就要求在轉彎時外側車輪的轉速要高于內側車輪的轉速。差速器的作用就是滿足汽車轉彎時兩側車輪轉速不同的要求，如下圖2-2所示。

四、電池的擺放與底盤的調整

在高速過彎時則所需向心力比較大，同時由于慣性車很容易向一側翻倒。為了避免這類事情的發生，我們把車的后輪底盤放低，從而降低整車的重心，防止車翻倒。但是由于比賽時可以有坡面道路，包括上坡與下坡道路，所以后輪的底盤高度不能太低，這是為了使車能順利的上坡而不至于由于底盤過擦到賽道。

我們把攝像頭放在了整個車的車頭位置。電池放置在靠近電機的位置，為什么將電池放在這是因為為了讓整個車的重心靠近中間，我們將電路板固定在底盤上，整個主控上面包含了所有的模塊，節省了空間降低了重心。如圖 2-3。

五、編碼器安裝

編碼器供電電壓不得超過允許的電壓，不得對編碼器轉軸施加過大的力從而導致轉軸變形，編碼器信號線最好使用膠帶固定在編碼器外殼上避免長期使用過程中的拉扯導致信號線脫落。

六、攝像頭安裝

攝像頭作為傳感器，它的安裝是最重要的。經過多次安裝實驗，，我們把攝像頭放在了整個車的車頭位置，由于規則要求攝像頭高度不超過 10cm,所以只用了一根比較粗的碳素桿固定攝像頭，為了防止視野畸變嚴重。我們選用的是130°的攝像頭鏡頭。如圖 2-4所示。

七、輪胎的保養與使用

本屆比賽 B2車模采用材料為橡膠的刻有花紋輪胎，在使用的過程中主要暴露出的問題有：輪胎材料較硬，抓地力不夠強。所以我們更換了輪胎質地更軟的、抓地力更強的 B3車模的輪胎。

由于規則中不允許對輪胎進行任何改變輪胎性能的處理，因此在調試過程中，我們盡量選擇對稱、圓的輪胎；盡可能改變前輪傾角，使輪胎與地面的接觸面積在各個工況下綜合最大；在不調試的時間里盡量避免四輪與地面接觸，用保鮮膜包裹，保證輪胎的形狀不發生改變。

八、車模外觀

1、車體外觀

2、本智能車采取的控制策略

由于本次大賽基礎四輪組的要求，本車最終決定以攝像頭為主，并輔以電磁控制。由于擔心賽場環境以及攝像頭的適應性差的特點，也準備了純粹電磁控制的程序。

九、攝像頭的選擇

攝像頭采用了 MT9V03X總鉆風數字智能車攝像頭，此攝像頭擁有全局快門高動態，自動曝光，幀數可調等優點，輸出為灰度圖像。

圖像通過 MT9V03X攝像頭進行采集，采集回來的圖像為 50188，截取為5094，并通過大津法進行二值化處理，幀數通過最大曝光時間進行調整，最終調整幀率約為 200幀/秒；設置自動曝光和自動增益以適應不同光照強度的環境。

十、電磁

本車安裝了五個電感，感應賽道交變磁場，產生感應電動勢，后續電路通過對感應電動勢進行一些列的選頻、放大、檢波，得到穩定信號并輸入到單片機對賽道信息進行識別，對電機發出加減速、舵機直行拐彎的指令。

本車采用了三橫兩豎的排列方式。可以更好的適應不同賽道類型，有效的應付直道與彎道的銜接。

電感安裝時要注意相鄰兩個電感切忌安裝過近，至少要有兩厘米的距離，否則會產生互感現象，具體現象就是過十字的時候車身會產生振動，嚴重的會導致十字直接沖出賽道。

一、PID控制算法

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制簡稱 PID控制，又稱 PID調節。PID控制器問世至今已有近 70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用 PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用 PID控制技術。PID控制，實際中也有 PI和 PD控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差。將偏差的比§、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID控制器，原理框圖如圖 3-1-1所示。

PID控制器各校正環節的作用如下：

比例環節：及時成比例地反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越弱，反之則越強。

微分環節：能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在該偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。

數字 PID控制算法通常分為位置式 PID控制算法和增量式 PID控制算法。

二、位置式PID

由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續輸出控制量量，進行連續控制。由于這一特點（式 1－2）中的積分項和微分項不能直接使用，必須進行離散化處理。離散化處理的方法為：以 T作為采樣周期， k作為采樣序號，則離散采樣時間 kT對應著連續時間 t，用矩形法數值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分，可作如下近似變換：

● 相關圖表鏈接:

圖2.1 SD-5舵機參數

圖2.2 后輪安裝

圖2.3 電池擺放圖

圖2.4 攝像頭安裝

圖3.1.1 PID控制器原理圖

交通智能體 硬件開發

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