简介：本文以第十六届“恩智浦杯”全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了华工雨花队在该次比赛节能信标组别的参赛智能车技术成果。本文将从智能车的机械结构设计，硬件电路设计，摄像头寻灯算法，智能车控制算法，无线充电几个部分展开，详细地阐述我们小组的设计思路和创意，体现我们算法和硬件方面的独特想法。
我们小组采用了三轮的方案，自制车模。处理器使用Infineon公司的TC264单片机，采用ADS软件开发环境下开发。智能车赛道信息获取传感器使用灰度摄像头加装红外滤片。由赛道偏差信息配合陀螺仪获取的车辆姿态角速度信息来对整车进行方向控制，由电机编码器获取车辆速度信息来对车辆进行速度控制。方向控制和角度控制均使用位置式PID控制，通过PWN控制三轮车的两个后驱动轮进行差速转向和加减速，实现闭环控制。充电方面使用LCC拓扑进行无线电能的收割，采用5节50法拉的电容组进行电容的存储。调试方面我们设计了人机交互模块，可以更好地调试智能车的参数和检测车辆状态。加入的无线通信模块也可以实时地观察车辆行驶时的状态参数，有助于参数的整定。利用C#编写的图像调试上位机配合SD卡对图像算法进行调试和改进。
疫情期间，尽管困难重重，但我们还是克服万难，让小车可以在赛场上飞驰起来。以此报告，纪念过去一年来备战智能车的青春和努力。

关键词： 节能信标，无线充电，TC264，灰度摄像头，陀螺仪，PID控制

学校：华南理工大学
队伍名称：华工雨花队
参赛队员：李子锋
赖翔
苏沛烁
带队教师：陈安
邓晓燕

第一章引言

本报告将详细讲解我们小组在比赛过程中的智能车系统设计方案。将从智能车的机械结构设计，硬件电路设计，摄像头寻灯算法，智能车控制算法，无线充电几个部分展开，详细地阐述我们小组的设计思路和创意，体现我们算法和硬件方面的独特想法。在准备比赛过程中，我们小组付出了努力，也挥洒了汗水，这份报告将凝聚着我们备赛以来的心血和智慧，希望我们小组的努力可以得到认可，也希望我们可以继续努力，挑战更好的成绩，学到更多新知识。

1.1智能车竞赛简介

全国大学生智能汽车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动，是教育部倡导的科技竞赛之一。竞赛以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育。它以设计制作在特定赛道上能自主行驶且具有优越性能的智能模型汽车这类复杂工程问题为任务，鼓励大学生组成团队，综合运用多学科知识，提出、分析、设计、开发并研究智能汽车的机械结构、电子线路、运动控制和开发与调试工具等问题，激发大学生从事工程技术开发和科学研究探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。

1.2第十六届节能信标组别要求和任务简介

1.2.1车模

车模允许使用任何比赛中的车模，也可以自行设计制作车模。车模作品尺寸不限。车模上不允许使用任何电池，车模需要通过无线接收线圈获取信标发送的无线电能。信标灯为扁平状，车模可以行驶到信标上面接受无线电能。

1.2.2微控制器与传感器

车模使用Infineon公司的单片机。允许使用各类电磁、红外光电、摄像头、激光传感器、超声传感器器件进行赛道和环境检测。

1.2.3比赛赛道与任务

信标在点亮后同时会发送高频无线功率信号（150kHz）和红色、红外灯光用于导引车模前往。发送的高频无线功率信号也可以通过电磁共振耦合为节能车模提供大约72W充电功率。比赛时，车模从第一个信标开始接受电能，自行启动去往下一个信标。当车模运行到信标上之后，信标的灯便切换到下一个信标，但本地的信标依然发送无线电能，直到车模离开本地的信标灯，本地信标停止发送无线电能，下一个信标灯开始发送无线信号。

第二章整体框架与方案设计

本章将简要介绍我们小组智能车系统整体的设计思路，对实现的技术方案进行简要的说明。在后面的章节分智能车的机械结构设计，硬件电路设计，摄像头寻灯算法，智能车控制算法等几个部分进行深入介绍分析。

2.1智能车整体方案

根据16届智能车竞赛的比赛要求和任务，我们小组在车模，处理器，赛道信息获取方案，车辆控制方案都做了相应的选定。此次比赛我们车模为自制车模，使用Solidworks软件对小车进行建模，再由3D打印技术完成车身的制造。处理器使用Infineon公司的TC264单片机，在AURIX Development Studio开发环境下进行嵌入式软件的开发。智能车赛道信息获取传感器使用灰度摄像头，为摄像头安装红外滤镜，获取信标灯的红外信息，以实现对信标灯的准确识别。由信标灯的偏差信息配合陀螺仪获取的车辆姿态角速度信息来对整车进行方向控制，由电机编码器获取车辆速度信息来对车辆进行速度控制。方向控制和角度控制均使用位置式PID控制，通过PWN控制三轮车的两个后驱动轮进行差速转向和加减速，实现闭环控制。同时也设计了人机交互模块，可以更好地调试智能车的参数和检测车辆状态。加入的无线通信模块也可以实时地观察车辆行驶时的状态参数，有助于参数的整定。

2.2智能车各个模块总体介绍

整车可分为以下几个模块：主控模块，传感器模块，电源管理模块，电机驱动模块，人机交互模块，通信模块。
1. 主控模块：英飞凌TC264单片机，对采集的传感器信息进行处理和计算，对电机进行控制。
2. 传感器模块：灰度摄像头，9轴陀螺仪加速度计，电机自带编码器。分别实现各种功能，由以下章节详解。
3. 电源管理模块：为各个模块提供合适的电压电源。
4. 电机驱动模块：为处理器控制电机提供接口
5. 人机交互模块：由IPS屏幕，按键，拨码开关，五向开关，SD卡槽，蜂鸣器组成。
6. 通信模块：采用NRF无线通讯模块，实现车辆与电脑上位机通信，作为调试阶段辅助模块。

第三章智能车机械结构设计

智能车的基础就是车身机械结构，控制程序需要在此基础上才能得到实现，因此智能车机械结构的设计对于整车的性能尤为重要。本章将会对机械结构做一个具体的讲解。

3.1 车模整体结构

此次节能组与往年的不同，由于信标的任务，让车模需要有了一定的速度要求，所以我们采用了三轮的设计，在保证车速的基础上尽量减轻车模的重量，同时也考虑到了车模重心的问题，在设计时尽量使得重心靠后，落于两个后轮上，提高转向的性能。整体机械结构如下图所示。

▲ 图3.1 车模整体外观图

3.2 传感器的设计安装

整车传感器包括：灰度摄像头；9轴传感器；电机编码器。

3.2.1灰度摄像头的安装

使用三角结构，将摄像头架设如图。

▲ 图3.4 摄像头架设图

3.2.2姿态传感器的安装

姿态传感器使用BMX055传感器，将裸片芯片焊接于主板PCB下方。

▲ 图3.5 BMX055传感器

3.2.3编码器的安装

编码器使用电机自带编码器，安装于电机后轴，获取电机的旋转信息。

▲ 编码器安装图

3.3电路板的固定及连接

对于该车模，电路板总共有4个，分别为主控板，电源驱动板，充电板，超级电容板。车身最主要的承重、连接的结构，就是两块电路板构成，上层的主控板和下层的电源驱动板。通过胶柱进行固定连接。超级电容板安装于电机后部，通过结构设计降低了重心。充电板位于车模前部，与充电线圈相连。

3.3.1主控板的安装

主控板是整个车身最重要的一块电路板，也是在调车过程中最常接触的电路板，集成了开关、IPS、下载接口、拨码开关、指示灯等等功能，所以将此电路板放置于最上层无疑是最好的选择，也会更方便后期的调试、下载。

▲ 主控板安装

3.3.2电源驱动板的安装

电源驱动板的主要功能是将超级电容的电压升降压至12V供电机使用，通过H桥电路控制电机的快慢，达到对车模速度的控制目的。该板并不需要进行人机交互，故放置于主板下层是合理的。

▲ 电源驱动板安装

3.3.3超级电容板的安装

由于今年节能信标任务的特殊性，我们采用了5节50法拉的超级电容，重量较重，所以安装于电机后部，设计机械时降低了其重心。

▲ 超级电容板安装

3.3.4充电板的安装

充电板体积较小，故安装于车模前部，与充电线圈相连接，同时连接后部的超级电容组，充电时为其补充电能。

▲ 充电板安装

3.4车身设计与电机安装

使用Solidworks对车模进行整体设计，整体设计效果如图。

▲ 整体设计效果图

3.4.1车身设计

车身使用3D打印技术打造，使用尼龙材料，强度与韧性符合负载强度需求。

▲ 车身设计效果图

3.4.2万向轮设计

万向轮使用ROTACASTER全向轮的麦克纳姆轮，使用35mm的黑色滚珠，配合7mm内径的轴承，安装于车模前部，安装效果如图。

▲ 万向轮实际安装图

▲ 万向轮效果图

3.4.3电机与后车轮安装

电机使用M3螺丝与打印件相连接，后轮使用A车车轮，通过电机联轴器与电机出轴相连接，实际效果如图。

▲ 电机与后车轮安装实际图

▲ 电机固定效果图

3.5小结

整车的机械结构设计贯穿我们小组备赛的整个过程，设计也是一代一代地更新。机械结构的改变，可以影响车模能耗和跑车的整体性能。经过不断的尝试和努力，我们小组在比赛之前得出了这套方案，不过仍然存在提升的空间，车辆的能耗依旧比较大。每次修改机械结构设计，都能在相同软件基础上提升车子的性能，可以看出，机械结构与车子的性能有着密切关系，是我们在设计时重点考虑的内容。

第四章智能车硬件电路设计

智能车硬件电路包括主控板、电源驱动板、充电板、超级电容板。主控板包括电源管理，MCU最小系统，模块接口，人机交互等部分；电源驱动板实现电机电源的稳定，控制电机正反转的功能。本章主要介绍我们小组在智能车硬件电路设计方面的方案，展现我们在这方面的想法和创意。

4.1主控芯片简介

4.1.2 TC264主控芯片

英飞凌TC264为32位微控制器，采用双核Tricore架构，双核200MHz，集成725KB RAM，配套基于官方ILLD库开发的智能车专用库，可以实现快速开发应用。

4.2 主控板设计

▲ 裸板实物图（正）

▲ 裸板实物图（反）

▲ 主板实物图

4.2.1 电源管理模块

▲ 图4.1 电源管理模块原理图

本次比赛使用超级电容组为车模的硬件系统供电，使用TPS63070芯片将超级电容的电能转换为5V的电能形式为主板供电，该芯片具有高效率，外围电路简单的优点。同时使用两片AMS1117芯片将5V电压转为3.3V为芯片和模块供电。使用船型开关为总开关，控制车模整体功能的开启与关闭。使用分压电阻对超级电容组的电压信息进行采集，从而感知采集电容组的能量状况。

4.2.2 MCU最小系统

▲ MCU最小系统原理图

4.2.2 人机交互模块

▲ 人机交互原理图（1）

▲ 人机交互原理图（2）

人机交互部分采用了一块IPS屏幕显示信息方便之后的调车，同时还采用了一个蜂鸣器以便在车运行时了解车的状态。另外采用了一个五向开关和一个4位拨码开关实现调参，其原理是当某一个开关被触发时会在对应端口产生一个低电平，再经过74HC148这款八线三线优先编码器编码在单片机的对应端口产生信号，从而被单片机检测到并配合相应程序实现特定功能。通信部分是采用了NRF方案，最后还设计了一个SD卡的接口，方便获取摄像头采集到的数据。

4.2.3 传感器模块接口

4.2.4电机模块接口

▲ 电机模块接口原理图

4.3电源驱动板设计

电源驱动板方面，分为电机驱动电路，开关电源电路两个部分。其中稳压模块采用的是一片LM25118MHX芯片，对各元件合理取值后即可得到所需的12V电压。驱动方案使用DRV8701E芯片驱动，即通过驱动信号的控制使得H桥中始终只有一条对角线上的两只MOS管导通，实现电机的正转反装控制，同时再配合PWM波信号实现电机的调速。

▲ 电源驱动板裸板图

▲ 电源驱动板板实物图

▲ 电机驱动电路原理图

▲ 12V开关电源稳压电路原理图

4.4充电板设计

节能组比赛要求选手利用组委会统一提供的无线发射模块为超级电容充电，本次比赛使用的无线发射模块发射频率为150kHz,且发射功率通过刷固件限制在72W(24V3A)。

对于无线充电部分，初步讨论时有恒功率充电和LCC拓扑电路充电两个方案。恒功率方案能通过调节电路的参数使负载的充电功率大致保持在设定的值，而LCC拓扑电路充电方案，能够使接收端以恒流进行充电。相比于往届无线发射模块，今年节能信标组无线电磁波最大功率增大，而且超过最大功率时发射系统不会停振，继续保持在最大功率进行输出，因此我们小组最终采用基于LCC拓扑电路的“傻充”方案。不过需要注意的是，由于LCC补偿网络的恒流特性，法拉电容充电电压理论上可以非常高，因此，需要在接受的过程中即时观察超级电容上的电压，一旦超过阈值，则需要车模迅速离开充电区域。

4.4.1 无线充电电路

无线充电电路部分由LCC拓扑电路和全桥整流电路构成。在全桥整流的基础上，通过LCC补偿电流使充电电流达到恒定。

▲ 无线充电电路原理图

▲ 无线充电电路板实物图

4.4.2充电电路元件的选型

根据无线发射模块的各项参数要求，选择适合的充电电路元件：

LCC拓扑电路部分的谐振电容采用的是C0G/NPO材质的电容，这类电容是I类陶瓷中温度稳定性最好的，温度特性近似为0。

接收线圈使用的龙邱科技的砂包线绕制的电感线圈，电感值为13.4

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