# 白塔岭 143 技术报告 （第十九届）

## 引言

>在引言部分，对于智能汽车制作情况进行概述，对于相关联的文献进行综述。阐明后面报告内容框架安排。

### 智能车大赛背景

 为了加强学生实践、创新能力和培养学生团队精神，从2006年开始，由教育部高等教育司委托高等学校自动化类教学指导委员会举办全国大学生智能车竞赛。在继承和总结前十八届比赛实践的基础上，竞赛组委会拓展新的竞赛内涵，设计新的竞赛内容，创造新的比赛模式，在第十九届比赛中开设气垫组赛道，进一步激发大学生的想象力和创造力。

### 气垫组比赛规则

气垫组比赛赛道为白色平整PVC材料，边缘由黑色电工胶带固定到蓝色背景布，四周有深色挡板以屏蔽环境的影响。赛道包含直线赛道、曲线弯道、交叉路口、环岛、路障五种赛道元素，车模需要从赛道起跑线出发，绕行赛道一周后，返回到起跑线。气垫组允许车模冲出赛道，但不允许在弯道内侧冲出赛道抄近道行进。

  气垫组要求参赛队伍自行制作气垫船，运行过程中分别使用两组风扇，分别提供车模垂直方向的悬浮力以及水平运动的推力，不允许依靠改变车模姿态将悬浮力转换成水平推动力，也不允许车模有轮子对车模产生支撑和推动作用力。

  气垫组对传感器没有限制，但要求必须只使用STC（专科）或WCH的RISC-V架构（本科）的微控制器进行信息处理和控制。

### 本文结构

本文将从硬件电路、机械结构、软件代码三个部分介绍参赛作品的设计思路和计数细节。

## 车模整体设计思路

## 硬件设计

> 稳定且可靠的硬件是保证车模正常运行的关键。根据上文提出的设计要求，硬件设计的主要工作量为运动控制主控、图像处理主控以及无刷电机调速器三个部分，最终车模主要保留该部分共四款电路版。

硬件设计上，主要考虑到对后续改进的兼容性要求以及对易损部件的快速替换要求，将主要电路分为了多个模块。

在车模设计初期，运动控制和图像处理采用单片 CH32V307VCT6 主控，但是由于单片机 RAM 容量较小（准确来说是对于图像处理任务较小），所以对于采集的图像大小限制较大，无论是采样图像中部区域还是采用棋盘采样，都会或多或少的损失一定的图像信息。本着“宁在硬件上折腾，不在软件上妥协”的观念（不过主要是该主控外围简单并且价格尚可），将图像处理和运动控制部分在硬件上分离，交由两个主控处理。

在双主控的通信上，由于设计上两个主控并不在同一板中，所以需要考虑能满足图像处理和控制速率的板间通讯方式。此外考虑到传输线邻近有电机等干扰源，所以对传输的可靠性有一定要求。综合下来，基于 485 标准的串口通讯和 CAN 接口成为首选考虑。理论上在实现上 CAN 由于规定了底层的帧协议，所以实际上实现功能更简单，不过彼时由于对 CAN 配置不甚了解，所以选择了平时使用更多的基于 485 的串口通信方式。

对于图像处理主控，硬件上主要确定了显示屏、五向按键、EEPROM、摄像头接口、485 收发器、和主控及外围电路几个部分。为了避免摄像头的并口和数据传输收到外来信号干扰，尽量减少了 fpc 排线的长度，并且在走线上保持一定间隔，减少信号间的耦合（该速率下基本上只需要尽量避免被功率部分干扰即可，传输等长和传输线阻抗等影响较小，但还是尽量减少线长，降低信号衰减）。另外因为是点对点通信，不需要考虑网络中节点失效以及线路负载的问题，所以采用了自动换向的 485 收发电路。使用该电路需要注意通信频率不能过高，否则三极管切换速率不足，会导致边沿过于平缓或者不完整。由于仅是短距离板间通讯，所以没有添加负载电阻和额外的保护电路。

对于运动控制主控，最终使用的版本由于是在省赛前赶工绘制的，所以存在一些错误和纰漏。设计考虑到需要使用四路有刷电机作为推进和提供向心力的动力。为了节省船内空间以及满足快速更换的需求，采用了板间对插的安装形式，两块完全一致的有刷驱动可以直接插在主控板上，损坏后可以快速更换，不需要任何焊接和额外接线。但是由于后续采用全无刷的方案，主控板较大的面积实际上有些多余，但是为了稳定没有使用专为全无刷方案设计的主控（其实是太懒不想布线）。主控板的电路设计没有特别需要关注的，电源采用了 tps562201 + xc6206 的方案，主要是出于转换效率和看起来有些多余的成本考量（学校给报销，而且对于非量产设计来说，省几毛钱没多大意义），另外优信电子没有特别好的国产同步降压芯片卖，矽力杰的芯片是拒绝的。

无刷驱动主要有两版，初版是最初为了驱动底部风扇所采用的小型化设计，尺寸大致为 20 * 30mm，选用 DFN-8 3x3 封装的 NMOS 搭建三相半桥。后续用于推进和侧向电机驱动是，发现由于加减速频繁导致发热较大，而该封装的散热性能要差于 5x6 的封装，导致其由于温升内阻上升较快，发热较多，有一定使用风险。

## 结构设计

结构设计上由于是自制车模，所以做过较多的验证版本，最后选择“逐飞版本”算是对于稳定性考量较多。

由于和赛道是面接触，切向和法向全部是滑动摩擦，所以车辆行进速度较快时仅由摩擦力提供的向心力并不足够，按照“逐飞方案”，直接由侧向风扇提供向心力就显得简单粗暴，控制上可以比较直接，根据曲率大小调整风扇转速即可。而转向方面，依靠后侧推进风扇产生的力矩进行运动，增大力臂能有效增大转向力矩，这也是在电机性能有限时提升转向效率的最简单方式。在满足避障的要求下，可以尽量外移。

对于气垫而言，我们最开始的结构采用了浮动侧裙的方案，出风口的
硬质框架浮动且因重力贴于地面，该方案的在地面不平时由于硬质框架为整体，很容易出现测漏的情况。后期采用了“逐飞方案”中使用气垫裙本身产生一个柔性密闭环境的方式，通过调整活动裙身的高度，可以得到较好的密封和通过性能。

此外对于气垫风扇，设计上有一定的考量。

气垫盒主要设计中，我们认为需要保证盒内有足够的静压以支撑气垫，主要对鼓风风扇罩和箱体结构进行了优化设计。

鼓风风扇罩设计上使用了下图所示的结构，其风道“先收敛，再扩张”。

![气垫风扇罩](clipboard_2024-08-09_15-51.bmp)
![气垫风扇罩剖视图](clipboard_2024-08-09_15-2.bmp)

理论上这种结构的风道能够产生文氏效应，在收敛段，气流速度增加，静压降低。然而，在扩张段，气流速度减小，静压会相应增加。并且文氏管能够一定程度上引导气流，减少湍流和涡流，从而降低动能损失，使气流均匀流向盒中。但是本设计中的文氏管没有进行准确的设计计算以及仿真过程，仅在实际测试中进行过比较，对比平行风道确实可见明显的效果提升。

在箱体设计中，我们设置了一定数量的导流板，能够将气流引导至箱体的特定区域，从而减少气流直接冲击箱体壁面的情况，减少了能量损失和动压的产生。同时，导流板也减少了气流的湍流和涡流，使气流流动更加平稳。此外，导流板增加了气流的阻力，有助于将更多的动能转化为静压能，从而提高了静压。下图可见所属的五片导流板和隔板（原设计中间并非用整板隔开，而是分为两个短导流板，但后续有对两侧风量动态调整的需求，所以修改成带小孔的整体隔板。

材料上使用桐木制作，除了潮湿环境下会略有变形，其成本上和重量上均优于碳纤维（即使是 2mm 玻纤板也略重于 3mm 厚桐木同规格船体结构）和 FR4 玻纤板，并且桐木可以采用激光切割方式加工，避免了雕刻刀加工内角的刀具半径限制，使得设计和装配更容易。

![船体结构底部视图](clipboard_2024-08-09_16-34.bmp)

## 程序设计