2.2 整车运行设计思路
??我们设计的节能信标车模大致可分为以下几个模块：传感器信号采集模块、动力及转向模块、通信交互模块、无线充电模块、电能存储及管理模块以及核心的主控决策模块。各个模块的主要组成元素以及相互之间的联系见图 2–4。
3.2 车模各部分结构设计
3.2.1 驱动系统选取与装配
??首先，我们通过使用来自龙邱的一套基础硬件系统，实现了车模控制、寻灯。此时车模的效果很不理想，能耗高，速度慢，但是在此基础上基本能够确定车模大致目标重量，所需的驱动系统的动力。
??由于车体总体较轻，所以基本不会存在舵机打角强度不够的情况，舵机选择重量较轻，体积较小的KST v3.0舵机，配置相应的25T-5mm舵盘，并相应使用碳板根据舵机力矩，链接自定义的舵臂，充分利用这款舵机打角快、力矩小的特点，缩短舵臂长度，获得更大的打角力，并由舵机自身的性质，能够有着较快的打角速度。舵机采用卧式安装的方式
??我们车体总重控制在500g到1kg范围，期望设计最大速度3.5m/s，同时，起步加速度不应低于3m/s2。在此基础上，我们依参数选配定制了空心杯电机。电机的额定功率定在6W，电机是整车最大的耗电器，为了提高电机电源的效率，我们选取额定电压为12V的电机，这样，在电机电源端，我们可以选择使用单一的升压电路实现，这样综合效率较高，可以提升到95%以上，为小车运行节省了很多能量。
??为提升车模翻越罩子的稳定性，罩子边沿的高度为5mm左右。此时轮胎的直径应超过10倍左右才能顺滑地登上这个罩子。所以我们选择使用65mm直径的后轮。轮胎选材方面需要表面显得更硬，而且富有弹性的硅胶，这样的轮胎再在不与地面粘接，影响节能的情况下，能够实现较大的抓地力，即便是较为光滑的地面，在灰尘不多的情况下也能轻松的抓死地面。这样的轮胎的缺点在于密度较大，会增加车模总体重量。而且后轮质量大，容易出现车模重心总体偏后的问题，导致车模容易出现甩尾的现象。这种甩尾造成的后轮刹车会使得大量的能量被这个刹车的过程转换为热量，不利于转向的时候的节能特性提升。此时需要后轮使用一个更加轻质的后轮结构。后轮使用密度较低的树脂3D打印中空轮毂，这样对后轮总体质量减轻一些，但由于材料限制，没能完成对新的轻质轮轴的制作，如果能够实现较为轻质的轮轴的制作，那么将不会再出现这个问题。
3.2.2 四轮车小车底盘的设计
??小车底盘设计不但要完成车模各部件的装配，还要留足够的空间防止传感器以及一些节能信标需要使用的功能器件。四轮车由于两前轮通过舵臂刚性链接，后轮更是通过一根主轴完全刚性连接。在这种刚性连接的情况下，为提高四轮车高速过灯、过罩子的稳定性。悬挂虽然是一种比较理想的方案，但是悬挂系统太过于复杂，不适用于这种体量较小的车模。而且如果有对抗的情况下，在撞击的情况下，悬挂系统局部受力会非常大，不利于车模的正常行进。此时，底板选材便尤为关键。从机械性能上来讲，碳板固然是机械性能最好的板材，但是，对于节能信标组，碳板虽然轻而硬，但是碳板导电的特性使得碳板无法胜任这一工作。在无线充电的过程中，碳板如果靠近线圈，会发出大量的热量，导致充电效率大幅下降。理想的材料应当为一种轻质、硬度和韧性好、抗冲击不导电的绝缘物质。
??此时就有这样的几种方案。一种是3D打印这种增材制造，通过选取合适的材料和填充比，获得较为理想的硬度和抗冲击的能力。然而，这种方式其实强度并不是很好。在3D打印进行增材制造的过程中，由于材料纤维之间并不能做到完美的粘合，会使得这样的车模在承受比较强的力度的时候会发生折断。韧性差。四轮车底板如果缺少韧性，很难面对信标这样存在对车模来讲不可知罩子的情况。容易导致车模在罩子上起飞，不利于车模的运行。
??其次选择铸模加工，并在铸模的过程中混入一定比例的空气或者惰性气体，
??这种方式一定能获得较好的机械性能，避免了3D打印的问题，但是成型周期长，模具成型费用高，在长期使用的时候可以考虑。这种方式制作出来的车模有着良好的、可定义的机械性能。自然也可以做到更轻更薄。不过对于材料选型的难度上要求就比较高了。倒是可以一模多用。提高利用效率。
??我们在比赛中实际用到的方案（图 3–6）为与现在H车模相同的Fr4复合板，通过计算其强度，这种板材完全可以承担小车对抗时的冲击。同时有着一种韧性，有着一定的弹簧性能，解决飞车问题的最有效的方式为添加弹簧阻尼系统，而Fr4这种材料的性能自身就能形成一种天然的弹簧系统，虽然没有阻尼，但却能够大幅提升车模后轮与地面接触的能力。当车模前轮遇到罩子的时候，这种弹簧受到冲击，后轮并不会立刻抬起通过硅胶的抓地能力继续向前而不是电机腾空疯转。节能的同时极大提升了车模稳定性。
??上图中的虚线框内为TPS61178，为电机的外置稳压模块，可将电压稳定在12V，且能提供电机运行所需的大电流。其余的电源模块均在主控板内，为主板及外接模块提供稳定电源，保证系统的正常运行。
??在硬件设计的过程中，我们充分考虑了各个模块正常运行所需的电压，也考虑了各个模块所需的带载要求，在保证电压范围合理和能正常带载的前提下对各类器件进行了合理的选型。此外，在PCB设计过程中，也充分考虑到了如何降低各个供电模块的噪声，合理地选择滤波电容，保证稳压，必要的地方做好隔离，电机模块与其余模块之间进行单点接地的操作。最终形成的电源系统既保证了系统的稳定性和高效性，也已足够简洁明了。
4.1.1 TPS63070稳压模块
??由于我们使用的电源为超级电容而非锂电池，因此，在使用的过程中，电压会从10V左右降至3V左右，因此无论是选用降压芯片还是升压芯片都不能实现很好的实现稳压效果，因此我们最终采用了TPS63070这一款降压 – 升压芯片作为电源系统的核心开关电源类稳压模块，其输入电压范围为2V ~ 16V，输出电压范围为2.5V ~ 9V，完美契合了我们的需求。此外，该芯片使用的拓扑结构为四管同步的buck – boost升降压电路，该结构利用了同步整流模块，因而效率相较传统的buck – boost电路有着更高的转换效率（最高可达95%左右），这与我们节能信标组的“节能”二字是相符合的。TPS63070的带载电流可达2A，也符合了各个模块的带载需求。TPS63070的设计电路见图 4–2。
4.1.3 1.3V MCU内核供电模块
??TC264的内核需要有严格的1.3V稳压供电，从而才能保证其正常工作，为此，我们选用的稳压芯片为ME6216A13M3G。由于1.3V的稳压芯片可供选择的比较少，因此对于SOT23-3的封装，几乎只有这一款能够为TC264的内核提供足够的供电。我们在先前选用了另一款带载能力更弱的芯片结果导致TC264不断复位，无法正常工作。ME6216的1.3V稳压电路见图 4–4 。
4.2 电机驱动模块
??电机驱动我们使用了DRV8701作为驱动芯片，由于我们的驱动方案为单电机+舵机，因此只需要一路H桥和一个8701芯片即可。电机驱动部分的电路见图 4–6。DRV8701内部自带电荷泵升压电路，因此无需外部升压即可满足驱动需求。
??电机驱动的H桥电路中需要使用到可以实现高频开关且导通电阻小的MOS管，我们使用的MOS为TPH1R403NL，其导通电阻仅有1.7 mΩ（VGS = 4.5V），性能非常优越，有效保证了驱动电路的高效率。
??此外，在驱动信号和8701之间使用了一颗74HC244缓冲芯片用作数据缓冲，保证驱动环节的准确可靠。
??在该手册提供的应用电路中，默认前级输入的为直流电，因此在实际应用的时候还需要在接受线圈后加补偿电路并整流。该芯片本质上为一个同步降压的控制芯片，它自带了电流采样模块，因此可以实现恒流充电，通过控制则可进一步实现恒功率充电。
第五章 软件系统的设计及实现
??高效而稳定的控制程序，是智能车在陌生环境下平稳运行的基础。一个优秀的智能车控制系统必然是鲁棒的，不仅能够在自己的赛道上完成既定的任务，还能在陌生环境下取得良好的成绩。本次比赛中，我们英飞凌公司生产的TC264芯片作为控制器，通过神眼MT9V034摄像头采集图像信息，获取信标的方位，然后通过舵机控制运动方向。为了使智能车能够平稳高效运行，我们通过编码器测速，再通过bang-bang控制和经典PID算法实现了对小车的速度闭环。由于信标灯本身存在电流限制，我们又通过TC264对充电过程进行了追踪，使得小车从信标灯上尽可能多的获取能量。为了保证小车能够长时间运行，在电量低于阈值时，我们采用了中途停车充电的方式，为小车续航。
5.1 控制流程图
??程序整体控制流程图见图 5–1
6.1.2 硬件开发工具
??硬件电路原理图和PCB的绘制在Altium Designer 20的环境中进行，它是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件使电路设计的质量和效率大大提高。其操作界面见图 6–2
第八章 总结与思考
??本篇技术报告详尽地介绍了浙大三队在备战全国大学生智能车竞赛时分别在车模机械架构、硬件电路以及软件算法等方面所做的工作。其中包含了自制车模驱动系统的机械装配，小车底盘设计，传感器的固定方法；电路的电源模块，驱动模块，最小系统板以及充电模块的设计；软件上的图像处理，运动控制，充电控制以及中途充电方法。
??节能信标组是今年智能车竞赛首次开展的一个项目，它包含以往节能组的无线充电和信标组的信标寻找，是一个非常具有挑战性也非常新颖的竞赛项目。该组别最大的特点就是允许自制车模，这极大地激发了参赛选手主观能动性，各个参赛组别也都发挥出了惊人的创造力。智能车竞赛是一项融合了多学科的交叉创新型竞赛，需要参赛选手同时具备良好的机械设计能力、电路分析能力、编程能力等等，设计到的学科门类包含了机械、电子、电气、计算机等，这无疑是一场高水平之间的较量。
??在半年的备赛时间当中，我们组也经历了许许多多的起伏，在校赛和省赛之中，我们的处境无不非常惊险，但好在都能够顺利过关。屡次的失误并没有让我们气馁，反而极大地激发了我们的斗志，在国赛的备战过程中，我们针对硬件电路和软件算法都做了非常多的改进。最终取得了满意的成绩。
??当然，我们现在所做到的成果还是存在着缺陷的，与不少“大佬”之间仍然存在着不小的差距，在充电问题上，虽然充电过程稳定可靠，但充电速度仍然不够理想，一大原因就是在电容电压较低时的充电功率太小，导致充电过程最初较慢。此外，在节能的问题上虽然我们整车的效率已经是比较高的了，但是能耗仍然比较高，这一方面是车模的质量没有减下来，另一方面在一些电路及算法上也仍有不少改进的余地。
??在半年的备赛时间当中，浙江大学电气工程学院以及我们的指导老师姚维老师和韩涛老师都为我们提出了不少改进的建议，为我们提供了巨大的帮助，感谢他们的辛勤付出，我们当前所做出的的成果不仅仅是我们三人的，它凝聚着整个浙江大学智能车团队的智慧与汗水。另外也特别感谢第十六届全国大学生智能汽车竞赛的组委会，感谢他们为我们提供了这么一个平台去展示自己，祝智能车竞赛越办越好。
参考文献
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■ 附录 程序部分源代码
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nt core0_main (void) { // 关闭CPU总中断 IfxCpu_disableInterrupts(); // 关闭看门狗，如果不设置看门狗喂狗需要关闭 IfxScuWdt_disableCpuWatchdog(IfxScuWdt_getCpuWatchdogPassword()); IfxScuWdt_disableSafetyWatchdog(IfxScuWdt_getSafetyWatchdogPassword()); // 读取总线频率 g_AppCpu0.info.pllFreq = IfxScuCcu_getPllFrequency(); g_AppCpu0.info.cpuFreq = IfxScuCcu_getCpuFrequency(IfxCpu_getCoreIndex()); g_AppCpu0.info.sysFreq = IfxScuCcu_getSpbFrequency(); g_AppCpu0.info.stmFreq = IfxStm_getFrequency(&MODULE_STM0); //OLED初始化 OLED_Init(); // 按键初始化 GPIO_KEY_Init(); // LED灯所用P10.6和P10.5初始化 GPIO_LED_Init(); //定时中断 CCU6_InitConfig来源：卓晴
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