系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案(采集正弦波).doc

第一章 賽車(chē)整體設(shè)計(jì)1.1硬件模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)圖如圖1.1所示。圖1.1 整個(gè)賽車(chē)硬件模塊主要分為六大部分：電源模塊、電磁信號(hào)采集模塊、測(cè)速模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊。附加的模塊有液晶調(diào)試模塊，和無(wú)線(xiàn)調(diào)試模塊。詳細(xì)原理圖見(jiàn)文件（原理圖.doc）。1.2 軟件結(jié)構(gòu)流程系統(tǒng)軟件流程圖如圖2.3所示。圖1.2 系統(tǒng)軟件流程圖第二章 智能車(chē)系統(tǒng)方案的關(guān)鍵2.1 影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素2.1.1 舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)延時(shí) 造成車(chē)速提高時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)彎不及時(shí)等原因中，很大一部分由舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)延時(shí)引起，而如何協(xié)調(diào)舵機(jī)延時(shí)與車(chē)速的控制則顯得至關(guān)重要。所以轉(zhuǎn)動(dòng)越靈活，越有利于轉(zhuǎn)彎。2.1.2 傳感器檢測(cè)精度傳感器的檢測(cè)精度一方面會(huì)引起賽道標(biāo)志的識(shí)別，另一方面會(huì)影響彎道和直道的檢測(cè)。精度越高，賽道標(biāo)志的識(shí)別就越精確，彎道會(huì)提前檢測(cè)，直道時(shí)能夠精準(zhǔn)卡住黑線(xiàn)。2.1.3 傳感器的前瞻距離 前瞻距離越大，越能提早檢測(cè)到彎道，提前轉(zhuǎn)彎，解決了舵機(jī)的延遲作用，但是太遠(yuǎn)的前瞻亦會(huì)引起賽道的錯(cuò)誤識(shí)別，導(dǎo)致走錯(cuò)賽道等等問(wèn)題。2.1.4 電機(jī)調(diào)速的快慢。賽車(chē)入彎時(shí)能否及時(shí)減到合適的速度，而賽車(chē)出彎時(shí)能否及時(shí)加到合適的速度，這就在某種程度上受電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的限制。驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)通阻抗越低，則導(dǎo)通電流越大，驅(qū)動(dòng)能力就越強(qiáng)。2.2 傳感器分析 1、導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾姶艌?chǎng) 根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流會(huì)在周?chē)a(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。智能汽車(chē)競(jìng)賽使用路徑導(dǎo)航的交流電流頻率為20kHz，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻電磁波中間，為3kHz30kHz，波長(zhǎng)為100km10km。如圖3.1所示： 圖2.1電流周?chē)碾姶艌?chǎng)示意圖 導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾妶?chǎng)和磁場(chǎng)，按照一定規(guī)律分布。通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)的電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向可以反過(guò)來(lái)獲得距離導(dǎo)線(xiàn)的空間位置。由電磁感應(yīng)定理，變化的磁場(chǎng)在導(dǎo)線(xiàn)中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，閉合的導(dǎo)線(xiàn)中則會(huì)產(chǎn)生電流，按正弦規(guī)律變化的磁場(chǎng)則產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的電動(dòng)勢(shì)。由圖2.1知，離導(dǎo)線(xiàn)越遠(yuǎn)磁場(chǎng)越弱，檢測(cè)到的電動(dòng)勢(shì)就越小，又由于得到的是正弦變化的電壓，電壓的變化即電壓幅值的變化。為了得到穩(wěn)定的電壓信號(hào)，采用LC振蕩電路進(jìn)行信號(hào)采集。從LC諧振電路得到的信號(hào)是交變的電壓信號(hào)，電壓幅值太小，只能達(dá)到幾百毫伏，需進(jìn)行放大，要直接能由AD采集，還必須把負(fù)電壓升高為正電壓且不能讓信號(hào)失真，才能通過(guò)AD直接采集進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。放大電路如圖2.2所示。圖2.2 信號(hào)放大電路圖2.3 電感和電容類(lèi)型的選取 對(duì)于諧振電路，電感和電容的選取只需滿(mǎn)足 。我們選擇了10mh的電感和6.8nf的電容。在電感和電容的數(shù)值匹配上，只要滿(mǎn)足選取原則即可，對(duì)信號(hào)影響不大。但是電感和電容類(lèi)型的選擇則會(huì)對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性，信號(hào)的強(qiáng)弱產(chǎn)生很大的影響。10mh的電感在市面上有很多類(lèi)型，主要是繞線(xiàn)的粗細(xì)，粗的繞線(xiàn)可以得到更大，更穩(wěn)定的信號(hào)，而細(xì)的繞線(xiàn)電感體積小，重量輕，且產(chǎn)生的信號(hào)也很穩(wěn)定。所以從各方面考慮，我們選擇了細(xì)繞線(xiàn)的電感。電容的類(lèi)型則決定了諧振電路選頻的能力的高低。最開(kāi)始我們選用瓷片電容，得到的信號(hào)會(huì)隨外界條件而發(fā)生變化，而且相同的兩塊電路對(duì)稱(chēng)性很低，信號(hào)之間有很大的差值。后來(lái)改用貼片鉭電容，改變了這樣的現(xiàn)狀，使信號(hào)穩(wěn)定且電路之間的對(duì)稱(chēng)性提高。由此，我們明白，不同的電容將會(huì)對(duì)電路造成很大的影響。設(shè)計(jì)好電磁信號(hào)采集電路，得到了導(dǎo)線(xiàn)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)弱在跑道上的分布情況，就需要考慮電感的安裝方向以及不同的安裝方向采集到的磁場(chǎng)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的小車(chē)的位置。2.4 電感的安裝方式選擇由圖2.1知，導(dǎo)線(xiàn)周?chē)植嫉碾姶艌?chǎng)是以導(dǎo)線(xiàn)為中心的同心圓，距離導(dǎo)線(xiàn)越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)越弱。將導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾姶艌?chǎng)按水平和垂直方向分解，可以考慮電感的豎直安放和水平安放。豎直安放的電感主要采集的是垂直方向的磁場(chǎng)。隨著距離導(dǎo)線(xiàn)的距離變寬，由電感檢測(cè)到的磁場(chǎng)從小變大，再由大變小。電感安放的高低不一樣，磁場(chǎng)的變化范圍的寬度也不一樣。電感安放得越高，檢測(cè)到的磁場(chǎng)由低變高的范圍越寬，隨著電感的逐漸增高，這種表現(xiàn)會(huì)越來(lái)越明顯，甚至可以覆蓋整個(gè)跑道。其次，由于跑道上導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的垂直磁場(chǎng)相互疊加的原因，豎直安放的電感檢測(cè)到的磁場(chǎng)會(huì)受到跑道上其它導(dǎo)線(xiàn)的影響，給處理造成了很大的不便。水平安放的電感主要采集的是水平方向的磁場(chǎng)，隨著距離導(dǎo)線(xiàn)的距離越來(lái)越短，水平方向的磁場(chǎng)減弱，檢測(cè)到的電壓信號(hào)幅值變小。電感安放的高低不同，這種變化程度也不一樣。電感安放越低，磁場(chǎng)變化越快。隨著電感安放高度的增加，這種變化將會(huì)減緩。且水平安放的電感不受其它導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，處理起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。2.4 信號(hào)采集模塊安裝高度的選擇信號(hào)采集模塊的安放高低，會(huì)影響信號(hào)的變化趨勢(shì)。安放得越高，采集到的磁場(chǎng)變化越緩慢，即在邊緣的電壓信號(hào)也較強(qiáng)，比較有利于A(yíng)D采集?？紤]到這些問(wèn)題，我們?cè)诎卜胚@部分電路時(shí)，有意在高度上提升高度。但是由于考慮重心的問(wèn)題，又不能把這部分電路安放得太高。所以在開(kāi)始安放我們選擇了13cm的高度，在前面一部分的制作過(guò)程中，我們對(duì)這樣的高度比較滿(mǎn)意，不論是信號(hào)采集還是處理上來(lái)說(shuō)，都沒(méi)有給我們的調(diào)試過(guò)程帶來(lái)限制。采集模塊安裝的高低，不僅僅影響的是采集到的信號(hào)分布的緩慢程度，更是影響了AD采集的穩(wěn)定性。所以，我們?cè)谶@部分安裝的高度上也進(jìn)行了不少的考慮與試驗(yàn)，最后決定了這樣的高度。第三章 硬件模塊設(shè)計(jì)3.1 信號(hào)采集模塊3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊賽車(chē)的速度決定著比賽的成績(jī)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是提高速度的重要硬件基礎(chǔ)，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在整個(gè)控制系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，減少芯片的發(fā)熱，我們用了兩塊 驅(qū)動(dòng)芯片并聯(lián)。3.3 電源分配模塊在電源分配上，5V電源主要采用TPS7350降壓穩(wěn)壓芯片穩(wěn)至5V。其中一塊TPS7350單獨(dú)單片機(jī)供電，另一塊給驅(qū)動(dòng)模塊和測(cè)速模塊供電。6V電源模塊采用LT1764降壓穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓至6V。其中一塊LT1764給信號(hào)采集，另一塊穩(wěn)壓至5.5V給舵機(jī)供電，電源分配圖如圖5.5V電池電壓TPS7350TPS7350 MCU 信號(hào)采集調(diào)試電路驅(qū)動(dòng)芯片 電機(jī)舵機(jī)5V5VLT1764LT17646V圖3.3 電源分配 3.3.1 TPS7350穩(wěn)壓至5V電源電路3.3.2 LT1764穩(wěn)壓至6V電源電路3.3.3 ASM1117穩(wěn)壓至3.3V電源電路第四章 遇到的問(wèn)題4.1 十字線(xiàn)的處理（未完全解決）十字彎處的磁場(chǎng)強(qiáng)度十字彎處豎直方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度十字線(xiàn)的處理。從上面的圖片當(dāng)中可以看到，在前瞻較大的時(shí)候，十字線(xiàn)的磁場(chǎng)分布與正常的九十度彎道非常類(lèi)似，容易出現(xiàn)十字線(xiàn)不能識(shí)別而直接轉(zhuǎn)向的情況。進(jìn)入十字線(xiàn)之后，內(nèi)側(cè)的磁場(chǎng)與螺線(xiàn)管類(lèi)似，遠(yuǎn)大于外側(cè)的磁場(chǎng)，容易出現(xiàn)內(nèi)切過(guò)大的情況。為此，我們?cè)谑志€(xiàn)附近采用了特殊的識(shí)別策略。并且在識(shí)別之后，在交叉線(xiàn)附近的直道上降低舵機(jī)的擺動(dòng)。這樣可以減少十字線(xiàn)的特殊磁場(chǎng)的干擾。4.2 坡道的處理（未完全解決）在坡道上，同樣會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)水平傳感器的信號(hào)之和會(huì)變小的情況。有所不同的是，坡道上，傳感器之間的差不會(huì)很小。通過(guò)這一點(diǎn)，我們解決了坡道上會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤迷失的情況。4.3 快要出賽道的處理（解決）傳感器的視角并不是很大，容易出現(xiàn)迷失的情況。我們通過(guò)嘗試發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)迷失之后，兩個(gè)水平傳感器的信號(hào)之和會(huì)變小。通過(guò)這一點(diǎn)，我們找到了判定迷失的條件。迷失之后，降速，舵機(jī)打到一個(gè)比較大的角度。第五章控制算法設(shè)計(jì)傳感器布局方式如圖（5.1）。圖（5.1）傳感器布局示意圖5.1采樣交流信號(hào)小車(chē)的6個(gè)傳感器（LC諧振）輸出的交流小信號(hào)，經(jīng)分別放大后得到平均值為3.3V的交流大信號(hào)，再分別經(jīng)電阻分壓衰減得到一個(gè)平均值為2.5V交流信號(hào)，并直接送入MCU進(jìn)行A/D采樣。即MCU直接接受20kHz的交流信號(hào)。5.2由交流信號(hào)得到信號(hào)幅值MCU對(duì)6路20kHz的信號(hào)進(jìn)行采樣，由于MCU本身的A/D轉(zhuǎn)換速度不能達(dá)到對(duì)20kHz信號(hào)進(jìn)行密集采樣所需的速度，于是采取滯后一周期采樣的方式，采樣頻率為21kHz，這樣，信號(hào)的表征頻率就變?yōu)?1kHz-20kHz=1kHz，我們定義它為“表征信號(hào)”。表征信號(hào)的周期為T(mén)=1ms，MCU在1T內(nèi)能采到21個(gè)離散點(diǎn)，利用這些點(diǎn)即可算得信號(hào)的幅度。我們實(shí)際所用的計(jì)算方法是：對(duì)6路信號(hào)都同時(shí)進(jìn)行21kHz采樣，每一路每采樣50個(gè)點(diǎn)就算出最大值Vmax和最小值Vmin，信號(hào)幅度A就為A=Vmax-Vmin。5.3由交流信號(hào)得到磁場(chǎng)方向一個(gè)電感僅感應(yīng)三維空間磁場(chǎng)的某一方向上的分磁場(chǎng)強(qiáng)度。所以不難理解，三個(gè)兩兩正交方式放置的電感可測(cè)得磁場(chǎng)在立體空間中的磁場(chǎng)方向。明顯，我們可以把立體的磁場(chǎng)看作是水平面上的分磁場(chǎng)Bxy與豎直方向上的分磁場(chǎng)Bz的疊加。于是便好理解，兩個(gè)正交放置的電感可測(cè)得磁場(chǎng)在水平面空間上的分磁場(chǎng)Bxy的方向(用于算角度的電感都是水平放置的，所以也就是車(chē)體的左右方向與磁場(chǎng)的水平方向，在跑道上非十字彎的地方，若很接近0則表明車(chē)體的前后方向與黑線(xiàn)方向基本平行)。求得的方法是|=|arctan(Bx/By)|。（由于信號(hào)幅度只能反映出磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，而不能反映出方向，所以只能求得絕對(duì)值。）可見(jiàn)，只利用由兩個(gè)正交放置的傳感器得到的信號(hào)幅度是可以算出磁場(chǎng)的絕對(duì)值的，但是確定不了它的正負(fù)。確定的符號(hào)，方法是采取兩路信號(hào)疊加。當(dāng)x方向的信號(hào)與y方向的信號(hào)同相時(shí)，疊加后的信號(hào)幅度將大于原來(lái)兩個(gè)幅度中的任意一個(gè)，反相則小于。若定義同相時(shí)為正，則反相時(shí)就為負(fù)。由于可以很方便的用軟件方式得到任意兩路信號(hào)的和，所以直接在程序中將兩個(gè)信號(hào)采樣值進(jìn)行求和便得到了疊加的信號(hào)采樣值。我們實(shí)際采取的方式是，對(duì)兩路信號(hào)既求和又求差，和大于差則正，和小于差則負(fù)。0#和1#傳感器用于計(jì)算小車(chē)右邊的磁場(chǎng)方向，4#和5#傳感器用于計(jì)算左邊的方向。5.4由信號(hào)幅度得到車(chē)體偏離黑線(xiàn)的程度當(dāng)接近0時(shí)，已知傳感器高度為h，與車(chē)軸距離為d，設(shè):0#傳感器相對(duì)黑線(xiàn)的水平距離為d0,車(chē)軸與黑線(xiàn)水平距離為dx則對(duì)應(yīng)信號(hào)幅度A0計(jì)算式為A0=,其中k為比例常數(shù)。同理5#傳感器對(duì)應(yīng)幅度為A5=,若設(shè)f(dx)=(A5A0)/(A5A0),此函數(shù)圖像用matlab仿真出來(lái)如圖（5.2）：圖（5.2）f(dx)與車(chē)體偏離位置的關(guān)系由圖（5.2）可見(jiàn)，在25cm 25cm上，h=14時(shí)曲線(xiàn)的線(xiàn)性度越好，但靈敏度較差。我們實(shí)際的選擇是d=12cm，h=13cm，把f(dx)近似的看成直線(xiàn)，用f(dx)90的值作為位置偏差對(duì)應(yīng)的控制角。由于f(dx)不收信號(hào)強(qiáng)弱與磁場(chǎng)方向的影響，采取這種方式是比較抗干擾的。5.5控制舵機(jī)的計(jì)算方法舵機(jī)的控制屬于開(kāi)環(huán)控制。給定角度計(jì)算式為：theta_ctrl=0.6+f(dx)900.4。而實(shí)際上，上式中的0.6和0.4用了可變的參數(shù)來(lái)代替，此參數(shù)隨信號(hào)強(qiáng)度的不同而不同，這個(gè)參數(shù)是為了解決十字彎難判斷而添加的，因?yàn)槭謴澨幍眯盘?hào)強(qiáng)度較大。5.6控制電機(jī)速度的計(jì)算方法用到編碼器后可閉環(huán)控制電機(jī)，采取簡(jiǎn)單PID算法。由于在不同的路段應(yīng)給定不同的速度，但當(dāng)給定速度突變時(shí)車(chē)身會(huì)打滑，于是不能讓給定速度突加，只能漸加。由于在不發(fā)反轉(zhuǎn)控制信號(hào)給電機(jī)的情況下，給定速度突減不會(huì)引起打滑，所以當(dāng)需要做普通減速時(shí)，直接將給定值突減為目標(biāo)值就可以了。（需要緊急減速時(shí)用反轉(zhuǎn)控制。）在此定義兩變量以便敘述：當(dāng)前給定速度speed_ctrl，目標(biāo)速度v。當(dāng)需要加速時(shí)，給定速度的計(jì)算方法為：speed_ctrl=speed_ctrl0.999+v0.001，其中0.999和0.001是可變