第六屆電磁組哈爾濱華德學(xué)院

1、第六屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽技 術(shù) 報(bào) 告學(xué) 校：哈爾濱華德學(xué)院隊(duì)伍名稱：華德遠(yuǎn)航參賽隊(duì)員：黃祥祥 徐陽(yáng)錢(qián)立森帶隊(duì)教師：孟祥蓮?fù)跫矽i關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁(yè)上收錄并公開(kāi)參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車(chē)的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名： 帶隊(duì)教師簽名： 日 期： 摘要本文介紹了華德遠(yuǎn)航隊(duì)制作飛思卡爾智能車(chē)的全部過(guò)程。本智能車(chē)系統(tǒng)以飛思卡爾高性能16位單

2、片機(jī)MC9S12XS128MAL為核心，通過(guò)10mH電感檢測(cè)賽道導(dǎo)線激發(fā)的電磁波來(lái)引導(dǎo)小車(chē)行駛，用編碼器來(lái)檢測(cè)小車(chē)的速度。賽道的電磁信號(hào)我們先使用集成運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，再利用肖特基二極管檢波將放大后的電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為正比于交流電壓信號(hào)峰峰值的直流信號(hào)，最后通過(guò)AD采樣獲取當(dāng)前傳感器在賽道上的坐標(biāo)。速度控制上，我們使用經(jīng)典PID算法和魯棒控制法。此外，為了提高調(diào)試的方便性，我們開(kāi)發(fā)了LabView上位機(jī)軟件，并且使用MATLAB、Proteus進(jìn)行輔助仿真。單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為CodeWarrior IDE 5.9.0。關(guān)鍵字：飛思卡爾智能車(chē)，MC9S12XS128MAL，電磁，經(jīng)典PID 目錄摘要

3、II第一章引言11.1 大賽簡(jiǎn)介11.2 智能車(chē)系統(tǒng)介紹21.3 章節(jié)安排3第二章智能車(chē)機(jī)械調(diào)校52.1 前輪調(diào)整52.2 舵機(jī)固定82.3 降低虛位92.4 差速調(diào)整92.5 齒輪嚙合102.6 調(diào)整重心102.7 零件制作11第三章智能車(chē)硬件系統(tǒng)133.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)133.2 電源模塊143.3 傳感器模塊153.3.1 傳感器的選擇153.3.2 傳感器的硬件制作183.3.3 傳感器排布的設(shè)計(jì)203.4 起跑線檢測(cè)233.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊243.6 測(cè)速裝置253.7 小車(chē)主板設(shè)計(jì)26第四章智能車(chē)軟件系統(tǒng)294.1 軟件系統(tǒng)概述294.2 時(shí)鐘模塊294.3 AD模塊以及信號(hào)采集

4、策略304.4 PWM模塊以及控速策略334.5 終點(diǎn)線檢測(cè)344.6 主程序流程圖35第五章智能車(chē)開(kāi)發(fā)平臺(tái)375.1 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)375.1.1 硬件仿真平臺(tái)375.1.2 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)385.2 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)415.3 數(shù)學(xué)分析平臺(tái)41第六章總結(jié)XLI6.1 參賽心得XLI6.2 智能車(chē)的不足以及改進(jìn)XLI參考文獻(xiàn)XLI致謝XLI附錄A：模型車(chē)技術(shù)參數(shù)及特色XLI附錄B：模型車(chē)外形照片XLI附錄C：模型車(chē)電路原理圖XLI附錄D：模型車(chē)程序源代碼XLI第一章 引言智能車(chē)系統(tǒng)涵蓋了機(jī)械、電子、電氣、傳感、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制等多方面知識(shí)，一定程度上反映了高校學(xué)生科研水平。本章節(jié)詳細(xì)闡述了智能車(chē)系

5、統(tǒng)的研究背景和本智能小車(chē)的系統(tǒng)總體概況。1.1 大賽簡(jiǎn)介為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，受教育部高等教育司委托(教高司函2005201 號(hào)文)，由教育部高等自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化分教指委）主辦全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽。該競(jìng)賽以智能汽車(chē)為研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國(guó)大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。該競(jìng)賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、

6、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該競(jìng)賽由競(jìng)賽秘書(shū)處為各參賽隊(duì)提供/購(gòu)置規(guī)定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺(tái)，競(jìng)賽過(guò)程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車(chē)調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程。該競(jìng)賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車(chē)電子為背景，涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車(chē)等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競(jìng)賽規(guī)則透明，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)客觀，堅(jiān)持公開(kāi)、公平、公正的原則，保證競(jìng)賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。該競(jìng)賽以飛思卡爾半導(dǎo)體公司為協(xié)辦方，得到了教育部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、飛

7、思卡爾公司領(lǐng)導(dǎo)與各高校師生的高度評(píng)價(jià)，已發(fā)展成全國(guó)30 個(gè)省市自治區(qū)近300 所高校廣泛參與的全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽。2008 年起被教育部批準(zhǔn)列入國(guó)家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目中科技人文競(jìng)賽之一（教高函200730 號(hào)文）。全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽原則上由全國(guó)有自動(dòng)化專業(yè)的高等學(xué)校（包括港、澳地區(qū)的高校）參賽。競(jìng)賽首先在各個(gè)分賽區(qū)進(jìn)行報(bào)名、預(yù)賽，各分賽區(qū)的優(yōu)勝隊(duì)將參加全國(guó)總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊(duì)伍和隊(duì)員情況，分別設(shè)立光電組、攝像頭組、電磁組、創(chuàng)意組等多個(gè)賽題組別。每個(gè)學(xué)?？梢愿鶕?jù)競(jìng)賽規(guī)則選報(bào)不同組別的參賽隊(duì)伍。全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽組織運(yùn)行模式貫徹“政府倡導(dǎo)、專家主辦、學(xué)生主體、社會(huì)參與

8、”的16 字方針，充分調(diào)動(dòng)各方面參與的積極性。全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽一般在每年的10 月份公布次年競(jìng)賽的題目和組織方式，并開(kāi)始接受報(bào)名，次年的3 月份進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，7 月份進(jìn)行分賽區(qū)競(jìng)賽，8 月份進(jìn)行全國(guó)總決賽。本次比賽分為光電、攝像頭和電磁三個(gè)賽題組，本論文主要介紹電磁賽題組的智能車(chē)制作。1.2 智能車(chē)系統(tǒng)介紹在本報(bào)告中，我們介紹了飛思卡爾智能車(chē)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、機(jī)械的調(diào)校、開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用詳細(xì)地闡述了我們的思想和創(chuàng)意。本此比賽中，我們獨(dú)立設(shè)計(jì)、實(shí)踐創(chuàng)新，先后解決了電磁傳感器問(wèn)題和電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。隨后經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)采集以及分析、方案論證、調(diào)試車(chē)模，最終鞏固了算法。本智能車(chē)系統(tǒng)包含以下

9、幾個(gè)部分：1） 電磁傳感器；2） 電源模塊；3） 單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍模塊；4） 單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔離電路；5） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；6） 測(cè)速編碼器設(shè)備；7） 起跑線檢測(cè)模塊；8） 智能車(chē)底盤(pán)（包括電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、電池等）；本系統(tǒng)各部分模塊都能協(xié)同地工作。由于系統(tǒng)中存在感性負(fù)載，會(huì)有大電流，我們細(xì)化了電源模塊，目的在于獨(dú)立各個(gè)模塊，降低各個(gè)模塊之間的干擾和保證各個(gè)模塊的電壓、電流的穩(wěn)定。系統(tǒng)的整體模塊圖示如圖1.2.1 所示。圖1.2.1系統(tǒng)的整體模塊圖示1.3 章節(jié)安排本論文章節(jié)安排如下：第一章 引言：詳細(xì)介紹了本智能車(chē)的研究背景以及系統(tǒng)的總體概況；第二章 智能車(chē)機(jī)械調(diào)校：詳細(xì)介紹了本智能車(chē)在機(jī)

10、械結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，包括前輪的調(diào)整，舵機(jī)的固定，等；第三章 智能車(chē)硬件系統(tǒng)：詳細(xì)介紹了本智能車(chē)各個(gè)硬件模塊電路的設(shè)計(jì)、制作和方案的選擇；第四章 智能車(chē)軟件系統(tǒng)：主要介紹了本智能車(chē)軟件設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)，詳細(xì)的介紹了舵機(jī)控制和速度控制；第五章 智能車(chē)開(kāi)發(fā)平臺(tái)：詳細(xì)介紹了智能車(chē)硬件仿真平臺(tái)、硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)、仿真平臺(tái)、軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和數(shù)學(xué)分析平臺(tái)；第六章 總結(jié)：詳細(xì)的介紹了本次智能車(chē)制作的心得、本智能車(chē)的不足和值得改進(jìn)的地方；附錄A：模型車(chē)程序源代碼；附錄B：模型車(chē)電路原理圖；附錄C：模型車(chē)外形照片；附錄D：模型車(chē)技術(shù)參數(shù)及特色；第二章 智能車(chē)機(jī)械調(diào)校小車(chē)機(jī)械上的限制會(huì)使小車(chē)的速度到達(dá)一定值時(shí)，無(wú)法繼續(xù)提速。因

11、此，機(jī)械的合理調(diào)整，在小車(chē)后期的提速中起到了不小的作用2.1 前輪調(diào)整要保持車(chē)輛直線行駛的穩(wěn)定性，使小車(chē)直道穩(wěn)定、彎道轉(zhuǎn)向輕便，必須確定車(chē)輪定位參數(shù)，包括主銷(xiāo)后傾、主銷(xiāo)內(nèi)傾、前輪外傾和前輪前束。阿克曼矩形轉(zhuǎn)向梯形是我們調(diào)整前輪特性的主要參考，阿克曼原理的基本觀點(diǎn)是汽車(chē)在直線行駛和轉(zhuǎn)彎行駛過(guò)程中每個(gè)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)軌都必須完全符合它的自然運(yùn)動(dòng)軌跡，從而保證輪胎與地面間處于純滾動(dòng)而無(wú)滑移現(xiàn)象。阿克曼圖形如圖2.1.1所示。圖2.1.1阿克曼圖形主銷(xiāo)后傾角： 主銷(xiāo)后傾角在車(chē)輪偏轉(zhuǎn)后形成一回正力矩， 阻礙車(chē)輪偏轉(zhuǎn)。主銷(xiāo)后傾角越大，車(chē)速愈高，車(chē)輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)回正力越強(qiáng)。但回正力矩過(guò)大，會(huì)引起前輪回正過(guò)猛，加速前

12、輪擺振，并使轉(zhuǎn)向沉重。通常后傾角為13。主銷(xiāo)后傾如圖2.1.2所示。圖2.1.2 主銷(xiāo)后傾主銷(xiāo)內(nèi)傾角：在小車(chē)前后方向上，主銷(xiāo)向內(nèi)傾斜一個(gè)角度，主銷(xiāo)軸線與垂線間的夾角稱為主銷(xiāo)內(nèi)傾角。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向輪在外力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，由于主銷(xiāo)內(nèi)傾，則車(chē)輪連同整個(gè)小車(chē)的前部將被抬起一定高度，在外力消失后，車(chē)輪就會(huì)在重力作用下力圖恢復(fù)到原來(lái)的中間位置。通常主銷(xiāo)內(nèi)傾角不大于8。主銷(xiāo)內(nèi)傾如圖2.1.3所示。圖2.1.3主銷(xiāo)內(nèi)傾前輪外傾角：在汽車(chē)的橫向平面內(nèi)，前輪中心平面向外傾斜一個(gè)角度，稱為前輪外傾角。前輪外傾角一方面可以使車(chē)輪接近垂直路面滾動(dòng)而滑動(dòng)減小轉(zhuǎn)向阻力，使小車(chē)轉(zhuǎn)向輕便；另一方面減少了軸承及其鎖緊螺母的載荷，增

13、加了使用壽命，提高了安全性。一般前輪外傾角為1左右，但對(duì)于有高速、急轉(zhuǎn)向要求的車(chē)輛，前輪外傾角可減小甚至為負(fù)值。前輪外傾如圖2.1.4所示。圖2.1.4前輪外傾前輪前束：俯視車(chē)輪，汽車(chē)的兩個(gè)前輪的旋轉(zhuǎn)平面并不完全平行，而是稍微帶一些角度，這種現(xiàn)象稱為前輪前束。車(chē)輪前束的作用是減輕或消除因前輪外傾角所造成的不良后果，二者相互協(xié)調(diào)，保證前輪在汽車(chē)行駛中滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)。前輪前束一般為012mm。前輪前束如圖2.1.5所示。圖2.1.5前輪前束對(duì)第六屆B車(chē)而言在不修改零件的前提下可調(diào)整的有前輪外傾和前輪前束，由于我對(duì)車(chē)輛機(jī)械了解不多所以僅做了這兩項(xiàng)調(diào)整，但我感覺(jué)B車(chē)的主銷(xiāo)后傾角過(guò)大產(chǎn)生了一些不利影響。調(diào)

14、整的目標(biāo)是：小車(chē)直線行駛平穩(wěn)，彎道轉(zhuǎn)向輕便、靈活、穩(wěn)定。由于車(chē)輛本身的一些特點(diǎn)，例如輪胎特性、輪胎摩擦力、減震強(qiáng)度等，使我們?cè)趯?shí)際調(diào)整時(shí)要對(duì)理論的方案進(jìn)行一些改動(dòng)，最后做出的調(diào)整方案為：前輪外傾角-3左右（曾大轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎與地面接觸面積），前輪前束-1左右（減小轉(zhuǎn)向阻力）。2.2 舵機(jī)固定舵機(jī)固定嘗試過(guò)很多方法，其中有把舵機(jī)放在前輪中間舵機(jī)搖臂朝前的方案，使用后才發(fā)現(xiàn)它違反了阿克曼梯形原理，過(guò)彎性能極差，最后舵機(jī)固定方案為放在前輪中間，搖臂向后長(zhǎng)30mm，舵機(jī)座離底盤(pán)22mm。舵機(jī)固定如圖2.2.1所示。 圖2.2.1舵機(jī)固定2.3 降低虛位前輪虛位是車(chē)速限制的大問(wèn)題，它使控制不準(zhǔn)確和產(chǎn)生不可預(yù)

15、期的影響；除去舵機(jī)本身的虛位，前輪可調(diào)整的有輪與軸、軸與軸和連接件之間的縫隙，可以通過(guò)加墊片（如錫紙）和調(diào)整連接件位置來(lái)降低，如圖2.3.1所示 。圖2.3.1降低虛位2.4 差速調(diào)整差速器調(diào)整：小車(chē)采用的差速器為滾珠式差速器。合適的差夠提高小車(chē)入彎速度，提高彎道性能。差速器調(diào)整可以通過(guò)右后輪螺絲。注意調(diào)整過(guò)松，會(huì)嚴(yán)重影響直道加速性能和入彎剎車(chē)的有效性；調(diào)整過(guò)緊則會(huì)使無(wú)效狀態(tài)。差速器滾珠處可以適當(dāng)添加潤(rùn)滑劑，保證差速器平滑。但到目前為止還沒(méi)找到合適的潤(rùn)滑劑。2.5 齒輪嚙合齒輪咬合調(diào)整：調(diào)整齒輪咬合，以不松動(dòng)，無(wú)卡滯，松緊合適為準(zhǔn)。另外還要保證齒輪間咬合有足夠的接觸面積?？纱蜷_(kāi)電機(jī)聽(tīng)轉(zhuǎn)動(dòng)聲音，

16、尖銳和零碎的聲音都是不正常的，尖銳的是嚙合過(guò)緊，零碎的是嚙合過(guò)松，如果聲音始終不正常那就有可能是零件本身的原因，B車(chē)的一些零件還是夠爛的。齒輪嚙合如圖2.5.1所示。圖2.5.1齒輪嚙合2.6 調(diào)整重心低的重心可以使車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向靈活，在過(guò)彎時(shí)不容易出現(xiàn)翻車(chē)現(xiàn)象，B車(chē)前輪可以增加墊片后輪可以翻轉(zhuǎn)后輪軸固定座降低重心，在實(shí)際調(diào)整時(shí)，我們讓車(chē)在不影響上坡的前提下重心盡量低；前后重心應(yīng)保持在中后部，由于電磁車(chē)前方架了傳感器，所以重心一般不會(huì)靠后，應(yīng)調(diào)整布局和材料使重心靠后；另外車(chē)上無(wú)關(guān)緊要的零件能去則去，以減輕重量。2.7 零件制作本車(chē)零件采用純手工制作，制作過(guò)程對(duì)零件要求精益求精，材料選則在滿足

17、要求的前提下盡可能的輕，由于手工制作精度差，所以建議采用CAD制作零件，準(zhǔn)確快速，提高效率。第三章 智能車(chē)硬件系統(tǒng)本智能車(chē)系統(tǒng)追求穩(wěn)、準(zhǔn)、快，外觀上更是整潔，在有限的制板空間條件下極力做到極致。核心控制器單片機(jī)采用MC9S12XS128MAL，電源芯片采用LM2940，驅(qū)動(dòng)芯片采用BTN7970，傳感器采用LM386 運(yùn)放放大,起跑線檢測(cè)采用干簧管。所有的電路板均采用雙面布線的PCB板。調(diào)試過(guò)程中，我們采用Labview上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件、賽道計(jì)時(shí)器等輔助調(diào)試，本章均有詳細(xì)介紹。3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)為本智能車(chē)系統(tǒng)的核心。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定，我們購(gòu)買(mǎi)了最小系統(tǒng)板。最小系統(tǒng)板如圖3.1

18、.1 所示。圖3.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)板3.2 電源模塊比賽要求智能車(chē)電源只能使用指定型號(hào)的7.2V 2000mAh Ni-Cd 電池供電。在本智能車(chē)系統(tǒng)中，電源就相當(dāng)于陽(yáng)光，陽(yáng)光不充足系統(tǒng)就不能穩(wěn)定的運(yùn)行，也就不能實(shí)現(xiàn)功能，因而電源模塊的搭建至關(guān)重要。我們經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)選型，最終我們采用集成三端穩(wěn)壓芯片。集成三端穩(wěn)壓器主要有兩種：一種是線性穩(wěn)壓芯片，另外一種是開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓芯片。線性穩(wěn)壓芯片輸出紋波小，電路簡(jiǎn)單，但是功耗較大，效率較低，典型芯片為L(zhǎng)M7805；開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片則功耗小，效率高，但是輸出紋波大，電路復(fù)雜，典型芯片為L(zhǎng)M2596。對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，單片機(jī)本身功耗低，但是它對(duì)電源要求相對(duì)較高

19、。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)，LM2940和LM1117性能較優(yōu)。兩者都為低壓差線性穩(wěn)壓器件，LM2940最大輸出電流為1A，另外LM1117-ADJ為輸出可調(diào)穩(wěn)壓器件。最后我們選擇LM2940 作為單片機(jī)主要供電穩(wěn)壓芯片。由于舵機(jī)需要4.5V-5.5V的工作電壓，最后我們利用LM1117-ADJ輸出可調(diào)的特性為舵機(jī)提供電壓。因?yàn)殡娐分写嬖诟行载?fù)載，存在大電流，為了最大限度降低各個(gè)部分對(duì)單片機(jī)的干擾，我們單獨(dú)采用一片LM2940對(duì)單片機(jī)和起跑線檢測(cè)模塊進(jìn)行供電。傳感器也單獨(dú)用一片LM2940供電。而其他需要5V供電的模塊則采用另一片LM2940進(jìn)行供電。具體電源模塊原理圖如圖3.2.1 所示。圖3.2.1

20、電源模塊原理圖3.3 傳感器模塊傳感器的設(shè)計(jì)是保證小車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行的前提。以下詳細(xì)介紹了我們小車(chē)傳感器的選擇、硬件制作、傳感器排布的設(shè)計(jì)、傳感器優(yōu)化的各個(gè)過(guò)程。3.3.1 傳感器的選擇根據(jù)電磁檢測(cè)原理4，在通有交變電流的直導(dǎo)線周?chē)嬖陔姶艌?chǎng)。智能車(chē)競(jìng)賽中路徑導(dǎo)航使用的交變電流為20KHZ，100mA 電路，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破中間，為3kHz30kHz，波長(zhǎng)為100km10km。如圖3.3.1.1 所示。圖3.3.1.1 電流周?chē)姶艌?chǎng)示意圖由于賽道尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)，因此在導(dǎo)線附近能夠感應(yīng)到的電磁能量非常少并且可以將其視為緩變磁場(chǎng)，從而按

21、照靜態(tài)磁場(chǎng)的處理方法來(lái)獲取導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。根據(jù)畢奧-薩伐爾電磁感應(yīng)定律可知：在通有恒定電流I 長(zhǎng)度L 的直導(dǎo)線周?chē)嬖陔姶艌?chǎng)，距離導(dǎo)線r 處P 點(diǎn)（如圖3.3.1.2所示）電磁感應(yīng)強(qiáng)度為： 公式1可得： 公式2 圖3.3.1.2 長(zhǎng)L 的直導(dǎo)線電磁分析延伸到無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線上，上式1 = 0，2 =，可得公式3如圖3.3.1.3 所示。圖3.3.1.3 無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線電磁分析無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線周?chē)碾姶欧植紴橐蝗σ蝗Φ耐膱A，并且強(qiáng)度隨r 增加呈減小的趨勢(shì)。根據(jù)這個(gè)特性，我們可以計(jì)算出電磁傳感器距離中心直導(dǎo)線的距離，從而確定小車(chē)在賽道上的位置。綜上分析，電磁傳感器以線圈最為合適。常用

22、的電感線圈有色環(huán)電感、工字電感，并且可以按照需求進(jìn)行電感訂做。但是，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們選用10mH工字型電感和色環(huán)電感作為檢測(cè)傳感器。10mH 電感有多種規(guī)格，直徑越大高度越高，在直導(dǎo)線同一位置獲得的電磁能量就越大，傳感器獲得的信號(hào)就越強(qiáng)，但是太大的電感會(huì)增加傳感器重量，引起機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題。在經(jīng)歷眾多次選型之后，我們選擇了工字型電感，在100mA直導(dǎo)線電流時(shí)它能檢測(cè)到峰峰值為40mV 左右的電壓值，能夠滿足我們控制的要求。選用電感如圖3.3.1.4 所示。圖3.3.1.4 選用的10mH電感3.3.2 傳感器的硬件制作選頻方式我們選擇了組委會(huì)推薦方案，即用10mH 電感和6.8nF 電容組成RL

23、C 并聯(lián)諧振回路進(jìn)行選頻，原理不再詳述。我們把信號(hào)的放大作為重點(diǎn)部分，放大方案的選擇成為傳感器制作的關(guān)鍵。三極管體積小，型號(hào)眾多易于選擇，價(jià)格相當(dāng)?shù)土?。方案開(kāi)始時(shí)候，我們用選用8050，在它身上我們下了不少功夫，但是取得的效果不太理想?；驹硎腔竟采浞糯笃髟恚诨竟采浞糯笃鞯幕A(chǔ)上，我們添加過(guò)許多擴(kuò)展比如引入反饋、兩級(jí)放大、引入濾波電路等，但是因?yàn)樽詈蟮碾娐份^為復(fù)雜、電路質(zhì)量不高、檢測(cè)范圍較小而放棄。最后我們便轉(zhuǎn)向運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器的選擇、實(shí)驗(yàn)也花費(fèi)了我們不少時(shí)間。下面我們主要介紹在LM358和LM386之間的選擇。一、 LM358 LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率

24、補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM358引腳圖如圖3.3.2.1所示。圖3.3.2.1 LM358引腳圖二、 LM386由于LM358的增益不可調(diào)，放大后峰值電壓不能滿足我們的需求，最終我們選用了LM386。LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至 200。同時(shí)LM3

25、86具有靜態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電；工作電壓范圍寬（4-12V 、5-18V）；低失真度等優(yōu)良的特性。LM386引腳圖如圖3.3.2.2所示。圖3.3.2.2 LM386引腳圖典型應(yīng)用電路如圖3.3.2.3所示。圖3.3.2.3 LM386典型應(yīng)用 電路傳感器最終電路原理圖如圖3.3.2.4所示。圖3.3.2.4 傳感器原理圖傳感器中使用的二極管為1N5819肖特基二極管。肖特基二極管開(kāi)啟電壓一般為0.1V-0.3V，因此我們可以增加信號(hào)輸出的動(dòng)態(tài)范圍從而增加整個(gè)傳感器的靈敏度。傳感器在制作工藝上則使用了全貼片。這樣做使我們的傳感器更精致穩(wěn)定。另外，應(yīng)用在小車(chē)系統(tǒng)中還需要注意濾除電

26、源上面的干擾。在傳感器選擇的同時(shí)，我們?yōu)榱斯?jié)省花費(fèi)，充分利用了Proteus仿真軟件，增強(qiáng)了傳感器的真實(shí)可靠性。3.3.3 傳感器排布的設(shè)計(jì)我們小車(chē)傳感器的布局經(jīng)過(guò)以下三個(gè)階段的設(shè)計(jì)。方案一布局如圖3.3.3.1所示。圖3.3.3.1 方案一方案二布局如圖3.3.3.2所示。圖3.3.3.2 方案二方案三布局如圖3.3.3.3所示。圖3.3.3.3 方案三根據(jù)組委會(huì)推薦檢測(cè)參考方案3，方案一中，設(shè)兩個(gè)電感相距長(zhǎng)度為L(zhǎng)，電感距離導(dǎo)線高度h,兩個(gè)電感中心偏移賽道導(dǎo)線的距離為x，則可以計(jì)算兩個(gè)電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值Ed：公式4設(shè)L=30cm，可得Ed 如圖3.3.3.4 所示。圖3.3.3.4 感應(yīng)電

27、動(dòng)勢(shì)差值Ed 與距離x 之間的函數(shù)從圖3.3.3.4可以看出，當(dāng)傳感器中央在賽道中央時(shí)，Ed值為0。當(dāng)線圈往左移，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值小于0；反之，當(dāng)線圈往右偏移，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于0。因此在030cm之間，電動(dòng)勢(shì)差值Ed與位移x 是一個(gè)單調(diào)函數(shù)?？梢允褂眠@個(gè)量對(duì)于小車(chē)轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而保證兩個(gè)線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。通過(guò)改變線圈高度h ,線圈之間距離L可以調(diào)整位置檢測(cè)范圍以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小?？傮w上講，方案三精度更高，能夠檢測(cè)的賽道橫向距離更寬。方案三的原理則與方案一、二基本相同同。最后我們利用方案三線圈偏離導(dǎo)線越遠(yuǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越小的原理來(lái)檢測(cè)賽道信息。根據(jù)組委會(huì)推薦檢測(cè)參考方案4，可以知

28、道，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E是位置x的偶函數(shù)，呈現(xiàn)出如圖3.3.3.5所示的函數(shù)關(guān)系。圖3.3.3.5 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與距離x之間的函數(shù)由此，我們可以通過(guò)測(cè)量8個(gè)電感線圈傳感器采集的信號(hào)幅度大小來(lái)確定導(dǎo)線的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方案三具有更加精確的位置解算能力，并且利于速度控制。使用方案三，我們獲得了這三種方案中會(huì)較優(yōu)的效果。因此，我們最終確定傳感器布局方案為方案三。通過(guò)上位機(jī)讀回傳感器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與距離x之間的函數(shù)關(guān)系如圖3.3.3.6所示。圖3.3.3.6 上位機(jī)讀回的傳感器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與距離x之間的函數(shù)3.4 起跑線檢測(cè)起跑線檢測(cè)直接使用干簧管。當(dāng)干簧管不在磁鐵上方時(shí)，該I/O口處于高電平，。當(dāng)干簧管在

29、磁鐵上方時(shí)，該I/O口處于低電平。原理圖如圖3.4.1 所示。圖3.4.1 干簧管原理圖3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片我們選用BTN7970，它是一款針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的完全集成的大電流半橋芯片。它是NovalithICTM系列的成員之一，它的一個(gè)封裝中集成了一個(gè)P通道場(chǎng)效應(yīng)管在上橋臂和一個(gè)N通道場(chǎng)效應(yīng)管在下橋臂以及一個(gè)控制集成電路。由于上橋臂采用的是P通道開(kāi)關(guān)，對(duì)于電荷泵的需求也就不復(fù)存在了，因此電磁干擾減至了最小。由于集成在內(nèi)驅(qū)動(dòng)集成電路具有邏輯電平輸入，與微控制器的連接變得非常簡(jiǎn)單，且該驅(qū)動(dòng)集成電路還具有電流檢測(cè)診斷、轉(zhuǎn)換率調(diào)整、死區(qū)時(shí)間生成以及過(guò)熱、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和短路保護(hù)。BTN7

30、970在較小的電路板空間占用的情況下為大電流保護(hù)的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供了一種成本優(yōu)化的解決方案。本小車(chē)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)板共用2片BTN7970，共同組成了一個(gè)全橋。此芯片開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到25kHZ，可以很好地解決電機(jī)噪聲大和發(fā)熱的問(wèn)題、同時(shí)驅(qū)動(dòng)能力有了明顯的提高，相應(yīng)速度快。但是，電機(jī)變速時(shí)會(huì)使電源電壓下降10%左右，控制器等其他電路容易產(chǎn)生掉電危險(xiǎn)，從而使整個(gè)電路系統(tǒng)癱瘓。為此我們?cè)隍?qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)系統(tǒng)之間增加了隔離保護(hù)芯片74LS244 。具體的電路原理圖如圖3.5.1 所示。圖3.5.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖BTN7970的具體控制方法如表3.5.1所示。表3.5.1 BTN7970控制方法由于BT

31、S7970與BTN7970的使用方法基本一致，在這里我們介紹一下BTS7970典型應(yīng)用電路如圖3.5.2所示。圖3.5.2 BTS7970典型應(yīng)用電路3.6 測(cè)速裝置測(cè)速的常用方式有霍爾傳感器、光電傳感器、測(cè)速電機(jī)、編碼器四種。前期我們主要采用測(cè)速電機(jī)，但是使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這種方式測(cè)量精度不高，并且穩(wěn)定性不好。經(jīng)過(guò)多次選型測(cè)試后，我們選用編碼器進(jìn)行測(cè)速。根據(jù)不同的測(cè)速精度要求，我們分別選用了200線、360線、500線旋轉(zhuǎn)編碼器。線數(shù)越高，測(cè)速精度就越高，但是體積就越大。我們最終選用了歐姆龍出品的360線編碼器（E6A2-CS3E）。使用這種編碼器足夠滿足精度需求，并且輸出數(shù)字接口，直接輸出測(cè)速

32、脈沖，供單片機(jī)采樣以獲得實(shí)際速度值。3.7 小車(chē)主板設(shè)計(jì)最初的主板我們直接采用萬(wàn)用板搭建，所有元件都為直插式，各部分模塊都焊接在一張萬(wàn)用版上，搭建出的主板較重，穩(wěn)定性較差。在我們燒壞了一些芯片后，我們對(duì)小車(chē)的主板進(jìn)行了徹底改進(jìn)。小車(chē)主板我們采用雙面PCB板設(shè)計(jì)，從而獲得了較高的穩(wěn)定性。主板電路包括電源模塊、單片機(jī)接口、撥碼開(kāi)關(guān)、指示燈、編碼器接口、舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、以及其他調(diào)試接口。一代電路板如圖3.7.1所示。圖3.7.1 一代電路板二代電路板如圖3.7.2所示。圖3.7.2 二代電路板最終電路板如圖3.7.2所示。圖3.7.3 最終電路板第四章 智能車(chē)軟件系統(tǒng)本智能車(chē)的軟件采用Cod

33、e Warrior IDE 5.9.0進(jìn)行編寫(xiě)，該平臺(tái)帶有Processor Expert模式，可以在這種模式下實(shí)現(xiàn)所有硬件初始化，使得單片機(jī)非常方便用而不必過(guò)多考慮單片機(jī)內(nèi)部寄存器設(shè)置。另外本章還詳細(xì)介紹了智能車(chē)軟件控制思路、算法，并附帶了某些函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法。4.1 軟件系統(tǒng)概述整個(gè)小車(chē)的程序我們沒(méi)有將軟件分模塊編寫(xiě)，就用了一個(gè)main函數(shù)。這樣解決問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單，但是可移植性差。如若體現(xiàn)程序的模塊性和可移植性，程序應(yīng)該分成各個(gè)模塊進(jìn)行分別處理，而各模塊也有相應(yīng)的形參做為接口，這樣便實(shí)現(xiàn)了可移植性、通用性。這也是我們今后需要改進(jìn)的地方。程序中用到的硬件資源有PWM模塊、AD模塊、脈沖累加器、普通

34、I/O口。智能車(chē)跑起來(lái)的基礎(chǔ)是硬件電路和機(jī)械的調(diào)整，而讓車(chē)開(kāi)始提速的是軟件，我們的程序繼承了上一屆的優(yōu)點(diǎn)，更多地吸取了他們的經(jīng)驗(yàn)。在經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的調(diào)試完善后，程序從剛開(kāi)始的初始化到后來(lái)的閉環(huán)再到剎車(chē)程序的編寫(xiě)，由剛開(kāi)始的幾十行到幾百行的過(guò)度。整個(gè)小車(chē)軟件系統(tǒng)共用了6個(gè)單片機(jī)硬件模塊，分別是時(shí)鐘PLL模塊，PWM模塊，IO模塊，輸入捕捉模塊，AD模塊，中斷模塊。下面就這些模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分別進(jìn)行詳細(xì)闡述。4.2 時(shí)鐘模塊首先是時(shí)鐘鎖相環(huán)模塊，PLL模塊能夠給各個(gè)模塊提供精確的工作頻率，剛開(kāi)始我們使用的是24M的主頻，隨著程序的改動(dòng)中期出現(xiàn)了程序運(yùn)行周期太長(zhǎng)的問(wèn)題，我們選擇了升頻。將頻率升為48M，

35、升頻對(duì)于我們的程序來(lái)說(shuō)其實(shí)是不必要的，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的程序單片機(jī)處理的很快。升頻的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題，也就是說(shuō)升頻以后所有模塊所用的頻率不變的前提下得去修改他們的寄存器值。此外，我們還遇到了一些奇怪的問(wèn)題，最終的解決辦法是看英文datasheet。4.3 AD模塊以及信號(hào)采集策略在AD的初始化中我們對(duì)AD的采樣方法、采樣周期、采樣密度，進(jìn)行了細(xì)致的編寫(xiě)。具體處理AD值方面，如圖4.3.1所示。圖4.3.1 AD值處理流程圖為了實(shí)現(xiàn)上訴的過(guò)程我們寫(xiě)了一個(gè)函數(shù)如下：void GetVal() uchar i,j,k,m; uint JiaoHuan; ADv0=0;ADv1=0;ADv2=0;

36、ADv3=0;ADv4=0;ADv5=0;ADv6=0;ADv7=0; for(i=0;i10;i+) while(!ATD0STAT0_SCF); ADval0i= ATD0DR0L;ADval1i= ATD0DR1L;ADval2i= ATD0DR2L;ADval3i= ATD0DR3L; ADval4i= ATD0DR4L;ADval5i= ATD0DR5L;ADval6i= ATD0DR6L;ADval7i= ATD0DR7L; for(m=0;m10;m+) ADv0+=ADval0m;ADv1+=ADval1m;ADv2+=ADval2m;ADv3+=ADval3m; ADv4+=

37、ADval4m;ADv5+=ADval5m;ADv6+=ADval6m;ADv7+=ADval7m; ADvv0=ADv0*beilvsetC0;ADvv1=ADv1*beilvsetC1; ADvv2=ADv2*beilvsetC2; ADvv3=ADv3*beilvsetC3; ADvv4=ADv4*beilvsetC4;ADvv5=ADv5*beilvsetC5; ADvv6=ADv6*beilvsetC6; ADvv7=ADv7*beilvsetC7; AD_mix0= ADvv0*10+1; AD_mix1= ADvv1*10+2; AD_mix2= ADvv2*10+3; AD_m

38、ix3= ADvv3*10+4; AD_mix4= ADvv4*10+5; AD_mix5= ADvv5*10+6; AD_mix6= ADvv6*10+7; AD_mix7= ADvv7*10+8; for(k=0;k=7;k+) for(j=k+1;j=7;j+) if(AD_mixkAD_mixj) JiaoHuan=AD_mixk; AD_mixk=AD_mixj; AD_mixj=JiaoHuan; 此函數(shù)的作用是輸出有效的控制序列。接下來(lái)的任務(wù)就是如何使用這些量，方法是將兩個(gè)最大的AD值取出來(lái)對(duì)10取余得到他們的對(duì)應(yīng)序號(hào)，這樣就知道了哪兩個(gè)傳感器離導(dǎo)線近一點(diǎn)。根據(jù)這兩個(gè)傳感器AD的

39、差值再與之前預(yù)先設(shè)定的AD值比較，同時(shí)乘上一個(gè)距離值就得到了坐標(biāo)X。經(jīng)軟件處理后，傳感器AD值如圖4.3.2所示。 圖4.3.2 傳感器AD值根據(jù)上圖可以分析傳感器的坐標(biāo)，其計(jì)算坐標(biāo)流程圖如圖4.3.3所示。圖4.3.3坐標(biāo)計(jì)算流程圖4.4 PWM模塊以及控速策略PWM模塊可分為兩個(gè)部分：電機(jī)控制；舵機(jī)控制。這就涉及到控制策略，首先是舵機(jī)的控制。我們使用的是PD控制，P起主導(dǎo)調(diào)節(jié)的作用。在起初我們一直都只用P控制，后來(lái)發(fā)現(xiàn)P大了會(huì)讓舵機(jī)抖動(dòng)，直至導(dǎo)致直道不穩(wěn)定。后來(lái)便將D引進(jìn)來(lái)，我發(fā)現(xiàn)對(duì)于連續(xù)寬泛的坐標(biāo)量D的作用很明顯，減小超調(diào)、克服震蕩。其次是電機(jī)控制。要實(shí)現(xiàn)小車(chē)電機(jī)能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想速度

40、，而又無(wú)震蕩，無(wú)超調(diào)是很難的。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，我們選用了增量式PID進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速，沒(méi)有涉及到模糊PID。一般PID足以勝任小車(chē)的速度調(diào)節(jié)，但是PID三個(gè)參數(shù)的整定需要花費(fèi)大量的時(shí)間，因此選擇合適的調(diào)試手段便是關(guān)鍵。在速度的設(shè)置，我們的策略很簡(jiǎn)單，就是直道高速，大弧彎道高速，小弧彎道低速。這期間我們?cè)囘^(guò)用二次函數(shù)來(lái)分配速度，同時(shí)編寫(xiě)了一個(gè)二次函數(shù)系數(shù)計(jì)算器。使用起來(lái)簡(jiǎn)單、方便，只要輸入三個(gè)坐標(biāo)，就可以得到二次函數(shù)的三個(gè)系數(shù)。二次函數(shù)系數(shù)計(jì)算器如圖4.4.1所示。 圖4.4.1二次函數(shù)系數(shù)計(jì)算器利用二次函數(shù)的圖像性質(zhì)我們可以將高速放在大弧上，中速放在直道上，以平衡彎道上的機(jī)械減速。這樣做有一個(gè)缺

41、點(diǎn)，速度過(guò)于連續(xù)的設(shè)置容易導(dǎo)致高速和低速相差不大的情況下導(dǎo)致小車(chē)在小弧段往外沖，這就得加上速度限幅。這一點(diǎn)二次函數(shù)沒(méi)有恒速的穩(wěn)定。可以講二次函數(shù)的開(kāi)口過(guò)小，會(huì)讓速度分布有落差，高速低速不斷的改變，這樣對(duì)驅(qū)動(dòng)的能力又是一個(gè)考驗(yàn)。在這之后，我們便使用了幾個(gè)固定的速度來(lái)對(duì)電機(jī)調(diào)速。這樣很穩(wěn)定，但有時(shí)會(huì)調(diào)節(jié)不及時(shí)。為了平衡速度的調(diào)節(jié)，我們將上面兩種方法結(jié)合，由二次函數(shù)來(lái)分配高速段，由固定速度分配低速段，這樣相對(duì)穩(wěn)定一些。速度分配流程圖如圖4.4.2所示。至于賽道的區(qū)分是通過(guò)計(jì)算出的X坐標(biāo)分析得到的。比如，可以記直道長(zhǎng)度來(lái)辨別直道，其他的道路亦可如此，前提是傳感器足夠穩(wěn)定，還需要濾掉雜值。有些跳變是可以

42、允許的，程序的容錯(cuò)性在這里應(yīng)得到體現(xiàn)。圖4.4.2速度分配流程圖4.5 終點(diǎn)線檢測(cè)電磁組比賽的起跑線檢測(cè)較為容易，直接通過(guò)干簧管便可檢測(cè)。當(dāng)干簧管在磁鐵上方時(shí)候?qū)◤亩答伣oIO口，實(shí)現(xiàn)起跑線檢測(cè)?？梢栽谙到y(tǒng)剛開(kāi)始的一段時(shí)間不檢測(cè)IO口過(guò)了一段時(shí)間后檢測(cè)，這樣簡(jiǎn)單精確。4.6 主程序流程圖主程序流程圖如圖4.6.1所示：圖4.6.1 主程序流程圖第五章 智能車(chē)開(kāi)發(fā)平臺(tái)在本智能車(chē)系統(tǒng)制作過(guò)程中，我們應(yīng)用了硬件仿真平臺(tái)Proteus 7.7，硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Protel 99SE 、LabView 2010,軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Code Warrior，數(shù)學(xué)分析平臺(tái)MATLAB。5.1 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)5.1.1

43、 硬件仿真平臺(tái)在傳感器，電源的設(shè)計(jì)上，我們使用了Proteus 7.7軟件作為主要仿真平臺(tái)7。Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。主要特點(diǎn)如下：1.實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合；2.支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真；3.提供軟件調(diào)試功能；4.具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。在Proteus中進(jìn)行傳感器的仿真如圖5.1.1.1所示。圖5.1.1.1 傳感器的仿真在仿真軟件中利用虛擬示波器可以很方便、很直觀的觀察信號(hào)波形，并且示波器面板

44、模擬實(shí)際示波器面板，操作簡(jiǎn)便。如圖5.1.1.2.所示。圖5.1.1.2 信號(hào)波形5.1.2 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)一、Protel 99SE小車(chē)的電路板我們運(yùn)用Protel 99SE8軟件繪制，最終印制成雙面電路板。Protel 99SE是ProklTechnology公司開(kāi)發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設(shè)計(jì)軟件。該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，易學(xué)易用，仍然是大中專院校電學(xué)專業(yè)必學(xué)課程，同時(shí)也是業(yè)界人士首選的電路板設(shè)計(jì)工具。Protel 99SE 由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計(jì)（Advanced Schematic）和多層印刷電路板設(shè)計(jì)（Advanced PCB）。其中Advanced Sche

45、matic由兩部分組成：電路圖編輯器（Schematic）和元件庫(kù)編輯器（Schematic Library）。進(jìn)入Design Protel 99SE后在Documents中通過(guò)右鍵“New”建立 “Schematic Document”文件，打開(kāi)后即可進(jìn)行電路原理圖的編輯。先按照已畫(huà)好的電路草圖將所有元件找到拖放到編輯框里，再按照電路圖標(biāo)準(zhǔn)的把線接好。繪制原理圖的工作界面如圖5.1.2.1所示。圖5.1.2.1 繪制原理圖工作界面原理圖繪制完畢后需要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表。再在Documents中通過(guò)右鍵“New”建立 “PCB Document”文件，打開(kāi)先畫(huà)出板子的大小，再導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，將原件擺放好

46、后就開(kāi)始布線工作了，最后進(jìn)行ERC的檢驗(yàn)。繪制PCB的工作界面如圖5.1.2.2所示。圖5.1.2.2 繪制PCB工作界面二、LabView 2010 在調(diào)試傳感器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線和電機(jī)響應(yīng)曲線的同時(shí)，我們自行開(kāi)發(fā)了LabView 2010上位機(jī)軟件，在兩者的調(diào)試過(guò)程中節(jié)省了大量時(shí)間。LabView是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabView與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabView使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。Labview作為圖形化編程語(yǔ)言，可以方便快捷

47、的編寫(xiě)一款數(shù)據(jù)處理軟件，其自身控件豐富可以滿足大小工程的的需要，本上位機(jī)軟件版本為L(zhǎng)abView 2010，串口驅(qū)動(dòng)為VISA530，用自動(dòng)配對(duì)藍(lán)牙模塊作為無(wú)線發(fā)送與接收設(shè)備，實(shí)時(shí)性一般，但也可以讓車(chē)跑起來(lái)實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，以此作為調(diào)試程序的參考。在實(shí)時(shí)性上如果想要得到更好的效果可以選則更好的無(wú)線模塊。在學(xué)習(xí)LabView時(shí)主要參考LabView自身的幫助、示例和網(wǎng)友的程序，以比賽使用范圍為目標(biāo)學(xué)習(xí)，其中涉及串口、循環(huán)體、類(lèi)型轉(zhuǎn)換、圖形顯示、數(shù)據(jù)記錄、屬性調(diào)整等等。LabView 2010程序面板如圖5.1.2.3所示。圖5.1.2.3 程序面板LabView處理后的傳感器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的圖像如圖5.

48、1.2.4所示。圖5.1.2.4 LabView下的傳感器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)圖像對(duì)小車(chē)剎車(chē)進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集如圖 5.1.2.5所示。圖5.1.2.5 LabView采集到的剎車(chē)數(shù)據(jù)5.2 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)本次飛思卡爾智能車(chē)大賽的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為 Code Warrior。Code Warrior 是面向以HC12和S12為CPU的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件包，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家?guī)臁⑷酒抡?、可視化參?shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器等。在Code Warrior軟件中可以使用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言，以及兩種語(yǔ)言的混合編程。其使用界面如圖5.2.1 所示。圖5.2.1

49、 Freescale Code Warrior 運(yùn)行界面用戶可在新建工程時(shí)將芯片的類(lèi)庫(kù)添加到集成環(huán)境開(kāi)發(fā)環(huán)境中，工程文件一旦生成就是一個(gè)最小系統(tǒng)，用戶無(wú)需再進(jìn)行繁瑣的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代碼。在硬件初始化及控制方面，選取PE模式進(jìn)行設(shè)置，不需要用戶去操作繁瑣的寄存器，就可以進(jìn)行硬件的初始化，當(dāng)需要在軟件執(zhí)行中使用相關(guān)寄存器時(shí)，只需要調(diào)用PE自動(dòng)封裝好的相關(guān)函數(shù)即可。如圖5.2.2 所示，利用BDM 和Code Warrior自帶的hiwave.exe用戶可以進(jìn)行一系列的調(diào)試工作，如監(jiān)視寄存器狀態(tài)、修改PC指針、設(shè)置斷點(diǎn)等，這樣能幫助我們快速的找到軟件或者硬件的錯(cuò)誤之處。圖

50、5.2.2 Code Warrior 調(diào)試界面5.3 數(shù)學(xué)分析平臺(tái)在分析小車(chē)電機(jī)響應(yīng)曲線以及調(diào)節(jié)PID參數(shù)時(shí)，我們使用了MATLAB數(shù)學(xué)分析平臺(tái)。MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、

51、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。軟件的編程界面如圖5.3.1所示。圖5.3.1 MATLAB編程界面對(duì)小車(chē)電機(jī)控制系統(tǒng)建模后，在Simulink下進(jìn)行PID參數(shù)整定。如圖5.3.2所示。圖5.3.2 Simulink下的參數(shù)整定在Simulink下，參數(shù)整定后的電機(jī)響應(yīng)曲線如圖5.3.3所示。圖5.3.3 參數(shù)整定后的電機(jī)響應(yīng) 曲線第六章 總結(jié)6.1 參賽心得 從2011年3月份開(kāi)始準(zhǔn)備比賽到目前，我們經(jīng)過(guò)近半年的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，我們的飛思卡爾智能車(chē)也終于駛向了全國(guó)總決賽的

52、賽場(chǎng)。半年的時(shí)間里我們放棄了很多，但最終我們的努力得到了收獲。半年來(lái)的發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，讓我們每個(gè)人受益匪淺。我們小組的成員始終齊心協(xié)力，勤于思考，努力探索，吸取前人經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮設(shè)計(jì)創(chuàng)新。我們認(rèn)為今天努力的成果離不開(kāi)我們每周為自己設(shè)下的任務(wù)，同時(shí)使用合理的方法和方便、高效的調(diào)試手段在調(diào)試小車(chē)的過(guò)程中顯得十分重要。在想法發(fā)生分歧時(shí)我們也激烈的爭(zhēng)吵過(guò)，但那都是為了一個(gè)共同的目標(biāo)。在遇到困難時(shí)，我們更是冷靜的坐下來(lái)，集思廣益，將問(wèn)題盡快的解決掉。設(shè)計(jì)制作過(guò)程中遇到了多少風(fēng)雨已經(jīng)不能記起，但是我們知道的是我們?cè)陲L(fēng)雨之后依然站起來(lái)了！因?yàn)槲覀兘小斑h(yuǎn)航”，在狂風(fēng)暴雨面前依然風(fēng)雨無(wú)阻！“團(tuán)”是團(tuán)結(jié)的意思；“隊(duì)

53、”是不只一個(gè)人，一切事不能由一個(gè)人來(lái)做。在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中，無(wú)論在什么情況下，個(gè)人的能力不能算第一位，團(tuán)隊(duì)的精神、團(tuán)隊(duì)的爆發(fā)力、團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)造力才是體現(xiàn)一個(gè)團(tuán)隊(duì)強(qiáng)大最根本的體現(xiàn)。在本屆飛思卡爾智能車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們努力探索傳感器方案、電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案、控制方案，從方案的選擇到器件的選型再到硬件的設(shè)計(jì)制作和實(shí)驗(yàn)，這個(gè)過(guò)程中，我們似乎看到了一個(gè)商業(yè)化設(shè)計(jì)的雛形。面對(duì)我們手頭有限的軟硬件資源，在制作過(guò)程中我們把能夠利用上的都盡量利用。在芯片的選型中，我們一個(gè)個(gè)芯片比對(duì)、仿真以求在有限的資金供應(yīng)下獲得良好的效果，從而節(jié)省了時(shí)間。在控制方案調(diào)試過(guò)程中，小車(chē)不知道撞了多少次，零件不知道換了多少回，賽道幾乎都快磨破了。這些讓我們?cè)诮窈蟮脑O(shè)計(jì)、控制中，即做到了對(duì)設(shè)計(jì)、控制的優(yōu)化，也做到了節(jié)約成本。對(duì)于做智能車(chē)從一開(kāi)始就要有明確的思路，硬件該怎么做、程序該怎么調(diào)、什么樣的狀況才是好的；我們做車(chē)的思路是硬件、軟件由少到多由簡(jiǎn)到繁，賽車(chē)穩(wěn)定才是好的，這個(gè)速度穩(wěn)定，就提高點(diǎn)速度，不穩(wěn)了，再調(diào)穩(wěn)，一點(diǎn)一點(diǎn)提速，遇到問(wèn)題多采用排除法和單一變量法解決；另外，從一開(kāi)始就應(yīng)該注意車(chē)體重量，無(wú)關(guān)緊要的、花哨的東西都應(yīng)該去掉?？傊敬伪荣愖屛覀兪芤娣藴\，同時(shí)也豐富了我們的大學(xué)生活