基于ARM CORTEX M4磁導(dǎo)航自主路徑識(shí)別系統(tǒng)

1、基于基于ARM CORTEX M4的磁導(dǎo)航的磁導(dǎo)航自主路徑識(shí)別系統(tǒng)自主路徑識(shí)別系統(tǒng)指導(dǎo)老師：作者：2014-5-13要求：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套以ARM Cortex M4 MCU為控制核心的自主路徑識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)道路中心的通電導(dǎo)線的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別。意義：近年來(lái)，無(wú)人駕駛汽車(chē)發(fā)展的飛速，所謂無(wú)人駕駛汽車(chē)就是車(chē)可以自動(dòng)駕駛無(wú)需人工操作。比較有代表性的就是谷歌無(wú)人駕駛汽車(chē)。論文要求與意義系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)硬件電路機(jī)械軟件編寫(xiě)論文結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)CPU模塊：大腦電源模塊：心臟傳感器模塊：眼睛電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：控制電機(jī)編碼器模塊：檢測(cè)速度系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)硬件電路機(jī)械軟件編寫(xiě)論文結(jié)構(gòu)最小系統(tǒng)板主板電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳

2、感器硬件電路單片機(jī)最小系統(tǒng)板 Kinetis系列的MK60DN512ZVLL10，簡(jiǎn)稱(chēng)K60。 電源模塊：好比是大廈的基石，小車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行是以電源模塊穩(wěn)定供電為基礎(chǔ)的。 電池：7.2V 2000mAh Ni-Cd 需要提供電壓：?jiǎn)纹瑱C(jī)與放大電路：3.3V、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與編碼器等：5V、舵機(jī)：6V 穩(wěn)壓器：使用低壓差集成穩(wěn)壓器，開(kāi)關(guān)式電源變換器電源模塊三端穩(wěn)壓器LM1117，3.3V固定電壓輸出，給單片機(jī)與放大電路供電。電源模塊低壓差集成穩(wěn)定器LM2940，提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，編碼器，無(wú)線串口等電源。電源模塊 開(kāi)關(guān)式電源變換器LM2576-ADJ，舵機(jī)額定工作電壓是5V，但是通常增大給舵機(jī)的電壓，使舵機(jī)

3、反應(yīng)更快、更靈敏，我是用的是6V電壓。電源模塊電源模塊電源模塊 目的：實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 電路：H橋驅(qū)動(dòng)電路，因其形狀類(lèi)似于字母“H”而得名。 示意圖：當(dāng)開(kāi)關(guān)Q1、Q4接通時(shí)，電流從左往右流過(guò)電機(jī)，電機(jī)正傳；當(dāng)開(kāi)關(guān)Q3、Q2接通時(shí)，電流從右往左流過(guò)電機(jī)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng) 芯片：BTS7960集成半橋驅(qū)動(dòng)器。 H橋：使用兩片BTS7960搭成一個(gè)H橋。 實(shí)物圖：電機(jī)驅(qū)動(dòng) 路徑識(shí)別：通過(guò)檢測(cè)道路中心的通有100mA導(dǎo)線的磁場(chǎng)。 傳感器：10mH工字型電感。電磁傳感器 原理：電感切割磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 問(wèn)題：噪聲很多，會(huì)受到周?chē)煌l率的磁場(chǎng)的干擾。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)太弱，只有幾十毫伏。1.

4、交流信號(hào)，程序處理起來(lái)比較復(fù)雜。電磁傳感器 問(wèn)題1：噪聲很多，會(huì)受到周?chē)煌l率的磁場(chǎng)的干擾。 解決方案：進(jìn)行選頻，減少其他干擾信號(hào)的影響。利用電感電容組成簡(jiǎn)單的并聯(lián)諧振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻電路。 將L=10mH，f=20000Hz代入公式 ，可以得到C=6.3 nF左右，用市場(chǎng)上能夠買(mǎi)到的標(biāo)稱(chēng)電容6.8nF代替。電磁傳感器 問(wèn)題2：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)太弱，只有幾十毫伏。 解決方案：進(jìn)行電壓放大，一般放大倍數(shù)要大于100倍，使用運(yùn)算放大器OPA2350，在20KHz頻率下開(kāi)環(huán)增益達(dá)到了1900倍，足以看出來(lái)OPA2350性能非常的出色。電磁傳感器 問(wèn)題3：交流信號(hào)，程序處理起來(lái)比較復(fù)雜。 解決方案：進(jìn)行

5、檢波，使用肖特基二極管對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行檢波處理。電磁傳感器 整體設(shè)計(jì)： 電路原理圖設(shè)計(jì)：電磁傳感器 實(shí)物圖：電磁傳感器 返回小車(chē)當(dāng)前速度，使用的是360線的歐姆龍編碼器。速度傳感器 檢測(cè)永磁鐵，使用常開(kāi)型干簧管，離永磁鐵足夠近時(shí)，便吸合導(dǎo)通。起跑線檢測(cè)傳感器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)硬件電路機(jī)械軟件編寫(xiě)論文結(jié)構(gòu)舵機(jī)的安裝前瞻的固定編碼器的安裝降低重心機(jī)械 舵機(jī)位置：將舵機(jī)的位置挪到了兩輪之間，原來(lái)是放在車(chē)模中心，移動(dòng)舵機(jī)位置后，原來(lái)的位置可以放置電路板，更能合理利用小車(chē)的空間。 舵機(jī)支架：舵機(jī)支架使用的是鋁合金材料支架，具有牢固不易變形、輕便等優(yōu)點(diǎn)。舵機(jī)的安裝舵機(jī)的安裝 使用材料：碳纖維剛 優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，強(qiáng)度

6、大，非常適合用來(lái)做小車(chē)的前瞻。 規(guī)格：固定電感的使用的是3.0mm的實(shí)心桿，固定前瞻的使用的是4*2mm的空心桿。前瞻的固定 前瞻的長(zhǎng)度：前瞻應(yīng)該盡量長(zhǎng)點(diǎn)，正所謂“站得高看得遠(yuǎn)”，足夠的前瞻量能提前獲得賽道的信息以便更好的控制小車(chē)。前瞻大約有40cm左右。前瞻的固定 電感的距離：由于規(guī)定小車(chē)的寬度不能大于25cm，為了獲得更多的賽道信息，電感之間的距離也應(yīng)該盡可能的大。前瞻的固定注意事項(xiàng)：齒輪的咬合，包括編碼器與差速、差速齒輪與電機(jī)。判斷標(biāo)準(zhǔn)：以松緊合適為準(zhǔn)，即不松動(dòng)，也不卡滯。齒輪咬合太松，容易損壞齒輪；齒輪咬合太緊，影響電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)方法：打開(kāi)電機(jī)聽(tīng)聲音，如果轉(zhuǎn)動(dòng)聲音尖銳，則表示齒輪咬合的

7、太緊；如果聲音零碎，則表示齒輪咬合的太松。編碼器的安裝編碼器的安裝一. 好處1. 運(yùn)行穩(wěn)定2. 轉(zhuǎn)向靈活3. 過(guò)彎時(shí)不容易側(cè)翻二. 如何降低重心1. 電池是整個(gè)小車(chē)上最重的，降低電池的高度與移動(dòng)電池的位置。2. 電路板的固定盡可能緊湊以及降低固定高度。降低重心降低重心 另外，除了降低重心外，還應(yīng)盡可能地減輕小車(chē)的重量。小車(chē)越輕，慣性越小，越容易控制。將小車(chē)上的一些無(wú)關(guān)緊要的零件都去掉，最大限度地減輕小車(chē)的重量，使小車(chē)運(yùn)行起來(lái)輕便，轉(zhuǎn)向靈敏，加速減速更快。降低重心系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)硬件電路機(jī)械軟件編寫(xiě)論文結(jié)構(gòu) 開(kāi)發(fā)軟件：可以使用飛思卡爾公司推出的面向嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件工具CodeWarrior（簡(jiǎn)稱(chēng)

8、CW），還可以使用第三方的開(kāi)發(fā)環(huán)境，我使用的是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具IAR。 程序下載：使用USB接口的J-LINK連接電腦與單片機(jī)即可下載。開(kāi)發(fā)環(huán)境 原因：AD轉(zhuǎn)換后的電感值比較雜亂，通常要對(duì)大量的電感值進(jìn)行預(yù)處理。 算法：可通過(guò)軟件濾波去除干擾信號(hào)，獲取更有價(jià)值的信號(hào)。中值濾波：對(duì)因偶然因素而引起的波動(dòng)有很好的克服作用。1. 均值濾波：使電感值變化比較平穩(wěn)，不至于跳變的特別厲害。電感值處理 原因：遇到彎道特別大的時(shí)候，由于小車(chē)的長(zhǎng)前瞻，電感值檢測(cè)到的賽道信息很弱，甚至為0，當(dāng)兩個(gè)電感檢測(cè)到的信號(hào)都很弱時(shí)，程序會(huì)誤判為直道，故容易沖出賽道。 解決方案：當(dāng)兩個(gè)電感都變?yōu)?時(shí)，肯定有一個(gè)變化過(guò)程，當(dāng)

9、兩個(gè)電感值都變?yōu)?時(shí)，保持上一個(gè)轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，甚至將舵機(jī)“打死”在一邊即可。丟失處理 方案：兩個(gè)電感。 公式：pos=(long)(Sensor0-Sensor1)*K/(long)(Sensor0)*Sensor1)，其中pos值代表小車(chē)中心偏離賽道中心的程度量。 算法：位置式PID算法。方向控制 算法：增量式PID算法。 好處：增量式PID算法相比于位置式PID算法，可以控制小車(chē)速度變化的比較平穩(wěn)。 程序：實(shí)際上，對(duì)于小車(chē)的速度控制并沒(méi)有太高的要求，通常只需要一個(gè)P即可。速度控制 原因：在調(diào)試小車(chē)的時(shí)候，難免會(huì)遇到各種問(wèn)題，比如小車(chē)在同一地方多次沖出賽道，看代碼可能無(wú)濟(jì)于事，看液晶顯示屏也不現(xiàn)實(shí)，所以就需要將小車(chē)信息傳到電腦上進(jìn)行處理分析。 上位機(jī)軟件：Serial Digtial Scope，即虛擬示波器，可以實(shí)時(shí)顯示并自動(dòng)繪圖從單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。調(diào)試工具調(diào)試工具 由于電磁小車(chē)需要采集的數(shù)據(jù)并不是很多，所以使用無(wú)線串口工具來(lái)發(fā)送接收數(shù)據(jù)足夠了。無(wú)線串口工具分為發(fā)送部分與接收部分，發(fā)送部分插在單片機(jī)上，接收部分插在電腦上，要保證傳輸數(shù)據(jù)正常，要保證兩個(gè)無(wú)線與程序里的波特率相同。調(diào)試工具調(diào)試工具 原因：再好的算法，沒(méi)有好的參數(shù)，效果也會(huì)一塌糊涂。 方法：可通過(guò)理論的方法進(jìn)行PID參數(shù)整定，但是在實(shí)際中，往往使用的是湊試法。PID參數(shù)整定 具體方