疾速蝸牛智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告

1、第八屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽 技 術(shù) 報(bào) 告本文介紹了滁州學(xué)院疾速蝸牛隊(duì)在準(zhǔn)備第八屆飛思卡爾智能車大賽的工作成果。該系統(tǒng)以Freescale微控制芯片MC9S12XS128為核心，并以CodeWarriorIDE為系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，車模采用大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的A型仿真車模。本文主要介紹了智能車控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟硬件模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)主要包括車模機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、傳感器電路設(shè)計(jì)及信號(hào)處理、控制算法和策略的優(yōu)化等多個(gè)方面。車模以安裝在車體前的工字電感作為循跡傳感器，采用干簧管檢測(cè)起跑線，以旋轉(zhuǎn)光電編碼器來(lái)檢測(cè)速度信息，其簡(jiǎn)單工作原理為MC9S12XS128單片機(jī)采集工字電感感應(yīng)電

2、壓的模擬量和干簧管的導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)合舵機(jī)控制算法控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角，單片機(jī)再綜合賽道信息并結(jié)合旋轉(zhuǎn)光電編碼器的速度反饋信號(hào)，利用電機(jī)控制算法控制速度變化，結(jié)合無(wú)線串口的監(jiān)控調(diào)試，最終確定了各項(xiàng)控制參數(shù)。關(guān)鍵字：智能車，電磁循跡，PID算法目錄第一章 引言- 1 -1.1 概述- 1 -1.2 整體框架介紹- 2 -第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化- 4 -2.1 車輪定位調(diào)節(jié)- 4 -2.1.1 主銷后傾角- 4 -2.1.2 主銷內(nèi)傾角- 4 -2.1.3 前輪外傾角- 5 -2.1.4 前輪前束- 5 -2.2 舵機(jī)安裝- 6 -2.3 底盤固定- 7 -2.4 編碼器的安裝- 7 -2.5 差速調(diào)節(jié)- 8

3、 -2.6 PCB板固定- 8 -2.7重心調(diào)整- 9 -第三章 硬件電路設(shè)計(jì)- 11 -3.1 硬件電路的整體框架設(shè)計(jì)- 11 -3.2 傳感器設(shè)計(jì)- 12 -3.2.1 傳感器選定- 12 -3.2.2 傳感器信號(hào)處理電路- 12 -3.2.3 傳感器的布局設(shè)計(jì)- 13 -3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)- 15 -3.4 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)- 16 -第四章 智能車控制軟件設(shè)計(jì)- 17 -4.1 軟件控制思路- 17 -4.2 主程序總體框架- 17 -4.3 定位算法- 17 -4.4 基于位置式PID的方向控制- 19 -4.5 基于增量式PID的速度控制- 20 -第五章 開發(fā)工具、調(diào)試說(shuō)明-

4、22 -5.1 Codewarrior IDE的使用- 22 -5.2程序源代碼的編輯、編譯、鏈接與BDM調(diào)試- 23 -第六章 智能車技術(shù)參數(shù)說(shuō)明- 25 -第七章 總結(jié)- 26 -參考文獻(xiàn)- 27 -附錄 程序源代碼- 28 -第一章 引言1.1 概述為加強(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，附件1)，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)生智能汽車競(jìng)賽。該競(jìng)賽以智能汽車為研究對(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。

5、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、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、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、

6、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(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、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)總決賽本次比賽分為光電、

7、攝像頭和電磁三個(gè)賽題組，在車模中使用透鏡成像進(jìn)行道路檢測(cè)方法屬于攝像頭賽題組，使用電磁信號(hào)巡線屬于電磁賽題組，除此之外則屬于光電賽題組。本論文主要介紹電磁賽題組的智能車制作。1.2 整體框架介紹在不傷害賽道和能夠穿越路障的情況下，系統(tǒng)最大限度的降低小車重心。小車在行駛的過(guò)程中，重心的高低對(duì)小車的穩(wěn)定性有很大的影響，并且有利于小車順利通過(guò)大角度彎。由于電磁組的信號(hào)為較復(fù)雜的三維矢量電磁信號(hào)，系統(tǒng)采用質(zhì)量輕、硬度大的碳桿作為傳感器支架，以達(dá)到較遠(yuǎn)的前瞻性。在討論車子閉環(huán)控制問(wèn)題上。系統(tǒng)采用了光電500線的編碼器為測(cè)速器，直接用編碼器齒輪咬合車模主動(dòng)輪的方法來(lái)獲取車子的行駛速度，最后在程序中根據(jù)編碼

8、器采集回來(lái)的信號(hào)設(shè)計(jì)速度控制策略，實(shí)現(xiàn)車速的閉環(huán)控制。系統(tǒng)是以檢測(cè)電磁場(chǎng)信號(hào)為基礎(chǔ)，通過(guò)單片機(jī)處理信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)車體控制，實(shí)現(xiàn)車體能夠準(zhǔn)確沿著預(yù)設(shè)路徑尋跡。系統(tǒng)電路部分需要包括單片機(jī)控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電磁傳感器電路等部分，除此之外系統(tǒng)還需要一些外部設(shè)備，例如編碼器測(cè)速、伺服器控制轉(zhuǎn)向、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車體。疾速蝸牛的系統(tǒng)包含以下幾個(gè)模塊：（1） 電源模塊（2） 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊（3） 傳感器模塊（4） 電機(jī)模塊（5） 舵機(jī)模塊（6） 測(cè)速模塊（7） 起跑線模塊（8） 人機(jī)交互模塊本系統(tǒng)的整體模塊如圖1.1所示：M C U信號(hào)采集編碼器干簧管電機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)顯示屏與按鍵圖1.1 疾速蝸牛系統(tǒng)圖整個(gè)系

9、統(tǒng)均由官方提供的7.2V電源通過(guò)穩(wěn)壓電路模塊供電，電源在充滿電之后電壓范圍在7.28.2V之間，可以直接給電機(jī)供電。其中TPS7350與7660為最小系統(tǒng)、編碼器、傳感器等提供5V電壓。LM317為OLED顯示屏提供3.3V電壓。使之能夠穩(wěn)定運(yùn)行。第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化2.1 車輪定位調(diào)節(jié)為了使車模在行駛過(guò)程中，能夠直線穩(wěn)定，過(guò)彎輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正以及減少輪胎和轉(zhuǎn)向系零件的磨損等，系統(tǒng)需要對(duì)車輪的定位參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。其中主要包括有：主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角，前輪外傾角，前輪前束，外側(cè)輪二十度時(shí)，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角差，后輪外傾角，后輪前束。中、前輪定位的參數(shù)對(duì)小車性能有著至關(guān)重要的影響，這四個(gè)參數(shù)反

10、映了前輪、主銷和前軸三者之間在車架上的位置關(guān)系。下文將對(duì)著四個(gè)參數(shù)做詳細(xì)的闡述。2.1.1 主銷后傾角圖 2.1 主銷后傾圖主銷后傾角是指在縱向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角。它在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反的回正力矩，使車輪自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。所以，主銷后傾角越大，車速越高，前輪自動(dòng)回正的能力就越強(qiáng)，但是過(guò)大的回正力矩會(huì)使車輛轉(zhuǎn)向沉重。通常主銷后傾角值設(shè)定在1到3。模型車通過(guò)增減黃色墊片的數(shù)量來(lái)改變主銷后傾角的，由于競(jìng)賽所用的轉(zhuǎn)向舵機(jī)力矩不大，過(guò)大的主銷后傾角會(huì)使轉(zhuǎn)向變得沉重，轉(zhuǎn)彎反應(yīng)遲滯。2.1.2 主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角是指在橫向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角，它

11、的作用也是使前輪自動(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向時(shí)也就越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。通常汽車的主銷內(nèi)傾角不大于8。對(duì)于模型車，通過(guò)調(diào)整前橋的螺桿的長(zhǎng)度可以改變主銷內(nèi)傾角的大小，由于過(guò)大的內(nèi)傾角也會(huì)增大轉(zhuǎn)向阻力，增加輪胎磨損，所以在調(diào)整時(shí)可以近似調(diào)整為03左右，不宜太大。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無(wú)關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時(shí)主銷后傾的回正作用大，低速時(shí)主銷內(nèi)傾的回正作用大。圖2.2 主要內(nèi)傾圖2.1.3 前輪外傾角前輪外傾角是指通過(guò)車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交

12、線與地面垂線之間的夾角，對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。在汽車的橫向平面內(nèi)，輪胎呈“八”字型時(shí)稱為“負(fù)外傾”，而呈現(xiàn)“V”字形張開時(shí)稱為正外傾。如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個(gè)正外傾角度，一般這個(gè)角度約在1左右，以減少承載軸承負(fù)荷，增加零件使用壽命，提高汽車的安全性能。模型車提供了專門的外傾角調(diào)整配件，近似調(diào)節(jié)其外傾角。由于競(jìng)賽中模型主要用于競(jìng)速，所以要求盡量減輕重量，其底盤和前橋上承受的載荷不大，所以外傾角調(diào)整為0即可，并且要與前輪前束匹配。2.1.4 前輪前束所謂前束是指

13、兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。像內(nèi)八字那樣前端小后端大的稱為“前束”，反之則稱為“后束”或“負(fù)前束”。在實(shí)際的汽車中，一般前束為012mm。在模型車中，前輪前束是通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)帶動(dòng)的左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)的。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長(zhǎng)度即可以改變前輪前束的大小。在實(shí)際的調(diào)整過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)較小的前束，約束02mm可以減小轉(zhuǎn)向阻力，使模型車轉(zhuǎn)向更為輕便，但實(shí)際效果不是十分明顯。

14、雖然模型車的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束等均可以調(diào)整，但是由于車模加工和制造精度的問(wèn)題，在通用的規(guī)律中還存在著不少的偶然性，一切是實(shí)際調(diào)整的效果為準(zhǔn)。圖 2.4 前輪前束圖2.2 舵機(jī)安裝舵機(jī)安裝直接關(guān)系到是否能快速靈敏地轉(zhuǎn)向的問(wèn)題。如果舵機(jī)調(diào)整不到位，將很大程度上限制轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度。由于傳感器前瞻比較長(zhǎng)，考慮到模型車的重心的高度和位置，以及主板放在模型的位置，我么將舵機(jī)位置進(jìn)行了改裝，由原來(lái)的位置挪移到車體前部，這樣以便于降低主板高度，進(jìn)一步降低車模整體重心。舵機(jī)的安裝分對(duì)稱安裝和不對(duì)稱安裝，考慮到舵機(jī)的力矩大小和其響應(yīng)時(shí)間的大小，我們采用了對(duì)稱安裝的方法，并且將舵機(jī)的擺

15、臂增長(zhǎng)，提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。因?yàn)槎鏅C(jī)的擺臂越長(zhǎng)，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度越小，即時(shí)間越短。如圖2.5所示：圖2.5舵機(jī)安裝2.3 底盤固定在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)模型車運(yùn)行過(guò)程會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)和跳動(dòng)的情況，雖然在改裝車模時(shí)已經(jīng)將扭腰結(jié)構(gòu)去掉，但是在高速運(yùn)行時(shí)非常的明顯,這大大影響了速度的提高。仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，底盤兩端連接部分的韌性和強(qiáng)度不夠，這是造成車體晃動(dòng)的主要原因。在不改變底盤整體結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)小車底盤進(jìn)行了加固，如圖2.6所示，為了消除車體在運(yùn)行過(guò)程中的晃動(dòng)，使小車行駛得更加穩(wěn)定。圖2.6 底盤固定圖2.4 編碼器的安裝編碼器的安裝遵循的是調(diào)整齒輪的咬合，以不松動(dòng)，無(wú)卡滯，松緊合適為

16、準(zhǔn)。另外還要保證齒輪間咬合有足夠的接觸面積。如圖2.7所示：圖2.7編碼器固定2.5 差速調(diào)節(jié)在拐彎時(shí)由于彎道內(nèi)側(cè)輪比外側(cè)輪的拐彎半徑小，則內(nèi)側(cè)輪比外側(cè)輪的速度小，這就使兩輪胎有一定的速度差，稱為差速。而賽車的差速機(jī)構(gòu)安裝在后輪軸上的，所以只可以調(diào)整后輪的差速。后輪的相對(duì)松緊程度，也就是差速對(duì)拐彎有很大的影響。差速太緊，則拐彎容易甩尾，速度快的時(shí)候很容易甩出去，但是差速如果太松，雖然會(huì)改善轉(zhuǎn)彎性能，但是嚴(yán)重影響了直線上的加減速，而且齒輪的咬合也不是很好，對(duì)齒輪會(huì)有一定的損壞。所以，后面兩個(gè)輪子的相對(duì)松緊程度要適中，經(jīng)過(guò)多次的調(diào)試，得出了比較滿意的效果，即將模型車放到跑道上，用手抓住后輪的一只輪

17、子使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)，在賽道上推車子轉(zhuǎn)彎，如果車子能夠稍輕松的推動(dòng)，則此時(shí)的差速器為最適合。調(diào)節(jié)差速可以通過(guò)調(diào)整大車輪里面的螺母松緊和外面車輪的松緊達(dá)到調(diào)成差速的效果，一般把舵機(jī)打到最大擺角，用手快速推車沒(méi)感覺(jué)到很大的阻力就可以。注意防止差速太松，帶動(dòng)后輪動(dòng)力不足。差速調(diào)整是調(diào)節(jié)螺母，當(dāng)一只手按住差速盤，另一只手按某個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)一側(cè)輪子時(shí)，另一側(cè)輪子會(huì)按相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，并且不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)力，此時(shí)視為最佳。2.6 PCB板固定為了盡可能的降低小車的重心，板子的固定以盡可能低為目標(biāo)，如圖2.8所示：圖2.8 PCB板固定2.7重心調(diào)整對(duì)于車的重心來(lái)說(shuō)，重心越低，后輪的抓地力也就越好，前輪也會(huì)轉(zhuǎn)越敏

18、感。因此，系統(tǒng)在盡量減少重量的同時(shí)將電路板做得非常小，便于將電路板嵌入放在舵機(jī)和電池中間的底板上，這樣，不但可以壓低模型車的重心，防止高速過(guò)彎時(shí)翻車，也可以使縱向重心前移，增加轉(zhuǎn)彎性能。在裝旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)也把其裝的很低，以降低賽車的重心，提高賽車行駛的穩(wěn)定性。圖2.9疾速蝸牛整體圖除了對(duì)車的重心進(jìn)行縱向調(diào)整之外，對(duì)車輛重心進(jìn)行前后方向調(diào)整，對(duì)賽車行駛性能也有很大的影響。從車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)理論來(lái)看，車身重心前移，會(huì)增加轉(zhuǎn)向，但會(huì)是舵機(jī)的負(fù)載加大，大部分的重量壓在前輪，從而降低轉(zhuǎn)向的靈敏度，同時(shí)降低后輪的抓地力；如果重心后移，就會(huì)減少轉(zhuǎn)向，但增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪的抓地力也會(huì)增加。因此，調(diào)整合適的車身重心，

19、讓車模更加適應(yīng)比賽賽道是非常關(guān)鍵的。為了保證賽車足夠的轉(zhuǎn)向和防止在高速入彎時(shí)出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象，我們讓重心大概在賽車的中心，在過(guò)彎時(shí)，使其前后輪的側(cè)向摩擦力大體相當(dāng)，從而提高過(guò)彎性能和穩(wěn)定性。第三章 硬件電路設(shè)計(jì)本章將對(duì)小車的各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。3.1 硬件電路的整體框架設(shè)計(jì)電源管理7.28.2V驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)測(cè)速模塊按鍵與顯示屏模塊傳感器模塊圖3.1電路整體框架圖疾速蝸牛的電路框架如圖3.1.所示。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊，信號(hào)檢測(cè)與放大電路模塊，轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊，測(cè)速模塊，按鍵/顯示模塊等。為了減少重量，系統(tǒng)將除了傳感器模塊電路外的其

20、他電路集成在一整塊的PCB板上。為了防止相互間的干擾，采取在整塊PCB板上對(duì)每個(gè)模塊部分進(jìn)行了隔離。以提高電路的穩(wěn)定性，如圖3.2所示。圖3.2 疾速蝸牛主PCB板3.2 傳感器設(shè)計(jì)3.2.1 傳感器選定根據(jù)競(jìng)賽組委會(huì)的相關(guān)規(guī)定，系統(tǒng)采用磁傳感器。常見(jiàn)的磁傳感器包括霍爾元件，磁敏電阻，磁敏二極管，電感，電子羅盤的磁場(chǎng)傳感器等。通過(guò)查閱資料和大量的電感測(cè)試，發(fā)現(xiàn)10mH的電感式最為理想的磁傳感器。能夠得到較為規(guī)整的20Khz的正弦波，與磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率一致。而且電動(dòng)勢(shì)的大小和電感與路勁導(dǎo)線的距離呈規(guī)律性變化。3.2.2 傳感器信號(hào)處理電路由于電感直接采集到的信號(hào)只有幾毫安電流，不利于單片機(jī)A

21、D口直接采集，所以要通過(guò)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和檢波處理。比賽場(chǎng)地選用20KHZ的交變電流作為電磁車的路勁導(dǎo)航信號(hào)，使用LC并聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻選放大。根據(jù)電感諧振頻率公式，10MH與6.8nf電容構(gòu)成LC電路最為合適，電路如圖3.3所示。圖 3.2.1 LC并聯(lián)電路圖 3.3 LC電路磁信號(hào)經(jīng)過(guò)電感采集之后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。通過(guò)對(duì)大量的運(yùn)放芯片與運(yùn)放電路測(cè)試之后，我們決定采用TL082雙運(yùn)放，能夠?qū)⑿盘?hào)方法幾千倍，能滿足探測(cè)需求。圖 3.4 信號(hào)檢測(cè)與方法電路3.2.3 傳感器的布局設(shè)計(jì)在傳感器的布局上系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩種方案，在小車制作初期采用雙水平電感檢測(cè)方案，根據(jù)第七屆電磁組官方提供的（

22、R-L）/（R+L）方案計(jì)算小車的偏移量，從而實(shí)現(xiàn)小車角度控制。采用雙水平線圈檢測(cè)方案，在邊緣情況下，其單調(diào)性發(fā)生變化，這樣存在一個(gè)定位不清的區(qū)域（如圖3.3箭頭所指）。同一個(gè)差值，會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)位置，不利于定位。另外，受單個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大距離限制，兩個(gè)線圈的檢測(cè)廣度很有限。圖 3.5 雙電感定位不清區(qū)域在后期電感布局研究中，系統(tǒng)采用了4個(gè)電感一字排開的布局方式，每個(gè)電感的間距為8cm，覆蓋范圍為24cm。直接使用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的模擬量的精確數(shù)值，精確的計(jì)算導(dǎo)線與傳感器正中心的距離，具體計(jì)算方法依照畢奧薩伐定理 （3-1）這種方法計(jì)算出的小車偏移距離為連續(xù)變化的曲線，方便軟件控制。而且使靠?jī)蛇叺?/p>

23、電感與水平線成45的角，便于傳感器入彎時(shí)對(duì)信號(hào)的采集。圖 3.6 疾速蝸牛傳感器布局3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)今年電磁組小車采用A車模，由于A車的電機(jī)功率有限，所以系統(tǒng)放棄了電路復(fù)雜的MOS管，采用電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的BTN7971作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于電磁組是用電感作為傳感器，前瞻收到了一定的限制，因此需要兩片BTN7971來(lái)構(gòu)成半H橋作為驅(qū)動(dòng)電路用于電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行小車及時(shí)剎車與彎道減速。圖 3.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.4 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)根據(jù)需要，小車一共存在5中電壓，分別是7.2V，6V，5V，3.3V。7.2V電池電壓直接接到電機(jī)啟動(dòng)模塊，6.2V為懸掛舵機(jī)供電，5V為單片機(jī)、信號(hào)放大電路以及速度傳感器供電

24、，3.3V為液晶供電。所有供電部分電路都是嚴(yán)格依照芯片的生產(chǎn)公司提供的Typical application部分設(shè)計(jì)的。在此各電路的原理圖就不再重復(fù)引用了。第四章 智能車控制軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件控制思路軟件控制程序?qū)嵸|(zhì)就是人的思想在小車上的實(shí)現(xiàn)，并讓其高速穩(wěn)定的運(yùn)行。對(duì)于飛思卡爾智能車來(lái)說(shuō)軟件控制主要為路徑識(shí)別=舵機(jī)控制=速度控制。目的就是讓小車在穩(wěn)定的情況下高速通過(guò)所有賽道。按照系統(tǒng)方案采集電感的模擬量，判斷賽道導(dǎo)線的位置，控制舵機(jī)打角，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.2 主程序總體框架程序的主體采用順序結(jié)構(gòu)。為了減少單片機(jī)的壓力，在main函數(shù)中主要執(zhí)行函數(shù)的初始化，按鍵和起跑線檢測(cè)。其中核心控制程序全

25、部放在中斷中。流程圖如下圖4.1所示：圖 4.1 主程序結(jié)構(gòu)圖4.3 定位算法疾速蝸牛采用四個(gè)水平“一”字電感采集賽道信息。如圖4.2所示： -24 0 24 圖 4.2 傳感器坐標(biāo)四個(gè)傳感器如圖排布并建立坐標(biāo)系，中心坐標(biāo)為0，左右極限值為24。先找到四個(gè)電感中的最大值Fmax,同時(shí)得到Fmax電感左右兩個(gè)電感R和L。為了精確定位，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)閥值T，一共可分為兩個(gè)情況：(1)當(dāng)|L值R值|T，即L值約等于R值，說(shuō)明導(dǎo)線在Fmax正上，得出確切位置；(2)當(dāng)|L值R值|T，說(shuō)明導(dǎo)線在M和L或者M(jìn)和R之間。針對(duì)第二種情況得出精確位置，我們找到剩下三個(gè)電感中的最大值Smax。并記錄Fmax和Sm

26、ax的橫坐標(biāo)Xm的值，分別為Fx和Sx。如果Fmax左右兩個(gè)電感的L值-R值的值小于一定的閥值，則判斷小車的偏移量就是XmFx。否則帶入近視計(jì)算公式： (4.1)公式（4.1）中的D=Fmax-Smax，S為每個(gè)電感之間的間距。正負(fù)號(hào)取決于Smax電感在Fmax電感的左側(cè)還是右側(cè)，左側(cè)取負(fù)號(hào)，右側(cè)取正號(hào)。k是一個(gè)比例系數(shù)，通過(guò)觀察數(shù)據(jù)到。實(shí)踐測(cè)試，發(fā)現(xiàn)X的變化呈現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的線性變化，而且該公式很好的擬合了導(dǎo)線的位置，誤差在5mm范圍之內(nèi)。采集四個(gè)傳感器的值并做加權(quán)平均濾波處理找出Fmax，同時(shí)找出L和R，并判斷是否存在滿足要求L和R判斷是否滿足|R值-L值|Tx=XmFmx=24圖 4.3 定

27、位流程圖4.4 基于位置式PID的方向控制PID 控制是工業(yè)過(guò)程控制中歷史最悠久，生命力最強(qiáng)的控制方式。這主要是因?yàn)檫@種控制方式具有直觀、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和魯棒性能好等一系列的優(yōu)點(diǎn)。PID控制主要有三部分組成，比例、積分、微分。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于KP。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，引入積分控制。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積 分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增

28、加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。為了預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，引入微分的控制器，這樣就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。ControllerCoPlant R e u Y 圖 4.4 PID控制原理圖單位反饋e代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到控制器，控制器算出誤差信號(hào)的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到輸出量u： （4.2）其中，Kp、Ki 、Kd分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。u接著被送到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號(hào)，這個(gè)新的輸出信號(hào)被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號(hào)，

29、這個(gè)過(guò)程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項(xiàng)，對(duì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，得到數(shù)字PID控制器的基本算式（位置算式）： （4.3） 其中T是采樣時(shí)間，、為三個(gè)待調(diào)參數(shù)，在實(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)算法時(shí)，處理成以下形式： loca_PreU = Kp * loca_error + Ki * loca_PreIntegral + Kd * loca_derror（4.4）4.5 基于增量式PID的速度控制速度控制部分是智能車除了舵機(jī)控制之外最為核心的內(nèi)容。一個(gè)好的速度控制就是能十分準(zhǔn)確的給出目標(biāo)速度，電機(jī)對(duì)目標(biāo)速度響應(yīng)迅速，系統(tǒng)在干擾下速度依然穩(wěn)定。對(duì)位置式PID稍作變化，得到PID的另一種形式

30、增量式PID： （4.5）在代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，處理成： vl_PreU += （Kp * d_error + Ki * error + Kd*dd_error) （4.6）系統(tǒng)根據(jù)編碼器反饋回來(lái)的數(shù)值進(jìn)行換算。當(dāng)編碼器反饋回來(lái)的速度沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)速度，那么正轉(zhuǎn)占空比自加，反之則自減。以至于小車速度能夠快速達(dá)到自己設(shè)定的期望速度。代碼中會(huì)考慮到不同路勁對(duì)應(yīng)不同的速度，因此直道上設(shè)定一個(gè)較大的期望速度，讓小車在直道上加速行駛，大弧度彎道和小S上設(shè)定中等的期望速度，大角度彎道運(yùn)用剎車進(jìn)行減速，使得小車在進(jìn)彎時(shí)有更多的處理時(shí)間，以便順利過(guò)彎。第五章 開發(fā)工具、調(diào)試說(shuō)明程序的開發(fā)是在組委會(huì)提供的CodeWarr

31、ior IDE下進(jìn)行的，包括源程序的編寫、編譯、鏈接以及最終生成可執(zhí)行文件。5.1 Codewarrior IDE的使用打開Codewarrior IDE，創(chuàng)建一個(gè)新工程，界面如圖5.1所示。圖 5.1 創(chuàng)建一個(gè)工程選擇目標(biāo)芯片型號(hào)以及芯片與電腦的連接方式，這里選擇MC9S12XS128以及“TBDML”項(xiàng)，如圖5.1.2所示。圖 5.2選擇目標(biāo)芯片及連接方式選擇程序編寫所用語(yǔ)言，以及填寫創(chuàng)建的工程名和保存路徑，如圖5.3所示。圖5.3 選擇工程編寫所用語(yǔ)言及工程保存路徑接下來(lái)的以默認(rèn)設(shè)置直道完成。完成之后，會(huì)出現(xiàn)工程文件管理窗口。5.2程序源代碼的編輯、編譯、鏈接與BDM調(diào)試 在main.c

32、中提示“/* put your own code here */”的地方輸入源代碼。完成之后，點(diǎn)擊（make）按鈕，完成編譯與鏈接。編譯好后，會(huì)出現(xiàn)“Errors & Warnings”窗口，其中會(huì)顯示程序中錯(cuò)誤和警告信息，表示錯(cuò)誤，表示警告。在排除所有錯(cuò)誤之后，工程就能順利編譯。編譯完成以后，在用戶所建立工程的bin文件夾下自動(dòng)生成“*.abs.s19”文件，這個(gè)文件就是將被下載到單片機(jī)中的文件。在成功編譯之后，選擇Debug按鈕，進(jìn)入調(diào)試環(huán)境，即啟動(dòng)了Hiwave.exe。出現(xiàn)如下窗口，點(diǎn)擊“確定”按鈕，如圖5.4所示。圖 5.4 下載程序 之后BDM會(huì)自動(dòng)擦出芯片F(xiàn)lash，再下載新程序

33、下載，完成之后就會(huì)出現(xiàn)BDM調(diào)試界面，如圖5.5所示。圖 5.5 BDM調(diào)試界面第六章 智能車技術(shù)參數(shù)說(shuō)明名稱參數(shù)車模質(zhì)量（g）1500車模長(zhǎng)度（mm）756車模寬度（mm）240車模高度（mm）170電路總功率（W）8.0電容總量（uF）1500傳感器個(gè)數(shù)（個(gè)）7傳感器種類電感、干簧管、編碼器賽道檢測(cè)精度(mm)4.0賽道檢測(cè)頻度（次/秒）200前輪距（mm）150后輪距（mm）168編碼器精度（P/r）500第七章 總結(jié)本技術(shù)報(bào)告詳細(xì)介紹了疾速蝸牛的設(shè)計(jì)思路與方案，其中涉及到車模的改裝，傳感器的制作，舵機(jī)打角控制策略以及速度控制策略。分析整個(gè)車模的系統(tǒng)，在車模硬件和軟件上，即融合了往屆的先

34、進(jìn)技術(shù)同時(shí)增加了我們的創(chuàng)新思想。在傳感器的布局上，我們?cè)跍?zhǔn)備比賽初期研究過(guò)雙電感的使用，雖然控制算法簡(jiǎn)單，但是路徑信號(hào)采集盲區(qū)太大，不適合高速行駛的小車。后來(lái)采用雙排電感，這樣的排布方式雖然能夠很好的尋線，但是算法處理起來(lái)比較復(fù)雜，而且增加了前瞻的重量。最終敲定四個(gè)電感一字型排布，減輕了重量而且能夠很好的適應(yīng)各種賽道。在電路方面，采用模塊化設(shè)計(jì)，特別是放大電路模塊容易損壞，因此采用可插拔的接口方便電路的升級(jí)和維修。為了方便調(diào)試，小車增加了按鍵和顯示屏，而且配合了參賽選手在賽場(chǎng)上能夠臨場(chǎng)發(fā)揮，增強(qiáng)小車的適應(yīng)能力。重量與重心問(wèn)題，在很大程度上影響了小車的行駛狀態(tài)。為了做到小車盡量輕和重心盡量低，我

35、們?nèi)コ诵≤嚿隙嘤嗟钠骷?，在能夠通過(guò)路障的情況下盡量降低車模底盤高度，PCB板盡可能的貼近車模底部安裝。電感支架采用市場(chǎng)上強(qiáng)度大，質(zhì)量輕的碳素桿。在代碼開發(fā)方面，我們主要使用C語(yǔ)言作為開發(fā)語(yǔ)言，利用比賽推薦的開發(fā)工具開發(fā)并調(diào)試程序。經(jīng)過(guò)小組成員的不斷討論、改進(jìn)，終于設(shè)計(jì)出一套比較合理的，穩(wěn)定的程序。在整個(gè)程序控制部分，只開啟了個(gè)1MS定時(shí)中斷，控制步驟簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，而且主要的控制程序的放在中斷中，減小了單片機(jī)的運(yùn)行壓力。在經(jīng)過(guò)三個(gè)月的備戰(zhàn)中，學(xué)校和學(xué)院都給予我們大力的支持，在此感謝一直關(guān)注并支持我們飛思卡爾智能車比賽的所有領(lǐng)導(dǎo)與老師。同時(shí)感謝組委會(huì)能夠組織這樣一場(chǎng)精彩而有意思的比賽。大賽即將

36、來(lái)領(lǐng)，回首我們備戰(zhàn)的三個(gè)月，付出了心血，但收獲了知識(shí)與快樂(lè)。疾速蝸牛作為我們辛勤汗水的結(jié)晶，凝聚了我們的心血與智慧，我們有信心在比賽中去的更加優(yōu)異的成績(jī)。參考文獻(xiàn)1 孫同景，陳桂友 Freescale 9S12 十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)，北京-機(jī)械工業(yè)出版社，20082 卓晴，黃開勝，邵貝貝 學(xué)做智能車 北京-北京航空航天大學(xué)出版社 20073 卓晴.基于電磁引導(dǎo)的智能車控制算法4 王威 HCS12微控制器原理及應(yīng)用 北京-北京航空航天大學(xué)出版社 20075 譚浩強(qiáng) C+程序設(shè)計(jì) 北京-清華大學(xué)出版社 20046 王威 HCS12微控制器原理及應(yīng)用 北京-北京航空航天大學(xué)出版社 200

37、77 新型PID控制及其應(yīng)用2002年作者：陶永華主編8 潘松，黃繼業(yè) 現(xiàn)代數(shù)字電路基礎(chǔ)教程 北京-科學(xué)出版社 20089 第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車大賽清華大學(xué)三角洲電磁組技術(shù)報(bào)告10 第六屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車大賽杭州電子科技大學(xué)電磁組錢江一號(hào)技術(shù)報(bào)告11 第六屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車大賽北京科技大學(xué)電磁二隊(duì)技術(shù)報(bào)告附錄 程序源代碼#include derivative.h#include #include #include OLED.h #include stdlib.h #include math.h int SetSpeed =90;#define Ste

38、ercenter 3540#define SteerMin 340 #define SteerMax 340int zhiSpeed=70,wanSpeed=120; float SteerP=0.3; float SteerD=10; byte Switch=0;/參數(shù)調(diào)整開關(guān) byte f=0; /傳感器編號(hào) float q=0; /計(jì)算曲率的 float offset1=0; float offset2=0;/*傳感器的最大最小值int Smax6=1000,1000,1000,1000;int Smin6=5,5,5,5;int v0=0,v1=0,v2=0,v3=0,v4=0,v5=

39、0,v6=0,v7=0,v8=0,v9=0,v10=0,v11,v12;float Xm4=-12,-4,4,12; /各個(gè)電感的相對(duì)坐標(biāo)/*word time1=0,time2=0,time3=0;int ad07=0,ad17=0,ad27=0,ad37=0;float Value6=0; float FMax_value=0;word fMax_flag=0;float SMax_value=0;word sMax_flag=0;int k; /左右標(biāo)志位float xx=0; /路勁偏移距離float Local_PWM=0;float error,Derror,DDerror; fl

40、oat x1,x2,x3; float ql3; word out_flag;void Set_value();void Angle_Control();void SteerPID();void showLED();void printp(void (*PortToPut)(), char* ctrl, .);void uart_putchar(unsigned char ch);/*設(shè)置總線頻率64M*/void SetBusCLK_64M(void) CLKSEL=0X00; PLLCTL_PLLON=1; SYNR =0xc0 | 0x07; REFDV=0x80 | 0x01; POS

41、TDIV=0x00; /pllclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=128MHz; _asm(nop); /BUS CLOCK=64M _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK=1); /when pll is steady ,then use it; CLKSEL_PLLSEL =1; /engage PLL to system; /*中斷初始化:1MS*/void PIT_init(void) /脈沖pt7初始化 PACTL = 0x40; /脈沖計(jì)數(shù) 下降沿 PACNT = 0x0000; / Pulse Accumulators Count

42、Registers (PACNT PITCFLMT_PITE=0; /定時(shí)中斷通道0關(guān) PITCE_PCE0=1; /定時(shí)器通道0使能 PITMTLD0=8-1; /8位定時(shí)器初值設(shè)定,8分頻，在64MHzBusClock下，為8MHz。即0.125us PITLD0=8000-1; /16位定時(shí)器初值設(shè)定。PITTIME*0.125uS 8000*0.125 =1ms即1mS中斷一次 PITINTE_PINTE0=1;/定時(shí)器中斷通道0中斷使能 PITCFLMT_PITE=1; /定時(shí)器通道0使能 void ADC_Init(void) ATD0CTL0=0x07;ATD0CTL1=0xc0

43、; /7:1-外部觸發(fā),65:00-12位精度,4:放電,3210:ch ATD0CTL2=0x40; /禁止外部觸發(fā), 中斷禁止 ATD0CTL3=0xB0; /a右對(duì)齊無(wú)符號(hào),每次轉(zhuǎn)換6個(gè)序列, No FIFO, Freeze模式下繼續(xù)轉(zhuǎn) ATD0CTL4=0xff; /765:采樣時(shí)間為4個(gè)AD時(shí)鐘周期,ATDClock=BusClock*0.5/PRS+1 ATD0CTL5=0x30; /6:0特殊通道禁止,5:1連續(xù)轉(zhuǎn)換 ,4:1多通道輪流采樣 ATD0DIEN=0x00; /禁止數(shù)字輸?/禁止數(shù)字輸入 /* ATD0CTL1=0x00; / 選擇8為轉(zhuǎn)換精度 ATD0CTL2=0x

44、40; / 啟動(dòng)A/D, 快速清零, 無(wú)等待模式, 禁止外部觸發(fā), 中斷禁止 ATD0CTL3=0xF8; / ；轉(zhuǎn)換序列長(zhǎng)度為4, No FIFO, Freeze模式下繼續(xù)轉(zhuǎn)換 ATD0CTL4=0x01; / 20個(gè)時(shí)鐘, ATDClock=BusClock*0.5/PRS+1=2MHz;PRS=5,divider=12 ATD0CTL5=0x30; /6:0特殊通道禁止,5:1連續(xù)轉(zhuǎn)換 ,4:1多通道輪流采樣 ATD0DIEN=0x00; / 禁止數(shù)字輸入*/*中斷初始化:1MS*/void PIT_init(void) /脈沖pt7初始化 PACTL = 0x40; /脈沖計(jì)數(shù) 下降沿 PACNT = 0x0000; / Pulse Accumulators Count Registers (PACNT PITCFLMT_PITE=0; /定時(shí)中斷通道0關(guān) PITCE_PCE0=1; /定時(shí)器通道0使能 PITMTLD0=8-1; /8位定時(shí)器初值設(shè)定,8分頻，在64MHzBusClock下，為8MHz。即0.125us PITLD0=8000-1; /16位定時(shí)器初值設(shè)定。PITTIME*0.125uS 8000*0.125 =1ms即1mS中斷一次 PITINTE_PINTE0=1;/定時(shí)器中斷通道0中斷使能 PITCFLMT_PITE=1;