飛思卡爾智能車電磁組程序員成長之路

1、飛思卡爾智能車電磁組程序員成長之路1.飛思卡爾智能車小車入門智能汽車電磁組簡介:第五屆全國大學(xué)“飛思卡爾杯智能汽車競賽新增加了“電磁組.根據(jù)比賽技術(shù)要求,電磁組競賽,需要選手設(shè)計(jì)的智能車能夠檢測到道路中央線下電線中20KHz交變電流產(chǎn)生的磁場來導(dǎo)引小車沿著道路行駛.在平時(shí)調(diào)試和比賽過程中需要能夠滿足比賽技術(shù)要求的20KHz的交流電源驅(qū)動(dòng)賽道中央線下的線圈.同時(shí)參賽選手需要自行設(shè)計(jì)適宜的電磁傳感器來檢測賽道信息完成智能尋跡功能.智能車制作是一個(gè)涵蓋電子、電氣、機(jī)械、限制等多個(gè)領(lǐng)域和學(xué)科的科技創(chuàng)新活動(dòng).簡單點(diǎn)來說可以將其分為硬件電路包括電源、MUC限制局部、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器、機(jī)械、算法三方面的設(shè)計(jì)

2、.電磁組在機(jī)械方面可以參照光電組的設(shè)計(jì)方案,這里不再贅述.本設(shè)計(jì)指導(dǎo)只講述20KHz電源、電磁傳感器設(shè)計(jì)方案以及局部算法.智能車對單片機(jī)模塊需求:電磁組電機(jī)RN-26O?機(jī)；rvw如o電磁組芯片電機(jī)雙電機(jī)四路PW限制轉(zhuǎn)向舵機(jī)一路PWM限制路徑識(shí)別傳感曙電磁傳感器假設(shè)干路AD采集速度采集編碼兩路脈沖計(jì)數(shù)或10中斷其他傳感器起電線識(shí)別中斷采集避障超聲波雷達(dá)假設(shè)干AD聚集機(jī)械限制方案搖頭舵機(jī)P網(wǎng)限制參數(shù)設(shè)置按健10限制交互界面0LED顯示SPI或者10模擬從上面的羅列功能需求和電磁對實(shí)時(shí)性要求來說,對單片機(jī)資源要求比擬松,目前大多數(shù)笈思卡爾的單片機(jī)都能滿足要求,對參數(shù)選F來說抓緊選擇一個(gè)熟悉的芯片上

3、手,去做算法調(diào)試.飛思卡爾單片機(jī)資源:單片機(jī)薦頻推到IOADPWMSPI10中VrPITDMA料熟資成度S12840M8716CH8CH1204無席K60100/120/150M10416353104415席KL2548M6716,1x141X6+2X216724校多CF525580M100881424低MPC560440/64M1061320432416CH低智能車程序框架：智能車涉及到10模塊,中斷模塊,PWM模塊,DMA模塊,AD模塊等.在車模調(diào)試中還有必須的模塊.如SCI模塊、定時(shí)器模塊,SPI模塊等.其中還涉及到一些算法和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和搬移.一個(gè)好程序框架對智能車的制作過程中會(huì)到達(dá)事半

4、功倍的效果.但是就智能車這樣系統(tǒng)來說,如果完全專門移植一個(gè)操作系統(tǒng)或者寫一個(gè)程序的bootload,感覺有一些本末倒置,如果有成熟的,可以借用的,那樣會(huì)比擬好.2.電磁傳感器的使用圖競賽跑道起跑區(qū)示意圖20KHz電源參考設(shè)計(jì)方案:電源技術(shù)指標(biāo)要求：根據(jù)官網(wǎng)關(guān)于電磁組賽道說明,20KHZ電源技術(shù)要求如下:1 .驅(qū)動(dòng)賽道中央線下鋪設(shè)的直徑的漆包線；2 .頻率范圍：20K+2K；3 .電流范圍：50-150mA；圖是賽道起跑區(qū)示意圖,在中央線鋪設(shè)有漆包線.首先分析賽道鋪設(shè)銅線的電抗,從而得到電源輸出的電壓范圍.我們根據(jù)普通的練習(xí)賽道總長度50m,使用直徑漆包線.在30攝氏度下,銅線的電阻率大約為歐姆

5、平方毫米/米.計(jì)算可以得到中央線的電阻大約為歐姆.根據(jù)導(dǎo)線電感量計(jì)算機(jī)公式：4,L=21X/ln-0.75)(nil)其中1,d的單位均為emo可以計(jì)算出直徑為,長度50米的銅線電感量為131微亨.對應(yīng)20KHz下,感抗約為歐姆.可以看出,線圈的電感量小于其電阻值.由于導(dǎo)線的電感量與鋪設(shè)的形狀有關(guān)系,上述計(jì)算所得到的電感量不是準(zhǔn)確數(shù)值.另外,我們可以在輸出時(shí)串接電容來抵消電感的感抗.所以估算電源電壓輸出范圍的時(shí)候,我們不再特別考慮線圈的電感對于電流的影響.為了方便設(shè)計(jì),我們設(shè)計(jì)電源輸出電壓波形為對稱方波.由于線圈電感的影響,線圈中的電流為上升、下降沿緩變的方波波形.如圖所示:電壓玻形QV圖線圈

6、驅(qū)動(dòng)電壓與電流示意圖對于電阻為歐姆的賽道導(dǎo)線,流過100mA的電流,電壓峰值應(yīng)該大于3Vo考慮到賽道長度有可能進(jìn)一步增加、漆包線的直徑減少等原因,設(shè)計(jì)電源輸出電壓的峰值為6Vo在輸出電流為150mA的時(shí)候,電源輸出功率大約為.電源組成：電源電路包括振蕩電路、功率輸出電路、恒流限制電路以及電源等組成.如圖所示.圖各分部功能可以采用不同的電路實(shí)現(xiàn).下面分別給出官網(wǎng)電流源各模塊的參考設(shè)計(jì)方案.除叼4圖電源組成框圖振蕩電路產(chǎn)生中央頻率為20KHz的對稱方波信號(hào).為了滿足功率輸出電路的需要,輸出極性相反的信號(hào),可以使用普通的555時(shí)基電路產(chǎn)生振蕩信號(hào),也可以使用簡易的單片機(jī)產(chǎn)生振蕩信號(hào).為了方便調(diào)試,信

7、號(hào)頻率能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整.555多諧振蕩器原理請大家參考數(shù)電課本,實(shí)際外圍電路電路參數(shù)需要自己設(shè)定,不一定要和官方給的一樣.1815相當(dāng)于一個(gè)反向器,為閉環(huán)回路提供信號(hào)源.555電路較為簡單,如果想更精確的產(chǎn)生20KHz當(dāng)然也可以用單片機(jī)來產(chǎn)生所需信號(hào),同時(shí)還可以外部連接顯示接口顯示當(dāng)前的輸出頻率、輸出電流的大小.功率輸出電路由于輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓、電流、頻率較大,需要一定輸出功率驅(qū)動(dòng)跑道線圈,因此最后需要功率輸出電路.可以采用分立大功率晶體管搭建輸出電路,也可以使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋電路集成模塊.選擇時(shí)需要注意電路的頻率響應(yīng)應(yīng)該大20KHz,輸出功率大于2W.在制作時(shí)需要注意電路的散熱.圖分別

8、給出了三種不同的功率輸出電路,大家可以作為參考.圖基于分立元器件的功率輸出電路圖由L298組成的功率輸出電路電砂圖基于VM0S/IR2153功率輸出電路在圖電路中,IR2153一方面內(nèi)部集成了類似于555的時(shí)基振蕩電路以及VMOS管驅(qū)動(dòng)電路.恒流限制恒流電路限制輸出電流在100mA左右穩(wěn)定,不隨著電源的變化而發(fā)生波動(dòng).上述功率輸出模塊可以為負(fù)載一即賽道漆包線環(huán)路提供足夠的功率,但不能限制輸出電流的大小輸出電壓已確定,頻率確定,所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)恒流限制電路,來調(diào)節(jié)功率輸出模塊電流的大小.根據(jù)比賽規(guī)那么的要求,恒流輸出限制不需要特別的精確.一般要求不高的情況下可以使用限流電阻限制電流的穩(wěn)定.也可以

9、利用晶體管的在放大區(qū)集電極的恒流特性進(jìn)行限制.如圖所示:圖利用晶體管進(jìn)行恒流限制晶體管可使用大功率雙極性晶體管,也可以使用功率MOS管.從電流設(shè)定穩(wěn)定性和恒流特性來看,使用功率雙極性晶體管更好.電源局部提供電路中所需要的各種低壓穩(wěn)壓電源.保證信號(hào)振蕩電路和恒流限制電路的穩(wěn)定性.可以使用一般穩(wěn)壓集成電路實(shí)現(xiàn).參考設(shè)計(jì)電路實(shí)際電路圖的說明：設(shè)計(jì)PCB時(shí)最好給C2233音頻功率管留足散熱片的空間,它和L298一樣是電路中主要的發(fā)熱器件.555震蕩電路的參數(shù)也不一定要和上圖一樣,可以根據(jù)公式/1.43(%+2)時(shí)算出電阻的大小,只要便于調(diào)節(jié)的參數(shù)均可.電源調(diào)試輸出電流調(diào)試:調(diào)節(jié)恒流設(shè)定電位器,使得輸出

10、電流在100mA左右.外部負(fù)載電阻在10和100歐姆的時(shí)候,都應(yīng)該在50-150mA之內(nèi).注意：所接負(fù)載電阻必須要是大功率的,而且要充分考慮到它的散熱性,千萬不能直接接上一般的直插式電阻就去測電流,會(huì)爆掉的!水泥電阻如果有較大阻值的話可以考慮用它作為恒流源負(fù)載實(shí)際調(diào)試時(shí)候可以空載下將電流表串入功率管集電極測量,效果是一樣的.輸出頻率調(diào)試:可使用示波器或者具有頻率測量的萬用表測量輸出電壓的頻率.外接10歐姆的負(fù)載進(jìn)行測量負(fù)載上電壓的頻率.調(diào)節(jié)頻率設(shè)定電位器使得電源頻率輸出在2土2kHz.調(diào)試完畢后,使得電源在接入跑道線圈之下連續(xù)工作1個(gè)小時(shí),電源輸出的電流、頻率都不會(huì)漂移出要求的范圍,那么所設(shè)計(jì)

11、的電源滿足要求.考前須知功率管散熱:在外部負(fù)載比擬小的時(shí)候,電路中功率輸出晶體管、恒流限制晶體管上的功耗比擬大.特別是在整個(gè)電路的電源電壓較高比方+12V的時(shí)候,需要對于功耗比擬大的晶體管進(jìn)行合理的散熱,以提升電源的工作熱穩(wěn)定性.串接諧振電容:當(dāng)賽道比擬長的時(shí)候,賽道線圈的電感較大,可以在賽道線圈連接中通過串聯(lián)電容抵消賽道線圈的感抗.具體電容的大小可以根據(jù)實(shí)際測量賽道的電感進(jìn)行匹配.電磁組傳感器及模路徑檢測設(shè)計(jì)參考方案：設(shè)計(jì)原理：電磁組比賽競賽車模需要能夠通過自動(dòng)識(shí)別賽道中央線位置處由通有100mA交變電流的導(dǎo)線所產(chǎn)生的電磁場進(jìn)行路徑檢測.除此之外在賽道的起跑線處還有永磁鐵標(biāo)志起跑線的位置.1

12、、導(dǎo)線周圍的電磁場根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,交變電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的電磁場.智能汽車競賽使用路徑導(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破中間,為3kHz30kHz,波長為100km10km.如圖所示：圖電流周圍的電磁場示意圖導(dǎo)線周圍的電場和磁場,根據(jù)一定規(guī)律分布.通過檢測相應(yīng)的電磁場的強(qiáng)度和方向可以反過來獲得距離導(dǎo)線的空間位置,這正是我們進(jìn)行電磁導(dǎo)航的目的.由于賽道導(dǎo)航電線和小車尺寸1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長入,電磁場輻射能量很小如果天線的長度1遠(yuǎn)小于電磁波長,在施加交變電壓后,電磁波輻射功率正比于天線長度的四次方,所以能夠感應(yīng)到電磁波

13、的能量非常小.為此,我們將導(dǎo)線周圍變化的磁場近似緩變的磁場,根據(jù)檢測靜態(tài)磁場的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場分布,從而進(jìn)行位置檢測.由畢奧-薩伐爾定律知：通有穩(wěn)恒電流I長度L的直導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場,距離導(dǎo)線距離為r處P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B=fsinGdO（1）有此得：B=Mcos%-cos%,對于無限長直電流來說,上式中二°,°2=兀,那么仃B二黑Anr圖無限長導(dǎo)線周圍的磁場強(qiáng)度磁場檢測方法：我們有很多測量磁場的方法,磁場傳感器利用了物質(zhì)與磁場之間的各種物理效應(yīng)：磁電效應(yīng)電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁致電阻效應(yīng)、磁機(jī)械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導(dǎo)體與電子自旋量子力學(xué)效應(yīng).下面列出了一些測

14、量原理以及相應(yīng)的傳感器：1 .電磁感應(yīng)磁場測量方法：電磁線磁場傳感器,磁通門磁場傳感器,磁阻抗磁場傳感器.2 .霍爾效應(yīng)磁場測量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管,磁敏三極管.3 .各向異性電阻效應(yīng)AMR磁場測量方法.4 .載流子自旋相互作用磁場測量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻.5 .超導(dǎo)量子干預(yù)SQUID磁場測量方法：SQUID薄膜磁敏元件.6 .光泵磁場測量方法：光泵磁場傳感器.7 .質(zhì)子磁進(jìn)動(dòng)磁場測量方法.8 .光導(dǎo)纖維磁場測量方法.以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同,測量的磁場精度和范圍相差也很大.我們需要選擇適合車模競賽的檢測方

15、法,除了檢測磁場的精度之外,還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮.在下面所介紹的檢測方法中,我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈的方案.它具有原理簡單、價(jià)格廉價(jià)、體積小(相對小)、頻率響應(yīng)快、電路實(shí)現(xiàn)簡單等特點(diǎn),適應(yīng)于初學(xué)者快速實(shí)現(xiàn)路經(jīng)檢測的方案.通電導(dǎo)線周圍的磁場是一個(gè)矢量場,場的分布如圖所示.如果在通電直導(dǎo)線兩邊的周圍豎直放置兩個(gè)軸線相互垂直并位于與導(dǎo)線相垂直平面內(nèi)的線圈,那么可以感應(yīng)磁場向量的兩個(gè)垂直分量,進(jìn)而可以獲得磁場的強(qiáng)度和方向.圖導(dǎo)線周圍的感應(yīng)電磁場導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時(shí),導(dǎo)線周圍的磁場也將發(fā)生變化,那么線圈中將感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢.根據(jù)

16、法拉第定律,線圈磁場傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓E與磁場B(t)>電磁線圈的圈數(shù)N、截面積A的關(guān)系有:E=(NA)xQo%)dB(£)"(£)dtdt感應(yīng)電動(dòng)勢的方向可以用楞次定律來確定.由于本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線中通過的電流頻率較低,為20kHz,且線圈較小,令線圈中央到導(dǎo)線的距離為r,認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的.再根據(jù)圖3所示的導(dǎo)線周圍磁場分布規(guī)律,那么線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢可近似為：dkdlKE=即線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小正比于電流的變化率,反比于線圈中央到導(dǎo)線的距離.其中常量K為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個(gè)量,具體的感應(yīng)電動(dòng)勢常量須實(shí)際測定來確定.雙水平

17、線圈檢測方案不同的線圈軸線擺放方向,可以感應(yīng)不同的磁場分量.我們先討論一種最簡單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測方案.在車模前上方水平方向固定兩個(gè)相距L的線圈,兩個(gè)線圈的軸線為水平,高度為h,如圖所示.為了討論方便,我們在跑道上建立如下的坐標(biāo)系,假設(shè)沿著跑道前進(jìn)的方向?yàn)閦軸,垂直跑道往上為y軸,在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中央線為x軸.xyz軸滿足右手方向.假設(shè)在車模前方安裝兩個(gè)水平的線圈.這兩個(gè)線圈的間隔為L,線圈的高度為h,參見下列圖所示.左邊的線圈的坐標(biāo)為(x,h,z),右邊的線圈的位置(x-L,h,z).由于磁場分布是以z軸為中央的同心圓,所以在計(jì)算磁場強(qiáng)度的時(shí)候我們僅僅考慮坐標(biāo)(x,y).由

18、于線圈的軸線是水平的,所以感應(yīng)電動(dòng)勢反映了磁場的水平分量.根據(jù)公式(2)可以h知道感應(yīng)電動(dòng)勢大小與京京成正比.圖雙水平線圈檢測方案變化取值,如下列圖所示:如果只使用一個(gè)線圈,感應(yīng)電動(dòng)勢E是位置x的偶函數(shù),只能夠反映到水平位置的絕對值lxI的大小,無法分辨左右.為此,我們可以使用相距長度為L的兩個(gè)感應(yīng)線圈,計(jì)算兩個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的差值：hh_/i2+x2"(x-02F面假設(shè)L=30cm,計(jì)算兩個(gè)線圈電動(dòng)勢差值Ed如圖所示：0.20150.100530UJ.0OS-0.1N150W,05101520253035Mem圖感應(yīng)電動(dòng)勢差值dE與距離x之間的函數(shù)從上圖可以看出,當(dāng)左邊線圈的位置x

19、=15cm的時(shí)候,此時(shí)兩個(gè)線圈的中央恰好處于跑道中央,感應(yīng)電動(dòng)勢差值Ed為0.當(dāng)線圈往左偏移,xe(15,30),感應(yīng)電動(dòng)勢差值小于零；反之,當(dāng)線圈往右偏移,x£(0,15),感應(yīng)電動(dòng)勢大于零.因此在位移0-30cm之間,電動(dòng)勢差值Ed與位移x是一個(gè)單調(diào)函數(shù).可以使用這個(gè)量對于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反應(yīng)限制,從而保證兩個(gè)線圈的中央位置跟蹤賽道的中央線.通過改變線圈高度h,線圈之間距離L可以調(diào)整位置檢測范圍以及感應(yīng)電動(dòng)勢的大小.電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)局部圖檢測電路系統(tǒng)框從上面檢測原理可以知道,測量磁場核心是檢測線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢E的幅值.電磁傳感器的設(shè)計(jì)主要包括：感應(yīng)線圈的選擇、信號(hào)選頻放大、整流與檢測等

20、幾個(gè)方面,將會(huì)涉及到電磁場與波、高頻、模電等相關(guān)學(xué)科的知識(shí)點(diǎn),這里不再詳細(xì)的給出各個(gè)方案的具體論證過程,直接給出電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖和成熟的實(shí)際電路.檢測電路組成如圖所示:圖中虛線局部可以看做另一種方案,即：信號(hào)放大以后直接通過單片機(jī)AD采樣,而不經(jīng)過檢波環(huán)節(jié),電路框圖如下圖:說明：黑色原理圖為官網(wǎng)給出參數(shù),具體的參數(shù)要根據(jù)線圈選型等實(shí)際情況自己設(shè)定,兩種方案各有優(yōu)勢.倍壓檢波電路可以獲得正比于交流電壓信號(hào)有效值的直流信號(hào),處理起來很方便.缺點(diǎn)是由于電容的充放電,信號(hào)突變時(shí)有延遲,這種現(xiàn)象尤其在入彎時(shí)更明顯,使系統(tǒng)的響應(yīng)變慢.而直接采集放大信號(hào)的方案那么有效的克服了這一缺點(diǎn),但信號(hào)處理起來沒有有效

21、值檢波那種方案簡單,而且對AD性能的要求也較高.還有一種用的是檢波以后再送入AD處理信號(hào)的方案,事實(shí)證實(shí)也是可行的.下面給出兩種方案的實(shí)際電路圖,如圖和圖所示.圖直接采集放大信號(hào)三維電磁傳感器電路圖圖檢波電路對于實(shí)際電路圖的說明：電感線圈我們采用的是標(biāo)準(zhǔn)化的“工字型電感線圈,這種線圈感應(yīng)面積大,靈敏度好,缺點(diǎn)是體積較大.實(shí)踐證實(shí)這種電感線圈綜合效果還不錯(cuò),實(shí)際上我們只用兩個(gè)水平的線圈即圖6的x軸方向就可以完成尋跡功能,速度和穩(wěn)定性到達(dá)校區(qū)水平.缺點(diǎn)是互感現(xiàn)象嚴(yán)重.不過也有很多參賽隊(duì)用直插式小體積的電感外形和一般直插式電阻一樣,不過比電阻大些.它的一個(gè)很明顯的優(yōu)點(diǎn)就是體積小,性能沒試過,鼓勵(lì)大家

22、嘗試更多的選型方案.去年比賽時(shí)我們只用到水平方向兩個(gè)線圈即圖中的x軸和z軸方向.豎直方向的線圈可以用來檢測前方是否有彎道,也就是提升電磁組前瞻性的解決方案之一.我們當(dāng)時(shí)用單個(gè)豎直的傳感器檢測,在直道入彎處可以有3040cm的前瞻性,但實(shí)際跑的過程中數(shù)據(jù)無法有效地利用.參加豎直線圈以后在入彎和十字交叉時(shí)檢測到的信號(hào)是相似的,因此無法區(qū)分一般彎道和十字交叉.這樣x軸方向的線圈用來判斷小車偏離跑道的程度,信號(hào)再經(jīng)過MCU的處理限制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向.現(xiàn)在來說明z軸方向線圈的作用.先看小車中央線與賽道重合時(shí)的情況：為了便于說明原理,這里只考慮磁場在水平面的投影,豎直方向不予考慮.小車在直道上的示意圖如下圖：I

23、KriI賽道切線圖小車中央線與賽道重合時(shí)容易的出：磁場在水平方向的分量x和z軸全部落在X軸上,z軸磁場為0.再來看小車在過彎道時(shí)的示意圖,如圖所示.賽道切線圖小車在過彎道時(shí)示意圖大家可以看到只用兩個(gè)水平X軸線圈時(shí),過彎時(shí)兩線圈檢測到感應(yīng)電動(dòng)勢的大小可能很接近,而且此時(shí)不能反映所有水平方向磁場的信息,由于水平方向Z軸的磁場不為0!所以這時(shí)很自然的想到了利用z軸線圈來減小傳感器提取賽道信息不完整而使舵機(jī)誤動(dòng)作或轉(zhuǎn)向延遲.圖有Z軸線圈時(shí)過彎示意圖圖U1位置兩水平線圈過彎時(shí)磁部這樣通過計(jì)算x和z軸線圈的平方和就可以算出U1位置處磁場水平分量.這相當(dāng)于對信號(hào)的軟件放大,而且使信號(hào)精度更高.實(shí)際上完全可以

24、參照杭電的傳感器布局,使用一個(gè)線圈相對于X軸45.放置,就可以到達(dá)圖15所示傳感器布局的效果.由于采用的是相同的電感線圈,可以認(rèn)為它的電氣特性完全相同.用一個(gè)這樣的線圈就可以提取整個(gè)水平方向的磁場信息.根據(jù)官網(wǎng)的說明,不同方向同一位置的線圈算為一個(gè)傳感器.這個(gè)“同一個(gè)位置沒有明確的限定,靠的近一點(diǎn)、做在同一個(gè)板子上就可以了.傳感器的設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)物如下圖：圖直接放大電路實(shí)物圖正反兩面說明：大家可以看到,比賽時(shí)我們只用到兩個(gè)線圈,豎直方向的拆掉了.放大電路如下圖：VCC圖放大電路電路焊接完畢后,只要調(diào)節(jié)圖11中可調(diào)電阻R4,使得三極管集電極電壓處于左右即可.將上述放大電路的感應(yīng)電感放在通有100m

25、A、20kHz導(dǎo)線周圍,使用示波器觀察電路的輸出與輸入信號(hào),如下圖：s/div.2500points.Samplemodes/div.2500points.SamplemodeDCcoupling.10E0V/div.DCcoupling.50E-2V/div圖放大電路的輸入、輸出波形通過圖可以看出,放大電路的放大倍數(shù)大約為：A二意"82倍.所得的電壓信號(hào)可以直接連入單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行采集就可以.但這種方案對AD轉(zhuǎn)換速率要求較高.這樣AD輸入的交流信號(hào)的平均值在,變化范圍在0-5V,滿足單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換的需要.檢測方案根本思路以直接采集放大信號(hào)的傳感器方案為例,賽道信號(hào)為20kh

26、z方波,在采集信號(hào)時(shí)只要保證單片機(jī)的AD采集速率大于20kHz的5-10倍,連續(xù)采集5-10個(gè)周期的電壓信號(hào)大約100數(shù)據(jù)左右,就可以直接從采集的數(shù)據(jù)中最大值減去最小值獲得信號(hào)的峰峰值.假設(shè)采集了128個(gè)數(shù)據(jù)：=1,2,128,計(jì)算信號(hào)的峰峰值-可以有下式計(jì)算:=max(,=1,2,128)=min(,=1,2,128)上面計(jì)算計(jì)算方法由于只用應(yīng)用了數(shù)據(jù)的最大值、最小值,所得結(jié)果容易受到噪聲的影響,所以還可以通過計(jì)算數(shù)據(jù)交流信號(hào)的平均值、有效值反映信號(hào)的幅值：于耳穹勺E2T一劉£產(chǎn)8勺一寵2_128'ave128；6128上面所計(jì)算得到的,、等都與信號(hào)的峰峰值成單調(diào)關(guān)系,所以

27、也可以用來進(jìn)行計(jì)算位置差值信號(hào).經(jīng)驗(yàn)體會(huì)如果采用直接放大信號(hào)的傳感器方案,要滿足信號(hào)采集的需要,MUC片內(nèi)AD或者外部AD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間要能到達(dá)5us,將近1MSPS!傳統(tǒng)的AVR單片機(jī)已近遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求了最高分辨率時(shí)采樣率15kSPS,msp430fl49的片內(nèi)AD剛好200ksps,根本滿足需求,飛思卡爾MC9S12XS128轉(zhuǎn)換速率到達(dá)3us,也可以勝任信號(hào)采集的需求,不過價(jià)格昂貴.這樣的話就需要外部AD來完成信號(hào)采集.而且要考慮到線圈的個(gè)數(shù)會(huì)有多個(gè),所以外部AD的通道數(shù)也需考慮,串行和并行看大家自己的習(xí)慣.我們?nèi)A東賽區(qū)比賽用的是AD公司的8輸入串行spi通信模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7928,轉(zhuǎn)

28、換率1MSPS,基準(zhǔn)電壓芯片用的是AD780,總價(jià)在40元左右.而如果采用放大檢波方案的話,對AD就沒有什么那么高的要求了.不僅設(shè)計(jì)的本錢大幅降低,而且軟件上的復(fù)雜度也會(huì)大大降低,直觀地看只需要采一次數(shù)據(jù)就可以提取當(dāng)前磁場信息.所以如果條件有限,推薦大家使用放大檢波的方案,但這種方案在硬件上會(huì)復(fù)雜一些,需要的調(diào)試工作量也會(huì)大一些.從檢波二極管的選擇,到濾波電路參數(shù)的計(jì)算,都需要有較高模、高頻電根底.不過這更具挑戰(zhàn)性,更能鍛煉自己的水平!為了減輕低年級同學(xué)的設(shè)計(jì)工作量,我們也給出了已經(jīng)調(diào)試過的電路,如圖12所示,供大家參考.其實(shí)不管是CCD組、光電組還是電磁組,在軟件方面的根本思路是一致的.通過

29、傳感器提取賽道信息,通過軟件方面的手段計(jì)算出當(dāng)前小車偏離賽道的程度記為“A,要求高的話,像“飛思卡爾杯的話再參加速度反應(yīng),綜合考慮當(dāng)前速度大小和偏離賽道程度,限制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)的加減速.有了和速度傳感器返回的值,至于當(dāng)前“A下鴕機(jī)轉(zhuǎn)多大,電機(jī)加速還是減速,加多少減多少,這就需要軟件的算法來計(jì)算了.最常見的就是PID和棒棒算法了,另外模糊限制理論在智能車限制領(lǐng)域也用得比擬多.算法方面校區(qū)智能車設(shè)計(jì)指導(dǎo)書第二版會(huì)有講解,這里就不說了.本指導(dǎo)只講從AD提取賽道信息到得出“A,以及在整個(gè)程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問題,軟件整體的設(shè)計(jì)思路.除了利用上述的、做差可以計(jì)算出夕卜,也有其他方法.大家不必拘泥于上面

30、的方法.起跑線檢測關(guān)于路徑檢測方法,這里還想說說怎樣檢測起跑線.電磁組檢測起跑線的方法與光電、CCD組的不同,通過硬件即可完成,相對也比擬簡單,所以放在后面講.我們再來看看官網(wǎng)給的起跑線示意圖,如圖所示：4-娓酒土方向50cm圖起跑線示意圖如圖所示,起跑線下面均勻的放置有6個(gè)永磁體,磁體放置極性不確定.磁體參數(shù)：直徑-15mm,高度外表磁場強(qiáng)度3000-5000Gs.磁體外表磁場強(qiáng)度相對賽道產(chǎn)生的磁場非常大經(jīng)過計(jì)算賽道磁場強(qiáng)度在lOTGs數(shù)量級,完全可以不考慮小車會(huì)在非起跑線區(qū)域檢測起跑線.檢測起跑線的傳感器通常選用干簧管.干簧管相當(dāng)于一個(gè)磁敏開關(guān),分為常開和常閉類型.工作原理很簡單,干簧干里

31、面的磁性導(dǎo)電簧片受到足夠大的磁場磁化以后相互吸合在一起來完成一次開關(guān)的動(dòng)作.電磁組要檢測起跑線,只要干簧管受經(jīng)過起跑線時(shí)受到的磁場作用到達(dá)一定程度就可以.考慮到磁體極性不確定,但歸納起來就三種情況：同側(cè)三個(gè)磁體外表都為同極性相鄰兩兩磁體極性不同®®只有相鄰兩個(gè)磁體極性相同經(jīng)過理論分析和實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)：每個(gè)磁體外表中線處磁場為0或者很小,干簧管經(jīng)過單個(gè)磁體外表時(shí)不能發(fā)生動(dòng)作,即存在盲區(qū).同名磁體中垂線上磁場為Oo兩磁體中央相距,在小車左右兩側(cè)各放一個(gè)干簧管顯然是不行的,考慮最壞的情況,兩個(gè)相鄰的干簧管中央位置不能是和2cm的整數(shù)倍.這樣的話,每側(cè)各用兩個(gè)就可以了.設(shè)計(jì)時(shí)可以把干

32、簧管并連在一起,左右共兩組,任何一路導(dǎo)通都可以向MCU輸送檢測起跑線的信息.實(shí)物圖如度所示：軟件局部的簡要流程圖圖干簧管檢測起跑線實(shí)物圖單片機(jī)常用模塊PWM模塊PWM調(diào)制波有8個(gè)輸出通道,每一個(gè)輸出通道都可以獨(dú)立的進(jìn)行輸出.每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù),一個(gè)周期限制存放器和兩個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源.每一個(gè)PWM輸出通道都能調(diào)制出占空比從0100%變化的波形.PWM的主要特點(diǎn)：1、 它有8個(gè)獨(dú)立的輸出通道,并且通過編程可限制其輸出波形的周期.2、 每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器.3、 每一個(gè)通道的PWM輸出使能都可以由編程來限制.4、 PWM輸出波形的翻轉(zhuǎn)限制可以通過編程來實(shí)現(xiàn).5、 周期和脈寬可以被雙緩沖.當(dāng)通道關(guān)閉或PWM計(jì)數(shù)器為0時(shí),改變周期和脈寬才起作用.6、 8字節(jié)或16字節(jié)的通道協(xié)議.7、 有4個(gè)時(shí)鐘源可供選擇A、SA、B、SB,他們提供了一個(gè)寬范圍的時(shí)鐘頻率.8、 通過編程可以實(shí)現(xiàn)希望的時(shí)鐘周期.9、 具有遇到緊急情況關(guān)閉程序的功能.10、每一個(gè)通道都可以通過編程實(shí)現(xiàn)左對齊輸出還是居中對齊輸出.PWM存放器：PWM啟動(dòng)存放器PWMEPWME存放器每一位如圖1所示:復(fù)位默認(rèn)值：00000000BBit76543218it0PWME7PWME6PWME5PWME4IPWME3PWME2PWMEIPWME.00000Q00Rea