基于DSP控制的电磁循迹智能小车设计.doc

武汉理工大学《智能仪器原理与应用》课程设计题　　目： 基于LABVIEW智能小车设计与调试　学生姓名：　 聂鹏　　 学号： 1049721303692 学院： 自动化学院 专业：　 双控1303班 　 指导老师：　 刘红丽　　　 　 2014 年 1 月 1 日目录第一章 引言 2第二章 机械结构部分 32.1 整车的安装 32.2机械手的固定与安装 42.3 差速的调整 52.4 整车重心的调整 6第三章 传感器的选择和布局 73.1 传感器的选择 73.2 电磁感应线圈在磁场中的特性 83.3 传感器布局 93.3.1确定导线位置布局 103.3.2前瞻设计 10第四章 硬件电路模块 114.1 控制器模块 124.2 路径识别模块 134.2.1感应线圈 144.2.2信号选频放大 154.3 电源模块 174.4 测速模块 184.5 舵机使能控制电路 184.6 电机驱动模块 19第五章 智能车软件设计 205.1 控制总流程 215.2 导线位置提取 225.3 系统控制算法 225.3.1数字PID控制 235.3.2转向控制算法 245.3.3电机控制算法 25第六章 基于LABVIEW智能小车调试 266.1 labveiw的调试界面 266.2 labveiw的程序设计 27第七章 总结 28参考文献 29附录A 部分程序代码 30II武汉理工大学《智能仪器原理与应用》课程设计第一章 引言本智能小车以DSP TMS320F2812作为唯一的核心控制单元，采用LC震荡电路进行信号的采集来获取道路信息，通过设计简单的PID速度控制器和简单的模糊控制器实时调整小车的速度与转角。

本报告分为七个章节：第一章为引言介绍；第二章介绍了本智能车的机械设计；第三章具体介绍了智能车传感器选择与布局设计；第四章具体介绍了智能车硬件电路设计；第五章介绍了智能车的软件设计；第六章为智能车开发与调试环境 第二章 机械结构部分图2.0 智能车整体图2.1 整车的安装在整车的安装过程中，我们发现，我们的小车是四轮驱动的，每一个电机都是由一路独立的PWM来调速的，由于这次的赛道有上坡和一个斜坡，一般扭矩的电机很难满足这个要求，再加上我们的车身比较重，所以一定需要一个大扭矩的电机来实现赛道的要求我们在整车的安装过程中不是用底板配套的电机，而是另外买的大扭矩电机，通过在底板上另外打孔和用胶枪固定如图2.1.1所示：图2.1.1 小车的装配图2.2机械手的固定与安装由于本次比赛是以地震救援为背景，设计一款救援机器人，要求携带机械夹持装置，从基地出发，完成崎岖山道（S路），塌方道路（避障），倾斜路面（斜坡），破损桥梁（独木桥）等常规越野任务，途中利用机械夹持装置，将地面上的轻伤目标放到安全目标平台上，将重伤目标携带，并返回基地放下所以需要一个机械手来抓取和安放伤员，我们之前想过多种组装机械手的方法，开始准备用五个舵机组成多自由度的机械臂，但是由于车子能承受的重量有限，加上机械臂太高车跑起来会有很大的抖动，所以最后我们选择了如图2.1.2的安装方式来固定机械臂。

图2.1.2 机械臂的组装图2.3 差速的调整在车实际跑的过程中，我们发现，后面两个轮的相对松紧程度，也就是差速对拐弯有很大的影响差速太紧，则拐弯容易甩尾，速度快的时候很容易甩出去，但是差速如果太松，虽然会改善转弯性能，但是严重影响了直线上的加减速，而且齿轮的咬合也不是很好，对齿轮会有一定的损坏所以，后面两个轮子的相对松紧程度要适中，经过多次的调试，我们得出了比较满意的效果，即将模型车放到跑到上，用手抓住后轮的一只轮子使其不能转动，在赛道上推车子转弯，如果车子能够稍轻松的推动，则此时的差速器为最适合当然，实际还需要根据不同的赛道和车的机械性能进行相应的微调调节差速可以通过工具旋紧或者旋松右后轮来得到合适的差速控制，其实就是适当的调整两片轴承的压力以满足后轮驱动和差速的要求 6武汉理工大学《智能仪器原理与应用》课程设计2.4 整车重心的调整刚开始的时候由于速度比较慢，车体的重心对整辆车的影响看不出，但随着模型车速度的提高，模型车的重心对车子的整体性能的影响就显得越来越突出了这集中表现为前轮对地摩擦力的影响和车体否能稳定行驶垂直高度上的重心影响车的稳定性，重心越低，稳定性越高，当然这要求保证车的底板不会出现触地的现象；水平方向上的重心位置及其重要，它将直接影响了前轮对地的摩擦力，也就是我们想要的前轮抓地能力的强度。

重心靠前，将有利于增加前轮的摩擦力实际测试中，稳定性对跑道S弯和急转弯的影响最大；而摩擦力则对跑道急转弯影响最重所以为了提高车对整个跑道的综合性能，我们将车的垂直重心尽可能降到最低，而将水平重心的位置调整为靠近前轮调整模型车的垂直重心只要给前轮悬架下摆臂与底板之间加上一个2mm的垫片即可；而后轮则通过变换卡圈来调整底盘后半部分的离地间隙这样模型车就不会跑飞了7第三章 传感器的选择和布局8武汉理工大学《智能仪器原理与应用》课程设计第三章 传感器的选择和布局3.1 传感器的选择由于赛道是通有20KHz交变电流的导线，因此需要通过检测导线周围所产生的电磁场确定道路与小车的相对位置磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应，如磁电效应（电磁感应，霍尔效应，磁致电阻效应），磁机械效应，核磁共振等现代检测磁场的传感器有很多，常见的有磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器，半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管因为各种传感器测量磁场所依据的原理不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大，10-11～107G图3.1为各类磁场传感器的测量范围示意图图3.1各类磁场传感器的测量范围示意图先估算赛道的磁场强度。

把赛道看作无限长直导线，载流为直流100mA，距离导线r=5cm时，由毕奥-萨伐尔定律知，磁场强度B如（公式1）：（公式1）武汉理工大学《智能仪器原理与应用》课程设计一般霍尔元件的检测范围在1mT以上，即10G以上，可以想象到需要贴着地面进行检测，而且精度大大受到限制磁阻传感器如Honeywell的高灵敏度磁阻HMC1001，分辨率可达27微高斯，还可以使用多轴的磁阻传感器检测不同方向的磁场普通的电感线圈测量范围广，理论上只要加上合适的谐振电容和放大电路，不但能够筛选出特定频段进行放大，而且有较强的抗干扰能力我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低，价格比较高因而我们选取最为传统的电磁感应线圈的，它具有原理简单、价格便宜、体积小、频率响应快、电路实现简单等特点感应线圈可以自行绕制，也可以采用市面上的工字电感3.2 电磁感应线圈在磁场中的特性为了讨论方便，我们作以下约定：(1)小车车体坐标系中，定义小车前进的方向为Y轴正向，顺着Y轴的右手边为X轴的正向，Z轴指向小车正上方，如图3.2.1所示；(2)水平线圈是指轴线平行于Z轴的电感线圈，垂直线圈是指轴线平行于X轴的线圈，轴线平行于Y轴的线圈所感应到的电动势远小于上述两类线圈，但该类摆放线圈在回环路检测中将可以用到。

3)BX是指向载流导线右手边的电磁感应强度，BZ是指向载流导向正上方的电磁感应强度显然，垂直线圈感应的是BX变化率，水平线圈感应的是BZ的变化率9武汉理工大学《智能仪器原理与应用》课程设计图3.2.1 假定车体坐标系直道附近的磁场分布，可以近似为无限长的直导线上的磁场分布，容易算得距离长直导线距离为r的点的磁感应强度如（公式2）： （公式2）进而可以推出： （公式3） （公式4）其中h是电感线圈距离地面的垂直距离为了讨论的方便，记 （公式5） （公式6）则从（公式3）、（公式4）、（公式5）、（公式6）可以得出B'X、B'Z分别和BX、BZ有相同的变化趋势图3.2.2和图3.2.3显示了当分别取h为5、8、10时B'X和B'Z的变化趋势由图可知：10第三章 传感器的选择和布局11武汉理工大学《智能仪器原理与应用》课程设计(1)B'X是x的偶函数，在Y轴两侧单调；B'Z是x的奇函数，在Y轴两侧没有单调关系；(2)在相同的高度下，B'X幅值是B'Z的两倍，但是在x=20的时候，B'X只有B'Z的一半左右了，因此B'X的衰减较B'Z快很多综上可推知，水平线圈比较适合做x的正负判别，垂直线圈比较适合用来解算x的具体数值，B'Z较B'X衰减慢得多，说明水平线圈对远处道路状况相对比较敏感，可以用来预测前方的弯道。

图 3.2.2 B'X的曲线图图 3.2.3 B'Z的曲线图武汉理工大学《智能仪器原理与应用》课程设计3.3 传感器布局12由3.2所述的性质，我们可以知道，垂直线圈可以比较容易地得出小车与导线的相对位置，水平线圈可以预测前方弯道以及传感器摆放的一些要求根据这些性质，分检测导线位置和前瞻两部分论述传感器的布局方案3.3.1确定导线位置布局以垂直线圈作为检测小车与导线的相对位置，采用双垂直线圈就可以判断导线的位置通过比较两端的压差来判断小车是否在中心线位置，同时在两端装一对与小车运动方向平行的电感线圈，这样就可以检测到直角信号传感器的安装如图3.3.1所示：图3.3.1 传感器的安装3.3.2前瞻设计由于受到小车长度和垂直线圈检测方式限制，电磁小车的前瞻受到很大的局限尽管小车长度达到了极限，而小车的前瞻却只有10cm左右，不能满足智能车高速运行的要求因此需要用必要的手段增加小车的前瞻性能方案一：双排传感器单排传感器检测信息单一，而双排传感器可以通过判断导线斜率来弥补前瞻不足由于双排传感器检测的信息较为丰富，可以合理利用其信息作转角以及速度的控制测试发现的确优于单排传感器方案二：合理变更传感器方向。

由于水平线圈对远方道路比较敏感，可以感知道路的变化趋势，因此可以利用这个特点进行前瞻以φ6电感线圈为例，这种方法的前瞻可以在原来传感器位置的基础上前瞻约10cm的路况变更其摆放的方向和角度，可以在传感器原位置基础上前瞻约15cm~25cm的距离这样，武汉理工大学《智能仪器原理与应用》课程设计小车的前瞻最大可达到约35cm如果检测线圈直径较大，则可以做到约40cm的前瞻，下称“大前瞻”我们采用与小车前进方向一致的摆法这样的前瞻在5cm以内，下称“弱前瞻”由于线圈放置方向的关系，前瞻重要解决的问题是能否顺利通过十字交叉的赛道导线十字交叉出现场强叠加的情况，这样对大前瞻来说是一个严重的干扰尽管经过处理之后小车能够顺利通过十字交叉路口，但无可避免会有少许抖动这样既影响小车稳定性，也使行进速度有一定下降而弱前瞻具有一定的前瞻，尽管非常小，但总比没有前瞻要好在十字交叉处几乎不受干扰权衡利弊，从小车的稳定性考虑，选择了弱前瞻的方案综上所述，加入前瞻后传感器布局如图3。