电磁组北京联合大学电磁二队技术报告.doc

第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告基于电磁传感器的两轮自平衡智能车路径识别控制系统 学 校：北京联合大学队伍名称：北京联合大学电磁二队参赛队员：李俊、刘佳鑫、郑川指导教师：潘峰、曲金泽关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中参赛队员签名： 带队教师签名： 日 期： 目录第一章 引言 21.1 概述 21.2 技术报告结构 3第二章 设计方案概述说明 32.1 设计思路及方案的总体说明 32.2系统各模块实现简介 4第三章 机械及硬件电路设计 53.1 机械设计 53.1.1 电磁传感器的安装 53.1.2 PCB主板的固定 63.1.3 测速电路模块的安装 73.1.4 差速的调节 73.1.5 加速度计与陀螺仪的安装 73.1.6 液晶与按键的安装 83.2 硬件电路设计 93.2.1 电磁传感器的设计 93.2.2 PCB主板的设计 133.2.3 电源管理模块 143.2.4 电机驱动 143.2.5 陀螺仪电路 15第四章 软件设计 164.2 主要算法及实现 184.2.1 算法框图与控制函数关系 184.2.2 主要控制函数说明 214.3 速度PID控制算法及其改进形式 28第五章 开发调试过程及主要参数 305.1开发工具 305.2制作调试过程说明 305.3 智能车主要技术参数 325.4 存在问题及改进方法 32参考文献 34参考程序： 35第一章 引言1.1 概述在本届智能模型车竞赛中，根据组委会要求的具体要求，本队采用了标准的汽车模型、直流电机和可充放电电池制作出了一个能够自主识别电流为20KHz,50—150mA导线线路的智能车，能够在比赛跑道上自主识别道路方向，能够稳定行驶、保持较高的速度。

在为比赛准备的很长的一段时间里，我们深入学习、应用了嵌入式软件开发工具软件codewarrior和开发手段，自行设计了智能汽车自动识别路径的方案，自主设计了电机的驱动电路、模型车的电磁传感电路，在官方程序的基础上编写了基于微控制器MC9S12XS128的智能车的控制程序在智能车的设计过程中，我们利用了如下知识：传感器原理、自动控制、汽车电子、机械设计等尤其是机械设计方面，我们花费了大量时间在对这些知识的综合运用过程中，我们对这些知识有了更深入的认识和理解，并能将所学的知识运用于实践中在设计的过程中，我们参考了很多文献资料在组装车模和电路设计等过程中，我们的实践动手能力得到了极大的培养和提高在设计智能车控制算法过程中，我们设计使用了多种控制算法，如自平衡车直立PD算法和速度控制的PI算法以及转向控制的PD算法期间进行了无数次的实践和尝试，形成了最后的比赛方案在思考控制算法的过程中，我们一直在追求稳、快的目标，在这个过程中我们的创造能力和实践能力得到了很大的提高车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。

国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品在电磁组比赛中，利用了原来C型车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平衡行走相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式，车模直立行走在硬件设计、控制软件开发以及现场调试等方面提出了更高的要求1.2 技术报告结构本技术报告的正文分为四个部分第一部分是对整个系统实现方法的概要说明；第二部分是对机械结构的说明和对硬件电路的说明；第三部分是对系统软件设计部分的说明；第四部分是对开发工具、制作、安装、调试过程等所做的一些说明，以及模型车一些主要技术参数的说明关键字：路径识别，智能车，PD，电磁传感器，自平衡第二章 设计方案概述说明 由于本电磁智能车模型采用C型车模，通过电磁传感器阵列来采集电流约为20KHz、100mA的导线的电磁场强度来检测和识别路径，以及利用加速度计读取角度，陀螺仪读取加速度，然后两者融合在一起得到滤波后的角度和角速度，然后对电机进行直立控制；通过速度传感器读取速度，形成闭环，对两轮小车进行速度控制；通过电感读取磁场强度值，进行中心线的提取，而后通过电机的差速调节进行转向控制2.1 设计思路及方案的总体说明根据电磁车循迹的要求，电磁车设计包括赛车的设计。

根据电磁传感器方案设计，赛车共包括五个部分：传感器部分、人机接口部分 、MC9S12XS128模块，执行机构、电源部分2.2系统各模块实现简介1. 传感器部分负责感知外部世界的环境信息和车模自身的状态信息，为小车完成赛道的检测与跟踪以及实现小车的运动控制提供所需的信息传感器部分包括电磁传感器、速度传感器和加速度传感器和陀螺仪传感器 利用增量式光电编码器进行速度的测量，反馈给单片机，构成速度的闭环光电编码器线数越多，同等速度下单位时间内所能检测到脉冲数也越多，因而速度检测的分辨率也更高另一方面，线数增多后，相邻脉冲间的持续时间会变短，脉冲检测的可靠性会因相邻脉冲的干扰而受到影响2. MC9S12XS129模块构成系统的控制器3. 电机驱动模块（执行机构）通过MC9S12XS128单片机输出的PWM控制，功率放大用来驱动电机，要求驱动电流足够大，要考虑到大电流对整个系统的影响4. 电源管理模块制作相应的电源电路，针对个模块的输入信号要求利用稳压芯片将电源稳成5V，供单片机、传感器等供电，而电机则利用电源直接供电5. 人机接口部分人机接口主要用于单片机与调试者之间的交互，8位LED可以显示简单的工作状态，液晶可以用于参数的设定与显示，4位拨码开关可以用于简单的模式设置，无线模块用于少量数据的收发（注：在实验室测试的时候用，现场并不用）。

第三章 机械及硬件电路设计3.1 机械设计 电磁C型车模的机械设计部分包括电磁传感器电路的安装，PCB主板的固定和连接，测速电路模块的安装，差速的调节，加速度传感器和陀螺仪的安装等，在机械设计过程中遵循以下原则：重心位于车子的底部位置，加速性能良好，车本身摩擦小，车与地面摩擦大3.1.1 电磁传感器的安装 电磁传感器电路，如图所示放大器部分和电源、主板固定在一起，电感单独引出来这样便于安装和拆卸，而且使整个车的力矩往前拉近，实物图如下： 3.1.2 PCB主板的固定考虑到模型车的重心的高度和位置，主板放在模型的的前半部分，主板重心离车前11.5cm,距离赛道高3.5cm，PCB主板长13cm,宽5cm，这样讲重心固定在车的重心偏前，对于车的摩擦和加速性能有很好的效果如下图所示：3.1.3 测速电路模块的安装测速模块才用增量式编码器，增量式编码器的安装于车的最后部分，如下图所示：3.1.4 差速的调节差距决定了转弯时的性能，差速调节时应该不能太松和太紧，而且要避免和电机齿轮的间隙3.1.5 加速度计与陀螺仪的安装考虑到陀螺仪安装要求，陀螺仪安装必须水平安装实物图如下所示：3.1.6 液晶与按键的安装3.2 硬件电路设计3.2.1 电磁传感器的设计考虑到电流的大小，方向和频率，依据经可靠、稳定、经济的要求，我们选择10mH的电感，然后进行滤波、放大、检波；其电路图如下：33mHR11MΩ在音频功放LM386n放大之后加入倍压检波电路，可以得到与交流的峰峰值成正比的直流信号，调整R1的阻值，可使三极管集电极的电压约为2.5V左右，此时的三极管处于较好的放大状态，用示波器测量，可得到集电极和检波输出波形如下图所示： 集电极输出波形 检波输出波形 根据电磁传感器中电感的方向与磁场的关系，采用垂直方向放置时，其测量的磁场大小为Bx，且根据比奥沙法尔定义可知：其特性如下图所示： 图3.2.1 垂直方向传感器测量理论图垂直方向传感器测量出的电压大小为：根据实验测定的数据，利用MATLAB可得下图：可得出以下结论：实验数据与理论基本相同。

采用水平方向放置时，其测量的磁场大小为By，且根据比奥沙法尔定义可知：水平方向电磁传感器测出的电压大小为：其特性如下图所示： 图3.2.2 水平方向传感器测量理论图 根据车与导线的位置关系如图：其中： AE = lA ； h为传感器距赛道的高度； 根据实验测得的数据，我们采用了垂直位置的传感器，根据电磁传感器采集出的电压的大小，两相邻的传感器的距离去3～5cm左右，我们采用相邻的两传感器间距为4cm3.2.2 PCB主板的设计 要求主板的面积小，质量轻，其PCB如图所示： 3.2.3 电源管理模块 把电压为7.2V的电池经LM2940稳压后，其电路图如下：稳压后可以完成如下功能：经过稳压芯片LM2940稳压后，输出5V电压以驱动单片机工作；经过稳压芯片LM2940稳压后，输出5V电压以对传感器供电；3.2.4 电机驱动利用BTS7960构成双极性H桥，使电流更大，驱动能力更强，再结合逻辑电路，使其使用更安全，更稳定，电路图如下图所示：（实际比赛中，我们用了4个BTS7960）3.2.5 陀螺仪电路实物如下： 第四章 软件设计为了体现程序的模块性和可移植性，我们把程序分成各个模块进行分别处理，而各模块也有相应的形参做为接口，可以做到可移植性，通用性。

下面就这些模块的设计与实现分别进行详细阐述程序中用到的硬件资源有PWM模块、AD模块、脉冲累加器、普通I/O口，主程序流程图如下： 程序上电运行后，便进行单片机的初始化初始化的工作包括有两部分，一部分是对于单片机各个应用到的模块进行初始化这部分代码是自己写的第二部分是应用程序初始化，是对于车模控制程序中应用到的变量值进行初始化 初始化完成后，首先进入车模直立检测子程序该程序通过读取加速度计的数值判断车模是否处于直立状态如果一旦处于直立状态则启动车模直立控制、方向控制以及速度控制程序在主循环中不停发送监控数据，在通过串口发送到上位机进行监控同时检查车模是否跌倒跌倒判断可以通过车模倾角是否超过一定范围进行确定，或者通过安装在车模前后防撞支架上的微动开关来判断一定车模跌倒，则停止车模运行包括车模直立控制、速度控制以及方向控制然后重新进入车模直立判断过程 车模的直立控制、速度。