2020年系統(tǒng)總設(shè)計方案采集正弦波精品版.doc

1、精選文檔第一章賽車整體設(shè)計1.1 硬件模塊設(shè)計系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計圖如圖1.1 所示。電源模塊電磁信號測速模塊電機驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)向采集模塊模塊模塊MC9S12XS128輔助調(diào)試模塊圖 1.1整個賽車硬件模塊主要分為六大部分： 電源模塊、電磁信號采集模塊、 測速模塊、驅(qū)動模塊、舵機轉(zhuǎn)向模塊。 附加的模塊有液晶調(diào)試模塊， 和無線調(diào)試模塊。詳細原理圖見文件（原理圖.doc ）。1.2 軟件結(jié)構(gòu)流程精選文檔精選文檔系統(tǒng)軟件流程圖如圖2.3 所示。開始系統(tǒng)初始化N延時2 秒是否完成Y賽車啟動（將賽車舵機轉(zhuǎn)到中間位置）NAD 采集是否完成X 次采集YN數(shù)據(jù)處理并且計算出舵機轉(zhuǎn)角測速是否完成Y是否已檢測到起跑線調(diào)速

2、模塊圖 1.2系統(tǒng)軟件流程圖精選文檔精選文檔第二章智能車系統(tǒng)方案的關(guān)鍵2.1影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素2.1.1 舵機的轉(zhuǎn)動延時造成車速提高時出現(xiàn)的轉(zhuǎn)彎不及時等原因中， 很大一部分由舵機的轉(zhuǎn)動延時引起，而如何協(xié)調(diào)舵機延時與車速的控制則顯得至關(guān)重要。 所以轉(zhuǎn)動越靈活， 越有利于轉(zhuǎn)彎。2.1.2 傳感器檢測精度傳感器的檢測精度一方面會引起賽道標志的識別， 另一方面會影響彎道和直道的檢測。精度越高，賽道標志的識別就越精確，彎道會提前檢測，直道時能夠精準卡住黑線。2.1.3 傳感器的前瞻距離前瞻距離越大，越能提早檢測到彎道，提前轉(zhuǎn)彎，解決了舵機的延遲作用，但是太遠的前瞻亦會引起賽道的錯誤識別，導(dǎo)致走錯賽道

3、等等問題。2.1.4 電機調(diào)速的快慢。賽車入彎時能否及時減到合適的速度， 而賽車出彎時能否及時加到合適的速度，這就在某種程度上受電機驅(qū)動電路的限制。 驅(qū)動的導(dǎo)通阻抗越低， 則導(dǎo)通電流越大，驅(qū)動能力就越強。2.2傳感器分析1、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波中間，為 3kHz30kHz，波長為100km10km。如圖 3.1 所示：圖 2.1電流周圍的電磁場示意圖導(dǎo)線周圍的電場和磁場， 按照一定規(guī)律分布。 通過檢測相應(yīng)的電磁

4、場的強度和方向可以反過來獲得距離導(dǎo)線的空間位置。由電磁感應(yīng)定理， 變化的磁場在導(dǎo)線中產(chǎn)生電動勢，閉合的導(dǎo)線中則會產(chǎn)生電流，按正弦規(guī)律變化的磁場則產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的電動勢。由圖 2.1 知，離導(dǎo)線越遠磁場越弱，檢測到的電動勢就越小，又由于得到的是正弦變化的電壓，電壓的變化即電壓幅值的變化。精選文檔精選文檔為了得到穩(wěn)定的電壓信號，采用LC振蕩電路進行信號采集。從 LC諧振電路得到的信號是交變的電壓信號，電壓幅值太小，只能達到幾百毫伏，需進行放大，要直接能由 AD 采集，還必須把負電壓升高為正電壓且不能讓信號失真，才能通過 AD 直接采集進行數(shù)據(jù)的處理。放大電路如圖 2.2所示。圖2.2信號放大電

5、路圖2.3電感和電容類型的選取對于諧振電路，電感和電容的選取只需滿足。我們選擇了 10mh 的電感和 6.8nf 的電容。在電感和電容的數(shù)值匹配上，只要滿足選取原則即可，對信號影響不大。但是電感和電容類型的選擇則會對信號的穩(wěn)定性，信號的強弱產(chǎn)生很大的影響。10mh 的電感在市面上有很多類型，主要是繞線的粗細，粗的繞線可以得到更大， 更穩(wěn)定的信號， 而細的繞線電感體積小， 重量輕，且產(chǎn)生的信號也很穩(wěn)定。 所以從各方面考慮， 我們選擇了細繞線的電感。電容的類型則決定了諧振電路選頻的能力的高低。最開始我們選用瓷片電容， 得到的信號會隨外界條件而發(fā)生變化， 而且相同的兩塊電路對稱性很低，信號之間有很大

6、的差值。后來改用貼片鉭電容 ，改變了這樣的現(xiàn)狀， 使信號穩(wěn)定且電路之間的對稱性提高。由此，我們明白，不同的電容將會對電路造成很大的影響。設(shè)計好電磁信號采集電路， 得到了導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場強弱在跑道上的分布情況，就需要考慮電感的安裝方向以及不同的安裝方向采集到的磁場信號所對應(yīng)的小車的位置。2.4電感的安裝方式選擇由圖 2.1 知，導(dǎo)線周圍分布的電磁場是以導(dǎo)線為中心的同心圓，距離導(dǎo)線越遠，磁場越弱。將導(dǎo)線周圍的電磁場按水平和垂直方向分解，可以考慮電感的豎直安放和水平安放。豎直安放的電感主要采集的是垂直方向的磁場。隨著距離導(dǎo)線的距離變寬，由電感檢測到的磁場從小變大， 再由大變小。 電感安放的高低不一

7、樣， 磁場的變化范圍的寬度也不一樣。電感安放得越高，檢測到的磁場由低變高的范圍越寬，隨著電感的逐漸增高，這種表現(xiàn)會越來越明顯，甚至可以覆蓋整個跑道。其次，由于跑道上導(dǎo)線產(chǎn)生的垂直磁場相互疊加的原因， 豎直安放的電感檢測到的磁場精選文檔精選文檔會受到跑道上其它導(dǎo)線的影響，給處理造成了很大的不便。水平安放的電感主要采集的是水平方向的磁場， 隨著距離導(dǎo)線的距離越來越短，水平方向的磁場減弱，檢測到的電壓信號幅值變小。電感安放的高低不同，這種變化程度也不一樣。 電感安放越低， 磁場變化越快。 隨著電感安放高度的增加，這種變化將會減緩。 且水平安放的電感不受其它導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場的影響， 處理起來相對簡單。2

8、.4信號采集模塊安裝高度的選擇信號采集模塊的安放高低，會影響信號的變化趨勢。安放得越高，采集到的磁場變化越緩慢，即在邊緣的電壓信號也較強，比較有利于AD 采集。考慮到這些問題，我們在安放這部分電路時，有意在高度上提升高度。 但是由于考慮重心的問題，又不能把這部分電路安放得太高。所以在開始安放我們選擇了 13cm 的高度，在前面一部分的制作過程中， 我們對這樣的高度比較滿意， 不論是信號采集還是處理上來說，都沒有給我們的調(diào)試過程帶來限制。采集模塊安裝的高低，不僅僅影響的是采集到的信號分布的緩慢程度，更是影響了 AD 采集的穩(wěn)定性。所以，我們在這部分安裝的高度上也進行了不少的考慮與試驗， 最后決定

9、了這樣的高度。精選文檔精選文檔第三章硬件模塊設(shè)計3.1信號采集模塊3.2電機驅(qū)動模塊賽車的速度決定著比賽的成績，電機的驅(qū)動是提高速度的重要硬件基礎(chǔ)，所以電機驅(qū)動模塊在整個控制系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。 為了增強驅(qū)動能力， 減少芯片的發(fā)熱，我們用了兩塊 驅(qū)動芯片并聯(lián)。3.3電源分配模塊在電源分配上， 5V 電源主要采用 TPS7350 降壓穩(wěn)壓芯片穩(wěn)至 5V。其中一塊 TPS7350 單獨單片機供電，另一塊給驅(qū)動模塊和測速模塊供電。 6V 電源模塊采用 LT1764 降壓穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓至 6V 。其中一塊 LT1764 給信號采集，另一塊穩(wěn)壓至 5.5V 給舵機供電，電源分配圖如圖精選文檔精選文檔

10、電池電壓TPS7350LT1764TPS7350LT17645V6V5V5.5V舵機MCU信號采集驅(qū)動芯片調(diào)試電路電機圖 3.3 電源分配3.3.1TPS7350穩(wěn)壓至 5V 電源電路3.3.2LT1764穩(wěn)壓至 6V 電源電路精選文檔精選文檔3.3.3ASM1117穩(wěn)壓至 3.3V電源電路第四章遇到的問題4.1十字線的處理（未完全解決）十字彎處的磁場強度十字彎處豎直方向上的磁場強度精選文檔精選文檔十字線的處理。從上面的圖片當中可以看到，在前瞻較大的時候，十字線的磁場分布與正常的九十度彎道非常類似，容易出現(xiàn)十字線不能識別而直接轉(zhuǎn)向的情況。進入十字線之后，內(nèi)側(cè)的磁場與螺線管類似，遠大于外側(cè)的磁場

11、，容易出現(xiàn)內(nèi)切過大的情況。 為此，我們在十字線附近采用了特殊的識別策略。并且在識別之后，在交叉線附近的直道上降低舵機的擺動。這樣可以減少十字線的特殊磁場的干擾。4.2坡道的處理（未完全解決）在坡道上，同樣會出現(xiàn)兩個水平傳感器的信號之和會變小的情況。有所不同的是，坡道上，傳感器之間的差不會很小。通過這一點，我們解決了坡道上會出現(xiàn)錯誤迷失的情況。4.3快要出賽道的處理（解決）傳感器的視角并不是很大，容易出現(xiàn)迷失的情況。我們通過嘗試發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)迷失之后，兩個水平傳感器的信號之和會變小。通過這一點， 我們找到了判定迷失的條件。迷失之后，降速，舵機打到一個比較大的角度。第五章 控制算法設(shè)計傳感器布局方式如

12、圖（5.1）。圖（ 5.1）傳感器布局示意圖5.1采樣交流信號小車的 6 個傳感器（ LC 諧振）輸出的交流小信號， 經(jīng)分別放大后得到平均值為3.3V的交流大信號，再分別經(jīng)電阻分壓衰減得到一個平均值為2.5V 交流信號，并直接送入精選文檔精選文檔MCU 進行 A/D 采樣。即MCU 直接接受20kHz 的交流信號。5.2由交流信號得到信號幅值MCU 對 6 路 20kHz 的信號進行采樣，由于 MCU 本身的 A/D 轉(zhuǎn)換速度不能達到對 20kHz 信號進行密集采樣所需的速度， 于是采取滯后一周期采樣的方式，采樣頻率為 21kHz，這樣，信號的表征頻率就變?yōu)?21kHz-20kHz=1kHz

13、，我們定義它為“表征信號” 。表征信號的周期為 T=1ms， MCU 在 1T 內(nèi)能采到 21 個離散點，利用這些點即可算得信號的幅度。我們實際所用的計算方法是：對 6 路信號都同時進行 21kHz 采樣，每一路每采樣 50 個點就算出最大值 V max 和最小值 V min，信號幅度 A 就為A=V max-V min 。5.3由交流信號得到磁場方向一個電感僅感應(yīng)三維空間磁場的某一方向上的分磁場強度。所以不難理解，三個兩兩正交方式放置的電感可測得磁場在立體空間中的磁場方向。明顯，我們可以把立體的磁場看作是水平面上的分磁場 Bxy 與豎直方向上的分磁場 Bz 的疊加。于是便好理解，兩個正交放置

14、的電感可測得磁場在水平面空間上的分磁場 Bxy 的方向 (用于算角度的電感都是水平放置的， 所以 也就是車體的左右方向與磁場的水平方向，在跑道上非十字彎的地方，若 很接近 0則表明車體的前后方向與黑線方向基本平行 )。求得 的方法是 | |=|arctan(Bx/By)|。（由于信號幅度只能反映出磁場的強弱，而不能反映出方向，所以只能求 得絕對值。）可見，只利用由兩個正交放置的傳感器得到的信號幅度是可以算出磁場的絕對值的，但是確定不了它的正負。確定 的符號，方法是采取兩路信號疊加。當 x 方向的信號與 y 方向的信號同相時，疊加后的信號幅度將大于原來兩個幅度中的任意一個，反相則小于。若定義同相

15、時 為正，則反相時就為負。由于可以很方便的用軟件方式得到任意兩路信號的和，所以直接在程序中將兩個信號采樣值進行求和便得到了疊加的信號采樣值。我們實際采取的方式是，對兩路信號既求和又求差，和大于差則正，和小于差則負。0#和 1#傳感器用于計算小車右邊的磁場方向， 4#和 5#傳感器用于計算左邊的方向。5.4由信號幅度得到車體偏離黑線的程度當 接近 0時， 已知傳感器高度為 h，與車軸距離為 d，設(shè) :0#傳感器相對黑線的水平距離為 d0 ,車軸與黑線水平距離為 dx 則對應(yīng)信號幅度 A 0 計算式為A 0= k2h= kh22 ,h2(d x d)hd0精選文檔精選文檔其中 k 為比例常數(shù)。同理

16、 5#傳感器對應(yīng)幅度為A 5 = khh 2 = khh2 ,d5 2(d x d)2若設(shè) f(dx)=(A5A05A0),此函數(shù)圖像用matlab仿真出來如圖（）：)/(A5.2圖（ 5.2）f(d x)與車體偏離位置的關(guān)系由圖（ 5.2）可見，在 25cm 25cm 上， h=14 時曲線的線性度越好，但靈敏度較差。我們實際的選擇是 d=12cm， h=13cm ，把 f(dx) 近似的看成直線，用 f(dx) 90 的值作為位置偏差對應(yīng)的控制角。由于 f(d x)不收信號強弱與磁場方向的影響，采取這種方式是比較抗干擾的。5.5控制舵機的計算方法舵機的控制屬于開環(huán)控制。給定角度計算式為：t

17、heta_ctrl= 0.6+f(dx)900.4。而實際上，上式中的 0.6 和 0.4 用了可變的參數(shù)來代替， 此參數(shù)隨信號強度的不同而不同，這個參數(shù)是為了解決十字彎難判斷而添加的，因為十字彎處得信號強度較大。5.6控制電機速度的計算方法用到編碼器后可閉環(huán)控制電機，采取簡單PID 算法。由于在不同的路段應(yīng)給定不同的速度，但當給定速度突變時車身會打滑，于是不能精選文檔精選文檔讓給定速度突加，只能漸加。 由于在不發(fā)反轉(zhuǎn)控制信號給電機的情況下，給定速度突減不會引起打滑，所以當需要做普通減速時，直接將給定值突減為目標值就可以了。（需要緊急減速時用反轉(zhuǎn)控制。）在此定義兩變量以便敘述：當前給定速度speed_ctrl，目標速度v。當需要加速時，給定速度的計算方法為：speed_ctrl=speed_ctrl 0.999+v 0.001，其中 0.999 和 0