a第八屆 光電組_綠影隊(duì) 技術(shù)報(bào)告

1、第八屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告學(xué) 校：浙江工業(yè)大學(xué)隊(duì)伍名稱：浙工大銀江綠影隊(duì)參賽隊(duì)員：鐘思恒 周 龍 葉小威帶隊(duì)教師：陳怡 朱威2013.8.15關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第八屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名：鐘思恒、葉小威、周龍帶隊(duì)教師簽名：陳怡、朱威日期：2013年8月15日摘 要本文以第八屆“飛思卡爾”杯

2、全國大學(xué)生智能汽車競賽為背景，詳細(xì)闡述了基于線性CCD傳感器的自導(dǎo)航循跡小車的制作過程。其中內(nèi)容包括電路設(shè)計(jì)方案、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改裝、算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、參數(shù)整定和整車調(diào)試等。涉及自動(dòng)控制、無線通信、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、能源等多個(gè)學(xué)科。本文主要闡述了基于coldfire核心控制器利用倒立擺模型、卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)兩輪小車的直立行走。通過線性CCD對賽道的識別，實(shí)現(xiàn)小車的自主循跡。利用CodeWarrior Development Studio for Microcontroller v7.2進(jìn)行了代碼編寫，程序開發(fā)和在線調(diào)試。關(guān)鍵詞：Freescale 小車直立行走 coldfi

3、re 卡爾曼濾波 陀螺儀加速度計(jì)目錄第一章引言11.1 智能車研究背景簡介11.2飛思卡爾智能車競賽介紹11.3章節(jié)總述2第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案42.1硬件電路設(shè)計(jì)方案42.2車模機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案52.3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案6第二章硬件電路設(shè)計(jì)83.1 ColdFire控制模塊83.1.1ColdFire MCF52259微控制器介紹83.1.2 ColdFire MCF52259單片機(jī)引腳分配93.2電源模塊113.3 加速度計(jì)和陀螺儀模塊123.3.1 加速度速度傳感器123.3.2 陀螺儀133.4 速度檢測模塊143.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊143.5.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇143.5.2電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模

4、型及控制方式的確定153.5.3 主電路原理結(jié)構(gòu)163.5.4主電路工作原理分析173.5.5 制動(dòng)能量回饋及電路抗干擾設(shè)計(jì)要點(diǎn)193.6 無線傳輸模塊203.7 輸入模塊203.8 尋跡線性CCD傳感器213.8.1 線性CCD原理213.8.2 環(huán)境光影響問題223.8.3輸出信號放大223.8.4 線性CCD個(gè)數(shù)選擇23第四章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)整244.1全車總覽244.2電路板安放位置254.3輪胎處理254.4電池安放位置264.5傳感器的固定264.5.1陀螺儀與加速度計(jì)傳感器264.5.2線性CCD傳感器274.5.3編碼器274.6傳感器支架安裝284.7保護(hù)28第五章軟件設(shè)計(jì)2

5、95.1 mcf52259資源簡介295.2 軟件任務(wù)及框架295.2.1 軟件的主要任務(wù)295.2.2 程序框架305.3 控制算法315.3.1 PID控制算法315.3.2 用試湊法確定PID控制器參數(shù)315.3.3 卡爾曼濾波算法325.3.4 程序控制算法總框圖345.3.5 直立控制算法框圖345.3.6 方向控制算法框圖355.3.7 速度控制算法框圖365.3.8 電機(jī)輸出算法框圖37第六章開發(fā)工具的使用和調(diào)試過程406.1 codewarrior IDE 的安裝與使用406.1.1 工程的創(chuàng)建406.1.2 安裝ColdFireV2內(nèi)核CodeWorror調(diào)試文件416.1.

6、3 燒寫和調(diào)試程序436.2 無線上位機(jī)系統(tǒng)466.3 現(xiàn)場調(diào)試466.4 調(diào)試中遇到的問題及解決過程476.4.1 調(diào)卡爾曼參數(shù)476.4.2 賽道循跡48第七章車模參數(shù)與總結(jié)507.1車模參數(shù)507.2總結(jié)50致謝52附錄A 程序源代碼53參考文獻(xiàn)67第一章 引言1.1 智能車研究背景簡介智能小車，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多科學(xué)的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)，一般主要路徑識別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。一般而言,智能車系統(tǒng)要求小車在白色的場地上,通過控制小車的轉(zhuǎn)向角和車速,使小車能自動(dòng)地沿著一條任意給定的黑色帶狀引導(dǎo)線

7、行駛1。小車需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，使用傳感器感知路線并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。智能小車設(shè)計(jì)與開發(fā)涉及控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科。它可以分為三大部分：傳感器檢測部分，執(zhí)行部分，CPU。 現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果，其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片，尋光入庫、避崖等基本功能，有向聲控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列，我們此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡這一個(gè)功能。1.2飛思卡爾智能車競賽介紹飛思卡爾公司開發(fā)嵌入式解決方案的歷史可追溯到50多年前，現(xiàn)在

8、，已發(fā)展成為在20多個(gè)國家設(shè)有業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)，擁有 20,000多名員工的實(shí)力強(qiáng)大的獨(dú)立企業(yè)。飛思卡爾公司專門為汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)品、網(wǎng)絡(luò)和無線應(yīng)用提供“大腦”。他們無比豐富的電源管理解決方案、微處理器、微控制器、傳感器、射頻半導(dǎo)體、模塊與混合信號電路及軟件技術(shù)已嵌入在全球使用的各種產(chǎn)品中。并擁有雄厚的知識產(chǎn)權(quán)，其中包括6,200 多項(xiàng)專利。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)（以下簡稱自動(dòng)化分教指委）主辦全國大學(xué)生智能汽車競賽。該競賽以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競

9、賽，是面向全國大學(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)生科技競賽之一。該競賽以“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)生的綜合知識運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，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。該競賽由競賽秘書處為各參賽隊(duì)提供/購置規(guī)定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺(tái)，競賽過程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制 作、整車調(diào)試、現(xiàn)場比賽等環(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)的全過程。該競賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性

10、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、模式識別、傳感技術(shù)、電子、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。該競賽規(guī)則透明，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)客觀，堅(jiān)持公開、公平、公正的原則，保證競賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。該競賽以飛思卡爾半導(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價(jià)，已發(fā)展成全國30個(gè)省市自治區(qū)近300所高校廣泛參與的全國大學(xué)生智能汽車競賽。2008年起被教育部批準(zhǔn)列入國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目中科技人文競賽之一（教高函200730號文）。全國大學(xué)生智能汽車競賽原則上由全國有自動(dòng)化專業(yè)的高等學(xué)校（包括港、澳地區(qū)的高校）參賽

11、。競賽首先在各個(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)將參加全國總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊(duì)伍和隊(duì)員情況，分別設(shè)立光電組、攝像頭組、創(chuàng)意組等多個(gè)賽題組別。每個(gè) 學(xué)?？梢愿鶕?jù)競賽規(guī)則選報(bào)不同組別的參賽隊(duì)伍。全國大學(xué)生智能汽車競賽組織運(yùn)行模式貫徹“政府倡導(dǎo)、專家主辦、學(xué)生主體、社會(huì)參與”的16字方針，充分調(diào)動(dòng)各方面參與的積極性。全國大學(xué)生智能汽車競賽一般在每年的10月份公布次年競賽的題目和組織方式，并開始接受報(bào)名，次年的3月份進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，7月份進(jìn)行分賽區(qū)競賽，8月份進(jìn)行全國總決賽。1.3章節(jié)總述本文共把章節(jié)安排如下：第1章引言，大賽背景介紹和章節(jié)總述。第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案，簡述了硬件電路設(shè)計(jì)、

12、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大體思路。第3章硬件電路設(shè)計(jì),詳細(xì)描述了硬件電路相關(guān)的包括單片機(jī)、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器、無線等各模塊的內(nèi)容。第4章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)整，詳細(xì)描述車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝方式。第5章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述軟件系統(tǒng)的理論分析與程序設(shè)計(jì)。第6章開發(fā)工具的使用和調(diào)試過程，主要介紹了codewarrior IDE作為系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境的使用以及調(diào)試的相關(guān)內(nèi)容。第7章總結(jié)與參數(shù)說明，總結(jié)了在本屆大賽當(dāng)中所取得的成績與不足之處，列出了車模的參數(shù)。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案本章節(jié)簡述硬件電路設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大體思路，后三章將對此進(jìn)行詳細(xì)說明。本組全車系統(tǒng)圖如圖2.1所

13、示。圖2.1全車系統(tǒng)圖2.1硬件電路設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的硬件電路板部分大體可概括為六個(gè)部分：(1) 單片機(jī)最小系統(tǒng)：由于大賽同校同組別不得使用相同單片機(jī)的規(guī)定，我們使用的是較少人使用過的32位的coldfireMCF52259單片機(jī)。這加大了我們的學(xué)習(xí)難度，但同時(shí)也讓我們收獲更多。ColdFire系列芯片不但具有微處理器的高速性，還具有微控制器的使用方便等特征。它具有豐富的資源，足以滿足小車控制的需求。(2) 電源模塊：我們使用的線性電源芯片為TPS7350與TPS7333,這兩種芯片電路簡單、紋波很小，適合我們使用。(3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片我們選用BTN7960，它是一款針對電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

14、的完全集成的大電流半橋芯片。(4)撥碼開關(guān)輸入模塊：我們在開關(guān)的選擇上選擇了8位撥碼開關(guān)，應(yīng)為8位開關(guān)可以儲(chǔ)存大量的數(shù)據(jù)，使得在比賽時(shí)我們小車有更多的方案進(jìn)行選擇，增加了對賽道的適應(yīng)性。(5) 直立控制陀螺儀與加速度計(jì)傳感器模塊：加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度。陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。我們使用了競賽允許選用的飛思卡爾公司產(chǎn)生的加速度傳感器和村田公司出品的ENC-03系列的加速度傳感器。(6) 編碼器測速模塊：我們所使用的D車車模有兩個(gè)電機(jī)，轉(zhuǎn)向時(shí)需要電子差速，因此我們的采用了兩路速度閉環(huán)控制，為每個(gè)輪子各安裝了一個(gè)編碼器進(jìn)行測速。(7) 循跡線性CCD

15、傳感器模塊：根據(jù)大賽的要求，跑道檢測傳感器我們選擇TSL1401線性CCD。(8) 無線調(diào)試模塊：我們使用的是一對XL02-232AP1無線模塊，其各項(xiàng)參數(shù)如：輸出功率、串口速率、工作頻率、產(chǎn)品ID等相關(guān)參數(shù)可以通過軟件設(shè)置，并且設(shè)置工作十分方便快捷，避免一些不必要的麻煩。2.2車模機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)對小車的影響很大，到小車速度快到一定程度之后，機(jī)械結(jié)構(gòu)的好壞往往是決定能否再提速的關(guān)鍵性因素。車模機(jī)械調(diào)整的目標(biāo)是讓整個(gè)小車系統(tǒng)的各個(gè)模塊及零部件合理地布局，并除掉不必要的部分，讓小車在整體上更加緊湊整潔輕便，利于提速。車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整大致分為以下幾個(gè)部分：（1）電路板安放：電路板根

16、據(jù)個(gè)人設(shè)計(jì)不同，可以是一整塊，也可以分成獨(dú)立幾塊，分開布局。電路板的安放位置對小車重心有較大影響。（2）電池的安放：電池的質(zhì)量占據(jù)了整個(gè)車模系統(tǒng)很大的比重，所以它的位置將很明顯地影響系統(tǒng)的重心位置。（3）傳感器的安裝：小車使用了控制直立的陀螺儀與加速度計(jì)傳感器、循跡的線性CCD傳感器、編碼器測速和檢測終點(diǎn)的紅外傳感器等較多模塊，每一種傳感器的安放水平都影響檢測到的數(shù)據(jù)，不可大意。（4）傳感器支架安裝：我們組小車使用了兩個(gè)線性CCD傳感器，故而對安裝的位置要求較高，安裝時(shí)要格外注意。（5）輪胎處理：小車高速跑是輪胎容易打滑，因此我們將輪胎與輪轂用膠水粘牢，防止打滑。（6）保護(hù)部分：小車在調(diào)試時(shí)常

17、常出錯(cuò)沖出賽道，為避免撞壞小車的精密部件，需對小車做好必要的保護(hù)處理，一般采用輕便的泡沫。對直立小車來說，車模機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整完成后，須考慮兩個(gè)因素，即車模質(zhì)量與車模重心。關(guān)于車模質(zhì)量：車模質(zhì)量越大則慣性也越大，小車系統(tǒng)對速度和轉(zhuǎn)向都要求很高的靈敏度和靈活度，從這個(gè)角度來說，小車應(yīng)該越輕越好。但由于本屆比賽光電平衡小車有過障礙的要求，較大的慣性可以保證車模更平穩(wěn)的過障礙。從這個(gè)角度來說，車模重一些好。因此要綜合兩方面考慮，給出合適質(zhì)量。我們小組選擇的方案是用較重的車模增加過障礙的平穩(wěn)度。關(guān)于車模重心：車模重心高有利于直立控制，重心低有利于速度控制。為了保證智能汽車在高速入彎時(shí)不發(fā)生側(cè)翻，重心越

18、低越好。所以，我們在安放主控電路板及電池的時(shí)候盡可能的低。2.3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案軟件的主要任務(wù)有以下幾個(gè)部分：1）ccd，加速度計(jì)，陀螺儀傳感器的采集、處理2）車?？刂疲褐绷⒖刂?、速度控制、方向控制3）電機(jī)輸出4）發(fā)送串口數(shù)據(jù)，供上位機(jī)監(jiān)控圖2.2 程序流程圖單片機(jī)上電后，便進(jìn)行單片機(jī)的初始化，包括單片機(jī)應(yīng)用到的各個(gè)模塊和車?？刂瞥绦蛑袘?yīng)用到的變量值。初始化完成后，首先進(jìn)入車模直立檢測子程序。該程序通過讀取加速度計(jì)和陀螺儀卡爾曼融合后的數(shù)值判斷車模的直立狀態(tài)。車模的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中斷程序中完成。第二章 硬件電路設(shè)計(jì)整體車子主要分為8個(gè)模塊：以ColdFire為核心的控制模

19、塊，電源模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，加速度計(jì)和陀螺儀模塊，尋跡線性CCD傳感器模塊，輸入模塊，無線傳輸模以及速度檢測模塊。其中以ColdFire為核心進(jìn)行整體車子的檢測與控制，使車可以正常運(yùn)行。圖3.1各模塊聯(lián)系圖3.1 ColdFire控制模塊3.1.1ColdFire MCF52259微控制器介紹整車以ColdFire MCF52259微控制器作為控制核心。ColdFire是Freescale公司在M68K基礎(chǔ)上開發(fā)的微處理器芯片。ColdFire系列芯片不僅具有片內(nèi)Cache、MAC及SDRAM控制器等微處理器的特征，同時(shí)片內(nèi)還具有各種接口模塊，如GPIO、QSPI、UART、快速以太網(wǎng)控制器及

20、USB，這是微控制器的特征。因此，ColdFire系列芯片不但具有微處理器的高速性，還具有微控制器的使用方便等特征。ColdFire系列芯片既支持BDM調(diào)試，也支持JTAG調(diào)試。到目前為止，ColdFire系列芯片已有近50種，適用于不同功能、不同應(yīng)用。圖3.2 ColdFire MCF52259實(shí)物圖3.1.2 ColdFire MCF52259單片機(jī)引腳分配MCF52259的管腳具體分配見圖3.3。圖3.3 MCF52259的管腳分配芯片的各硬件資源分配如表3.1所示。表3.1 單片機(jī)管腳資源分配表序號管腳功能作用1FEC_TXENI/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入2FEC_TXD0I/O引腳外部計(jì)

21、數(shù)器輸入3FEC_TXERI/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入4FEC_TXCLKI/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入5FEC_RXCLRI/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入6FEC_RXERI/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入7FEC_RXD0I/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入8FEC_RXDVI/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入9FEC_RXD2I/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入10FEC_RXD1I/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入11IRQ5I/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入12FEC_RXD3I/O引腳外部計(jì)數(shù)器輸入13TIN0PWM輸出驅(qū)動(dòng)BTS7960芯片14IRQ3I/O引腳使BTS7960工作16TIN1PWM輸出驅(qū)動(dòng)BTS7960芯片17UCTS0I/O引腳外部計(jì)數(shù)器清零1

22、9URXD0I/O引腳撥碼開關(guān)輸入20UTXD0I/O引腳撥碼開關(guān)輸入21TIN3I/O引腳撥碼開關(guān)輸入22URTS0I/O引腳撥碼開關(guān)輸入23PCS2I/O引腳撥碼開關(guān)輸入25QSDOI/O引腳撥碼開關(guān)輸入27PCS0I/O引腳撥碼開關(guān)輸入29SDAI/O引腳撥碼開關(guān)輸入313V3_E邏輯和I/O引腳的電源接電源323V3_E邏輯和I/O引腳的電源接電源34FEC_TXD2I/O引腳線性CCD復(fù)位控制38IRQ1I/O引腳線性CCD邏輯時(shí)鐘39URXD2I/O引腳線性CCD復(fù)位控制40UTXD2串口輸入引腳無線串口輸入42UCTS2I/O引腳線性CCD邏輯時(shí)鐘46ICOC0PWM輸出驅(qū)動(dòng)BT

23、S7960芯片49AN4AD轉(zhuǎn)換引腳水平陀螺儀輸入51AN6AD轉(zhuǎn)換引腳角加速度計(jì)Z軸輸入54AN2AD轉(zhuǎn)換引腳線性CCD輸入55AN1AD轉(zhuǎn)換引腳豎直陀螺儀輸入56AN0AD轉(zhuǎn)換引腳線性CCD輸入57TIN2PWM輸出驅(qū)動(dòng)BTS7960芯片62ICOC3內(nèi)部計(jì)數(shù)引腳編碼器輸入63GND邏輯和I/O引腳的參考地接地64GND邏輯和I/O引腳的參考地接地3.2電源模塊圖3.4 電源供電分配電源分為開關(guān)電源和線性電源，線性電源的電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，開關(guān)電源是指用于電壓調(diào)整的管子工作在飽和和截止區(qū)即開關(guān)狀態(tài)的。線性電源一般是將輸出電壓取樣然后與參考電壓。線性電源技術(shù)很成熟，制作成本較低，可

24、以達(dá)到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關(guān)電源具有的干擾與噪音。所以我們選擇了線性電源。我們使用的線性電源芯片為TPS7350與TPS7333,這兩種芯片電路簡單、紋波很小，適合我們使用。TPS73XX具有輸入電壓范圍大，過熱、過流及電壓反接保護(hù)，輸出電流為150mA時(shí)壓差小于0.1V等特點(diǎn),特別是當(dāng)其輸出電流為100mA時(shí),壓差僅僅為0.035V,如TPS7350可保證電池電壓在+5.33V+10V范圍內(nèi)變化時(shí),輸出穩(wěn)定的5V電壓,顯著的提高了電源的利用效率。其原理圖如圖3.5和3.6所示。圖3.5 TPS7350工作原理圖圖3.6 TPS7333工作原理圖3.3 加速度計(jì)和陀螺儀模塊由于

25、直立控制的需要，我們在智能車上安裝了陀螺儀和加速度計(jì)，我們分別使用了大賽組委會(huì)要求的日本村田公司生產(chǎn)的ENC-03MB陀螺儀和飛思卡爾公司生產(chǎn)的MMA7361加速度計(jì)。3.3.1 加速度速度傳感器加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度。競賽規(guī)則規(guī)定必須使用飛思卡爾公司產(chǎn)生的加速度傳感器。該系列的傳感器采用了半導(dǎo)體表面微機(jī)械加工和集成電路技術(shù)，傳感器體積小，重量輕。如圖3-7所示，它只需要測量其中一圖3.7 車模運(yùn)動(dòng)引起加速度信號變化個(gè)方向上的加速度值，就可以計(jì)算出車模傾角，比如使用Z軸方向上的加速度信號。車模直立時(shí)，固定加速度器在Z軸水平方向，此時(shí)輸出信號為零偏電壓信號。

26、當(dāng)車模發(fā)生傾斜時(shí)，重力加速度g便會(huì)在Z軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出電壓變化。3.3.2 陀螺儀陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。競賽允許選用村田公司出品的ENC-03系列的加速度傳感器。它利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會(huì)受到科里奧利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動(dòng)單元。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時(shí)會(huì)改變振動(dòng)頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。ENC-03角速度傳感器以及相關(guān)參考放大電路如圖3-8所示: 圖3.8 角速度傳感器以及參考放大電路在車模上安裝陀螺儀，可以測量車模傾斜角速度，將角速度信號進(jìn)行積分便可以得到車模的傾角。如圖3-9所示。圖3.9 角速度積分得到角度由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不

27、會(huì)受到車體運(yùn)動(dòng)的影響，因此該信號中噪聲很小車模的角度又是通過對角速度積分而得，這可進(jìn)一步平滑信號，從而使得角度信號更加穩(wěn)定。因此車?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號。為了得到比較準(zhǔn)的角度值，并且去掉陀螺儀的過沖于溫漂問題，我們采用將陀螺儀與角加速度計(jì)的信號采集進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行卡爾曼濾波的方法。對于卡爾曼會(huì)在后面詳細(xì)介紹。3.4 速度檢測模塊我們所使用的D車車模有兩個(gè)電機(jī)，轉(zhuǎn)向時(shí)需要電子差速，因此我們的采用了兩路速度閉環(huán)控制，為每個(gè)輪子各安裝了一個(gè)編碼器進(jìn)行測速。兩個(gè)編碼器都是NIDEC NEMICON公司的157線編碼器，采用5V供電，輸出為峰峰值為1V左右的正弦波，然后經(jīng)過一

28、個(gè)滯回比較器后成為幅值為5V的方波，再經(jīng)電阻分壓成3.3V信號輸入到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于為輸出數(shù)字脈沖信號，因此可以直接將這些脈沖信號連接到單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)器端口MCF52259的內(nèi)部只有一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器，所以必須要外接一個(gè)外部的脈沖計(jì)數(shù)器，我們采用的是74HC4040芯片以3.3V供電，12位計(jì)數(shù)器。其原理圖如圖3.10和3.11所示。圖3.10 編碼器及分壓工作原理圖圖3.11 外部計(jì)數(shù)器74HC4040工作原理圖3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3.5.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片我們選用BTS7960，它是一款針對電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的完全集成的大電流半橋芯片。它是NovalithICTM系列的成員之一，

29、它的一個(gè)封裝中集成了一個(gè)P通道場效應(yīng)管在上橋臂和一個(gè)N通道場效應(yīng)管在下橋臂以及一個(gè)控制集成電路。由于上橋臂采用的是P通道開關(guān)，對于電荷泵的需求也就不復(fù)存在了，因此電磁干擾減至了最小。由于集成在內(nèi)驅(qū)動(dòng)集成電路具有邏輯電平輸入，與微控制器的連接變得非常簡單，且該驅(qū)動(dòng)集成電路還具有電流檢測診斷、轉(zhuǎn)換率調(diào)整、死區(qū)時(shí)間生成以及過熱、過壓、欠壓、過流和短路保護(hù)。BTS7960在較小的電路板空間占用的情況下為大電流保護(hù)的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供了一種成本優(yōu)化的解決方案。由于直立車的兩個(gè)電機(jī)都需正反向控制，因此我們用的驅(qū)動(dòng)板共用4片BTS7960，兩兩組成了一個(gè)H橋，共兩個(gè)驅(qū)動(dòng)橋，分別驅(qū)動(dòng)左右電機(jī)。此芯片開關(guān)頻率可

30、以達(dá)到25kHZ，可以很好地解決電機(jī)噪聲大和發(fā)熱的問題、同時(shí)驅(qū)動(dòng)能力有了明顯的提高，相應(yīng)速度快。具體原理圖如圖3.12所示。圖3.12 BTS7960工作原理圖3.5.2電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型及控制方式的確定根據(jù)直流電機(jī)工作原理2，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢Ea與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系有：Ea=Cen=ken （1）對于永磁電機(jī)來說，每極磁通量可視為常數(shù)，所以公式1中電動(dòng)機(jī)電勢系數(shù)ke=Ce為常數(shù)，可在電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，通過編碼器測取電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速n 0和電壓U0求?。簁e=Ea0n0U0n0 （2）電動(dòng)機(jī)的電磁與電樞電流Ia之間的關(guān)系有：Tem=CTIa=kTIa （3）公式3中kT=602ke為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。Te

31、m=kTUd-kenRa （4）公式4中為PWM占空比；Ud為電源電壓。所以，本設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)，電流開環(huán)的控制方式，對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。3.5.3 主電路原理結(jié)構(gòu) 主電路由二片BTS7960B組成H橋電路驅(qū)動(dòng)永磁直流電機(jī)的主電路原理結(jié)構(gòu)圖如圖3.13所示。圖3.13主電路原理結(jié)構(gòu)圖圖3-13中，Ea為電機(jī)反電動(dòng)勢；La為電機(jī)線圖電感；Ra為回路電阻，包括電機(jī)線圖電阻、電機(jī)換向器等效電阻和BTS7960B的通態(tài)電阻Ron，三者組成永磁直流電機(jī)的等值電路模型。Ua為電機(jī)端電壓平均值，其瞬時(shí)值為ua；Ia為電機(jī)端電流平均值，其瞬時(shí)值為ia。BTS7960B由一片P-MOSFET（上橋臂）和一片N-

32、MOSFET（下橋臂）構(gòu)成，帶電流檢測、死區(qū)時(shí)間設(shè)定等功能，其基本功能框圖如圖3.14所示。圖3.14 BTS7960B基本功能框圖圖3-14中BTS7960B的上下橋臂互補(bǔ)方式工作，Uout與Uin的控制邏輯如圖3-15所示。通態(tài)電阻Ron=100m，上下橋臂的死區(qū)時(shí)間td可由SR腳設(shè)定，本設(shè)計(jì)設(shè)定為td=2.4s。圖3.15 BTS7960B的控制邏輯 主電路中V1、V2為一片BTS7960B的上下橋臂（含寄生反向二極管），由PWMR+控制；V3、V4為另一片BTS7960B的上下橋臂，由PWMR-控制。3.5.4主電路工作原理分析電路采用單極性工作方式，當(dāng)電機(jī)需要正向電壓時(shí)，PWMR-置

33、“0”，V4常開，V3常閉。 由PWMR+控制電機(jī)電壓，驅(qū)動(dòng)電路簡化為如圖3.16所示。圖3.16正向驅(qū)動(dòng)簡化電路圖當(dāng)PWMR+=“1”時(shí)，V1開通，V2關(guān)斷，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)兩端，有Ua=Ud=7.2V。圖3.17正向驅(qū)動(dòng)PWMR+=“1”時(shí)的簡化電路圖此時(shí)的電壓回路方程為：Ud=iaRa+Ladiadt+Ea （5）當(dāng)PWMR+=“0”時(shí)，V2開通，V1關(guān)斷，電機(jī)兩端被短路， ua=0V。圖3.18正向驅(qū)動(dòng)PWMR+=“0”時(shí)的簡化電路圖此時(shí)的電壓加路方程為：0=iaRa+Ldiadt+Ea （6）所以，電機(jī)端電壓平均值為Ua=Ud （7）公式8中為PWMR+的占空比。由于電路相當(dāng)于電流

34、可逆型復(fù)合斬波器3，所以電流連續(xù)，在電機(jī)電流的平均值為：Ia=Ua-EaRa （8）當(dāng)Ua=Ud>Ea , Ia>0 , Tem>0電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)Ua=Ud<Ea , Ia<0 , Tem<0電動(dòng)機(jī)為制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)減速。3.5.5 制動(dòng)能量回饋及電路抗干擾設(shè)計(jì)要點(diǎn)當(dāng)電機(jī)需要減速，可減小，使Ua=Ud<Ea , Ia<0 , Tem<0電動(dòng)機(jī)為制動(dòng)狀態(tài)?？紤]到能耗問題，有必要能量回饋，本設(shè)計(jì)采用的主電路有利于能量制動(dòng)回饋，從以下電流途徑分析可得到驗(yàn)證。電動(dòng)機(jī)工作于制動(dòng)狀態(tài)，V1開通前，由于電感正向儲(chǔ)能不足，在電機(jī)反電動(dòng)勢Ea的作用下，瞬

35、時(shí)電流ia為負(fù)，電感反向儲(chǔ)能，電流途徑如圖3-19所示。圖3.19電流途徑1：Ea放能、La反向儲(chǔ)能此時(shí)V1開通，V2關(guān)斷，反向電流無法經(jīng)V2流通，雖有Ua=Ud，在Ladiadt(<0)和Ea的共同作用下，電流將從V1反向寄生二極管流通，回饋到電源電容器，電流途徑如圖3.20所示。圖3.20電流途徑2：Ea放能、La放能、電源能量回饋在瞬時(shí)電流ia由負(fù)變?yōu)榱?，電感La儲(chǔ)能為零，電流ia才變?yōu)檎?，從電源吸收電能，電?dòng)機(jī)瞬時(shí)為電動(dòng)狀態(tài)，電流途徑如圖3.21所示。圖3.21電流途徑3：電源放能、La正向儲(chǔ)能、Ea吸能轉(zhuǎn)換到V2開通， V1關(guān)斷時(shí)，同樣由于電感La儲(chǔ)能的作用，瞬時(shí)電流ia不能

36、立即改變方向，電流將從V2反向寄生二極管流通，電流途徑如圖3.22所示。圖3.22電流途徑4：La放能、Ea吸能瞬時(shí)電流ia為零時(shí)，才在電機(jī)反電動(dòng)勢Ea的作用下，瞬時(shí)電流ia為負(fù)，循環(huán)到電流途徑1。在電流絕對值較大時(shí)，電感La儲(chǔ)能較大，可能不會(huì)出現(xiàn)電流途徑3和4，這樣純粹能量回饋。實(shí)際電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)也可能出現(xiàn)上述四種途徑，關(guān)鍵是在一個(gè)PWM周期內(nèi)能量流向。當(dāng)平均電流Ia<0時(shí)，能量回饋為主，有利于小車工作。另一方面，電機(jī)工作電流相對較大，并且頻率較高，容易產(chǎn)生電磁干擾，影響小車正常工作，所以PCB布線時(shí)，應(yīng)盡量合四種電流途徑布線短、少成回路、阻抗小。3.6無線傳輸模塊為了實(shí)時(shí)掌握車子運(yùn)行狀

37、況，方便及時(shí)的調(diào)整車內(nèi)運(yùn)行參數(shù)，我們使用了無線模塊，實(shí)時(shí)的傳回?cái)?shù)據(jù)到上位機(jī)，供我們分析。我們使用的是一對XL02-232AP1無線模塊，其各項(xiàng)參數(shù)如：輸出功率、串口速率、工作頻率、產(chǎn)品ID等相關(guān)參數(shù)可以通過軟件設(shè)置，并且設(shè)置工作十分方便快捷，避免一些不必要的麻煩。3.7輸入模塊由于比賽期間是不能燒寫程序的，如果一些參數(shù)要?jiǎng)e動(dòng)就要靠開關(guān)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。我們在開關(guān)的選擇上選擇了8位撥碼開關(guān)，應(yīng)為8位開關(guān)可以儲(chǔ)存大量的數(shù)據(jù)，使得在比賽時(shí)我們小車有更多的方案進(jìn)行選擇，增加了對賽道的適應(yīng)性。具體原理圖如圖3.23所示。圖3.23編碼器工作原理圖3.8尋跡線性CCD傳感器3.8.1 線性CCD原理根據(jù)大賽的要

38、求，跑到檢測傳感器我們選擇TSL1401線性CCD。該傳感器是包含128個(gè)光電二極管的線性陣列。在光電二極管的光能量沖擊下產(chǎn)生的光電流，這是由有源積分電路，與該象素相關(guān)的集成。在積分周期期間，采樣電容器連接到積分器的輸出通過一個(gè)模擬切換。在每個(gè)像素中累積的電荷量是和光強(qiáng)度和積分時(shí)間成正比的。 積分器的輸出和復(fù)位控制由一個(gè)128位的移位寄存器和復(fù)位邏輯控制的。輸出周期是一個(gè)邏輯時(shí)鐘SI =1時(shí)。對于正確的操作的最小保持時(shí)間條件滿足后，SI在時(shí)鐘的下一個(gè)上升沿之前必須變低。一個(gè)內(nèi)部信號，稱之為Hold，是在像素電路中，產(chǎn)生于SI的上升沿，然后發(fā)送給模擬開關(guān)。這會(huì)導(dǎo)致所有128個(gè)采樣電容被切斷，并啟

39、動(dòng)一個(gè)積分器復(fù)位期間。由于SI脈沖是主頻通過移位寄存器，存儲(chǔ)在采樣電容器的電荷被順序地連接到一個(gè)電荷耦合輸出放大器上產(chǎn)生一個(gè)電壓，模擬輸出AO。同時(shí)，在第一個(gè)18個(gè)時(shí)鐘周期，所有的像素集成復(fù)位，下一個(gè)集成從19時(shí)鐘周期開始。在第129時(shí)鐘上升沿，SI脈沖同步輸出的移位寄存器和模擬量輸出AO假設(shè)高阻抗?fàn)顟B(tài)。請注意，這個(gè)第129的時(shí)鐘脈沖被要求終止第128像素的輸出，以及返回的內(nèi)在邏輯到一個(gè)已知的狀態(tài)。如果需要一個(gè)最低的積分時(shí)間，那么下一個(gè)SI脈沖可以是在第129個(gè)時(shí)鐘脈沖后的一個(gè)最小延遲時(shí)間的TQT（像素電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間）后出現(xiàn)。 AO型運(yùn)算放大器的輸出，不需要一個(gè)外部下拉電阻。這種設(shè)計(jì)允許軌至軌輸

40、出電壓擺幅。 VDD= 5 V時(shí)，沒有光輸入時(shí)輸出是0 V，正常的白電平為2 V，4.8 V為飽和光照水平。當(dāng)設(shè)備未在輸出信號的相位，AO是在一個(gè)高阻抗?fàn)顟B(tài)。模擬輸出（AO）的電壓由公式9給出。 Vout=Vdrk+Re*Ee*Tint （9）其中，Vout是為白色狀態(tài)的模擬輸出電壓，Vdrk是黑暗條件下的模擬輸出電壓，Re是對于給定的V /中給出的光的波長（J/cm2設(shè)備響應(yīng)），Ee是在W/cm2的事件輻照，Tint是集成在幾秒鐘的時(shí)間。3.8.2 環(huán)境光影響問題試驗(yàn)表明TSL1401線性CCD的輸出信號和環(huán)境光線密切相關(guān)，在自然光條件比晚上燈光下AO引腳輸出電壓值高出很多，正對著光線比背著

41、光線輸出電壓高，白熾燈光下比日光燈下輸出電壓高。因此，同一參數(shù)（曝光時(shí)間、鏡頭光圈）難以適應(yīng)各種環(huán)境，在光線較弱環(huán)境下的參數(shù)在強(qiáng)光下會(huì)出現(xiàn)輸出飽和，在較強(qiáng)光線下調(diào)節(jié)好的參數(shù)在弱光下輸出電壓過低，甚至處于截止?fàn)顟B(tài)。在智能車應(yīng)用中，白天自然光環(huán)境和晚上燈光環(huán)境、正對光和背光、不同的比賽場地之間都不能采用相同的曝光參數(shù)。與輸出電壓密切相關(guān)的參數(shù)是曝光量，曝光量取決于CCD模塊所采用的鏡頭光圈大小和程序所控制的曝光時(shí)間。由于鏡頭光圈大小難以調(diào)節(jié)，所以設(shè)置CCD程序所控制的曝光時(shí)間是使得CCD能正常工作的關(guān)鍵。3.8.3輸出信號放大根據(jù)上一章所述，可以通過調(diào)整曝光時(shí)間來適應(yīng)各種環(huán)境，在弱光環(huán)境增大曝光時(shí)

42、間，在強(qiáng)光下減小曝光時(shí)間。但是曝光時(shí)間不能無限增大的，因?yàn)樵龃笃毓鈺r(shí)間勢必降低采樣率（每秒采樣次數(shù)）采樣率低控制周期就長，智能車反應(yīng)就慢。根據(jù)歷屆攝像頭車參賽經(jīng)驗(yàn)，1米的前瞻，3.5m/s的速度情況下，控制周期不得高于20ms（采樣率不得低于50Hz），否則智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)反應(yīng)再快也無法很好跟隨賽道而沖出賽道?？刂浦芷诓桓哂?0ms就意味著曝光時(shí)間不能超過20ms。試驗(yàn)時(shí)，我們將TSL1401線性CCD曝光時(shí)間調(diào)整到20ms（采用周期20ms），分別在強(qiáng)光、弱光、燈光不同環(huán)境進(jìn)行采用，采樣數(shù)據(jù)表明環(huán)境光線較弱時(shí)CCD輸出信號較低，以致賽道黑線信息不夠明顯，晚上日光燈環(huán)境下輸出信號電壓值更低，幾乎

43、接近0，根本無法辨別賽道信息！由于智能車制作和調(diào)試很大部分時(shí)間都是在晚上，因此必須在不降低采樣率的情況下，增大晚上弱光環(huán)境下線性CCD的輸出電壓。要增大輸出電壓，簡單有效的方法就是放大輸出信號，我們可以采用運(yùn)放來放大AO輸出信號。藍(lán)宙電子實(shí)踐表明增大運(yùn)放能非常有效的解決弱光時(shí)輸出電壓低問題，在晚上環(huán)境同樣能達(dá)到50Hz的采樣率，這是無運(yùn)放的線性CCD無法達(dá)到的。為了能保證輸出電壓在合理范圍（不飽和、不截止、能分辨賽道黑線），需要根據(jù)選定的鏡頭確定運(yùn)放放大倍數(shù)。我們選用的是藍(lán)宙電子線性CCD模塊，其放大電路如圖3.24所示。圖3.24 放大電路工作原理圖其中運(yùn)放放大倍數(shù)A = 1+R5/R4，此

44、電路中A = 11，也就是對TSL1401的AO信號進(jìn)行11倍放大。3.8.4 線性CCD個(gè)數(shù)選擇對于線性CCD的個(gè)數(shù)選擇，有好幾種方案，不過大賽規(guī)定線性CCD個(gè)數(shù)不得超過3個(gè)，所以這也使得方案有所限制。我們在考慮的有兩種方案，一種是一個(gè)CCD直接檢測兩條黑線，另一種是由兩個(gè)CCD分別檢測跑道的一條黑線。由于線性CCD采集的數(shù)據(jù)兩端的線性度沒有中間的高。并且如果使用一個(gè)CCD，為使CCD看到整個(gè)跑道，CCD必須架高，導(dǎo)致車子的整體重心提高，對于小車穩(wěn)定的運(yùn)行有所影響，所以我們選用雙CCD的方案。雙CCD檢測時(shí)每個(gè)CCD只負(fù)責(zé)一條黑線，所以黑線的檢測位置可以是在CCD線性度比較高的位置進(jìn)行采集，

45、增加傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，并且有兩個(gè)CCD使得可以測得的寬度增加，CCD的不用架的很高，車子的整體重心降低，有利于小車穩(wěn)定運(yùn)行。所以我們采用的是雙CCD的方案，不過在安裝的時(shí)候要注意兩個(gè)CCD的前瞻要基本保持一樣，否則會(huì)導(dǎo)致賽道識別有誤。第四章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)整圖4.1 D型車模本屆比賽光電組使用D型車模。車模采用直立方式前行，利用雙電機(jī)的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)電子差速，完成轉(zhuǎn)向等任務(wù)。由于直立車的特殊性不能快速的加減速導(dǎo)致算法上不能有很大的改進(jìn)，提高速度主要是通過改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)這種方式。因此我們在機(jī)械上下了很多功夫，進(jìn)行了很多項(xiàng)改進(jìn)。4.1全車總覽整車安裝如下三張圖所示。圖4.3 車模正面圖4.2 車模

46、背面圖4.4 車模俯視圖4.2電路板安放位置為降低重心，我們的板子采用傾斜固定的方式圖4.5 電路板放置位置4.3輪胎處理在高速狀態(tài)下，車子過彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，這個(gè)力會(huì)使輪胎從輪轂中滑出，影響車子穩(wěn)定行進(jìn)，而且某些情況下輪胎與輪轂打滑，使電機(jī)輸出的動(dòng)力無法全部傳到輪胎上，致使小車沖出賽道。因此，我們將輪胎與輪轂用膠水粘牢，防止打滑。圖4.6 電池放置位置4.4電池安放位置電池是占小車車重的主要部件，他的安裝對重心的影響極大，車模重心太高在高速時(shí)會(huì)導(dǎo)致了側(cè)翻，降低重心能增加過彎的穩(wěn)定性。但是因此電機(jī)要付出更大的PWM占空比來穩(wěn)定直立，消耗更多電量，縮短電池使用時(shí)間。但為穩(wěn)定性考慮，我們還是

47、適當(dāng)降低了電池位置。4.5傳感器的固定4.5.1陀螺儀與加速度計(jì)傳感器我們的車模共用到兩個(gè)陀螺儀，分別是水平陀螺儀與豎直陀螺儀，其中水平陀螺儀與加速度計(jì)為一購買的合成模塊，用于直立傾角與角速度的反饋。如圖4.7所示。豎直陀螺儀用于轉(zhuǎn)向檢測，如圖4.8所示。圖4.8 豎直陀螺儀圖4.7 陀螺儀加速度計(jì)模塊為了保證車子轉(zhuǎn)向的對稱性，直立的陀螺儀要保證在車子中心，而且要安裝水平，這樣可以避免轉(zhuǎn)彎時(shí)引入的水平分量。同時(shí)我們使用的是加速度計(jì)指向地面的Z軸。車模傾角在兩個(gè)角度位置過渡，看到除了角度變化信號之外，還存在由于運(yùn)動(dòng)引起的電壓波動(dòng)，這個(gè)電壓波動(dòng)隨著車模運(yùn)動(dòng)速度增加會(huì)變得很大。為了減少運(yùn)動(dòng)引起的干擾

48、，加速度傳感器安裝的高度越低越好。因此我們將水平陀螺儀與加速度計(jì)放到了較低的位置。豎直陀螺儀只要保證垂直即可，因此安裝在了安裝方便的高處。圖4.9水平陀螺儀位置圖4.10陀螺儀加速度計(jì)模塊位置4.5.2線性CCD傳感器我們嘗試了兩種方案，一種是一個(gè)CCD直接檢測兩條黑線，另一種是由兩個(gè)CCD分別檢測跑道的一條黑線。由于線性CCD采集的數(shù)據(jù)兩端的線性度沒有中間的高。并且如果使用一個(gè)CCD，為使CCD看到整個(gè)跑道，CCD必須架高，導(dǎo)致車子的整體重心提高，對于小車穩(wěn)定的運(yùn)行有所影響，所以我們選用雙CCD的方案。圖4.11 線性ccd安裝位置左右平行的雙CCD在安裝上難度較大，不僅要保證兩個(gè)CCD的前

49、瞻一致，也要保證兩個(gè)CCD在左右兩方向的對稱。我們先調(diào)整了左右的對稱情況，在車頂打上硅膠固定碳素桿后，我們再對兩個(gè)CCD的前瞻進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保前瞻相同之后給CCD與碳素桿打上硅膠，這樣以后再調(diào)前瞻時(shí)能做到同時(shí)調(diào)整兩個(gè)CCD前瞻。4.5.3編碼器我們所使用的D車車模有兩個(gè)電機(jī)，轉(zhuǎn)向時(shí)需要電子差速，因此我們的采用了兩路速度閉環(huán)控制，為每個(gè)輪子各安裝了一個(gè)編碼器進(jìn)行測速。兩個(gè)編碼器都是NIDEC NEMICON公司的157線編碼器。圖4.12 編碼器安裝位置4.6傳感器支架安裝為減輕重量，我們選用了輕質(zhì)的碳素桿。我們使用了兩條水平安裝碳素桿分別用作固定和調(diào)前瞻用，一條垂直碳素桿用以做檢測對稱的標(biāo)桿和調(diào)

50、整前瞻的參照物。如4.4.2圖所示4.7保護(hù)小車在調(diào)試時(shí)常常出錯(cuò)沖出賽道，為避免撞壞小車的精密部件，需對小車做好必要的保護(hù)處理，一般采用輕便的泡沫。第五章 軟件設(shè)計(jì)5.1 mcf52259資源簡介MCF52259主要特性：ColdFire V2 32位內(nèi)核；主頻80MHz；片內(nèi)512K Flash ROM；片內(nèi)64K SRAM l 一個(gè)快速以太網(wǎng)控制器模塊（FEC），可用于以太網(wǎng)應(yīng)用 l 一個(gè)USB On-The-Go (USBOTG)，可作為USB主機(jī)或設(shè)備l 一個(gè)靈活的CAN總線模塊（FlexCAN）l 3個(gè)異步串口模塊（UART）；2個(gè)IIC模塊（I2C）；隊(duì)列型SPI模塊（QSPI）l

51、 8通道12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）；4通道直接存取訪問模塊（4 channel DMA）；4個(gè)32位支持DMA的輸入捕獲/輸出比較定時(shí)器(DTIM)；4通道通用定時(shí)器，可以配置成輸入捕獲，輸出比較，脈沖寬度調(diào)制（PWM），脈沖編碼器（PCM），脈沖計(jì)數(shù)器l 8通道/4通道，8位/16位脈沖調(diào)制模塊（PWM）l 2個(gè)16位周期中斷定時(shí)器（PIT）；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊（RTC）l 可編程的軟件看門狗模塊 l 57個(gè)外設(shè)中斷源l 內(nèi)部集成鎖相環(huán)，可將外部8M晶振時(shí)鐘倍頻到80M系統(tǒng)時(shí)鐘l BDM或JTAG調(diào)試方式在軟件設(shè)計(jì)中，共用到了PWM模塊，IO模塊，GPT計(jì)數(shù)模塊，ADC模塊,PIT模塊,UART

52、模塊等6個(gè)模塊。表5.1模塊對應(yīng)功能IO模塊獲取外部計(jì)數(shù)狀態(tài)，獲取撥碼開關(guān)狀態(tài)等GPT計(jì)數(shù)模塊編碼器脈沖計(jì)數(shù)ADC模塊檢測CCD，加速度計(jì)，陀螺儀電壓PIT模塊產(chǎn)生1ms中斷定時(shí)UART模塊串口發(fā)送PWM模塊控制電機(jī)輸出5.2 軟件任務(wù)及框架5.2.1 軟件的主要任務(wù)1）ccd，加速度計(jì)，陀螺儀傳感器的采集、處理2）車?？刂疲褐绷⒖刂啤⑺俣瓤刂?、方向控制3）電機(jī)輸出4）發(fā)送串口數(shù)據(jù)，供上位機(jī)監(jiān)控5.2.2 程序框架圖5.1 主程序框圖打開電源開關(guān)，單片機(jī)上電，便進(jìn)行單片機(jī)的初始化，包括單片機(jī)應(yīng)用到的各個(gè)模塊和車?？刂瞥绦蛑袘?yīng)用到的變量值。初始化完成后，首先進(jìn)入車模直立檢測子程序。該程序通過讀取

53、加速度計(jì)和陀螺儀卡爾曼融合后的數(shù)值判斷車模的直立狀態(tài)。接下來，車模的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中斷程序中完成。中斷程序框圖如圖5.2所示。圖5.2 中斷服務(wù)圖5.2中，使用PIT定時(shí)器，產(chǎn)生一毫秒的周期中斷。中斷服務(wù)程序的任務(wù)被均勻分配在13的中斷片段中。因此每個(gè)中斷片段中的任務(wù)執(zhí)行的周期為3毫秒。特別注意的是，在每個(gè)1毫秒中斷的開始都會(huì)進(jìn)行ccd循跡算法。將任務(wù)分配到不同的中斷片段中，一方面防止這些任務(wù)累積執(zhí)行時(shí)間超過1毫秒，擾亂一毫秒中斷的時(shí)序，同時(shí)也考慮到這些任務(wù)之間的時(shí)間先后順序。這些任務(wù)包括：1）直立控制過程。包括AD采集，卡爾曼融合，車模角度計(jì)算、直立控制計(jì)算、電機(jī)PWM輸出等。2）方向控制：在這個(gè)時(shí)間片段中，進(jìn)行1-3計(jì)數(shù)。在其中第1片段中，進(jìn)行方向PD調(diào)節(jié)。所以，方向控制的實(shí)際周期為9ms。3）速度控制：在這個(gè)時(shí)間片段中，又進(jìn)行1-33計(jì)數(shù)。在其中第1片段中，進(jìn)行速度PID調(diào)節(jié)。所以，速度控制的實(shí)際周期為99ms。5.3 控制算法5.3.1 PID控制算法PID 控制是工業(yè)過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@種控制方式具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等一系列的優(yōu)點(diǎn)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比