電磁組廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院電磁組自強隊技術(shù)報告

1、第七屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告學(xué)校：廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院隊伍名稱：自強隊參賽隊員：徐杰生曾海涵王明南帶隊老師：康愷吳天寶關(guān)于技術(shù)報告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第七屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽關(guān)保留、使用技術(shù)報告和研究論文的規(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)計方案、技術(shù)報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出版論文集中。參賽隊員簽名：徐杰生 曾海涵 王明南帶隊教師簽名：康愷 吳天寶日 期：2012-8-14摘要本文介紹一套直立智能車速度磁導(dǎo)航的設(shè)計,該智能車以C

2、OLDFIRE MCF52259作為整個系統(tǒng)信息處理和控制的核心。該系統(tǒng)通過3個方面進行控制。由陀螺儀ENC-03MB和加速度計MMA7361車體在直立過程中的信息，通過PID控制對智能小車直立進行控制；速度控制是由2個編碼器對電機兩端進行測速，將測得的速度與給定的速度進行PID速度閉環(huán)控制；由互感線圈采集賽道信息，得到多個互感線圈的信息值，通過PID的控制起到尋線方向控制。關(guān)鍵詞：COLDFIREMCF52259 PID 直立 速度 尋線方向目錄第一章、引言. .1 1.1概述. .1 1.2整車設(shè)計思路. .1第二章、直立尋線小車的原理.2 2.1直立尋線小車的原理. .2 2.2速度控制

3、原理. .62.3車模方向控制原理. .7第三章、電路設(shè)計. .73.1傳感器的電路設(shè)計. .73.1.1尋線互感運放電路. .83.1.2陀螺儀和加速度傳感器電路. .83.2電源電路模塊. . 8第四章、傳感器安裝及機械設(shè)計. .94.1電桿的固定. . .94.2電路板的固定. .104.3輪胎的改進. . .104.4底盤的加固. . .104.5車子布局. . . .114.6電機保護. . . .11第五章、軟件處理及控制算法. .11參考文獻. .11附錄. .第一章、引言1.1概述“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽是由教育部高等自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦的一項以智能汽車為

4、研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實踐活動，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，鼓勵探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(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)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該競賽以汽車電子為背景，涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多個學(xué)科的科技創(chuàng)意性比賽。比賽要求在大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模，我們選擇了飛思卡爾32位微控制器COLDFIREMCF52259作為核心

5、控制單元的基礎(chǔ)上，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計，包括傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機驅(qū)動等，最終實現(xiàn)能夠自主識別路線，并且可以實時輸出車體狀態(tài)的智能車控制硬件系統(tǒng)。我們從一月份開始經(jīng)過接近7個月的制作與調(diào)試，終于完成了目前的直立智能小車的制作。期間我們合作共勉，學(xué)習(xí)開發(fā)調(diào)試軟件的使用、主控芯片控制、控制原理、編程語言等方面的知識，在對機械進行了調(diào)整的基礎(chǔ)上，對小車軟件進行調(diào)試，在發(fā)現(xiàn)問題后努力解決問題，進一步優(yōu)化智能小車的機械、軟件、和傳感器的方案。1.2整車設(shè)計思路本車是主要運用COLDFIRE MUF52259為處理核心，本次競賽中要求小車直立尋線走，直立、速度、方向控制對應(yīng)同一

6、個執(zhí)行器（電機），要進行不同的控制，達到盡量解耦控制的效果。首先通過陀螺儀、加速度計傳感器的信息處理輸出相應(yīng)的PWM波驅(qū)動電機，起到直立的效果。本次競賽對速度和方向的要求非常高，所以我們用了左右兩個編碼器對左右輪進行測速，將得到的值與我們給定的速度進行比較，用過PID的簡單閉環(huán)控制達到近似勻速的效果，在方向方面我們通過兩個電感進行一字型擺放，通過兩電感的值通過簡單的模糊控制，實現(xiàn)尋線的效果。具體的設(shè)計思路如下圖1.1。ENC-03MB 陀螺儀電磁線檢測 AD*2電源3.3V供電速度檢測 編碼器*2MMA7361加速度計驅(qū)動電路BTS7960COLD FIRE 圖1.1設(shè)計思路框圖 第二章、直立

7、尋線小車的原理2.1直立原理 車模直立是通過負反饋實現(xiàn)的。因為車模有兩個輪子著地，因此車體只會在輪子滾動的方向上發(fā)生傾斜?？刂戚喿愚D(zhuǎn)動，抵消傾斜的趨勢便可以保持車體直立了。如圖下2.1所示。 圖2.1通過車輪運動控制保持車體直立要將車子最后保持平穩(wěn)，一般都是建立車模的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，通過設(shè)計最優(yōu)控制來保證車模的穩(wěn)定。為了使得同學(xué)們能夠比較清楚理解其中的物理過程。我們通過對比單擺模型來說明保持車模穩(wěn)定的控制規(guī)律。重力場中使用細線懸掛著重物經(jīng)過簡化便形成理想化的單擺模型。直立著的車模可以看成放置在可以左右移動平臺上的倒立著的單擺。如圖2.2所示。圖2.2車模簡化的倒立擺模型普通的單擺受力分

8、析如圖2.3所示。圖2.3普通的單擺受力分析倒立擺之所以不能象單擺一樣可以穩(wěn)定在垂直位置，就是因為在它偏離平衡位置的時候，所受到的回復(fù)力與位移方向相同，而不是相反！因此，倒立擺便會加速偏離垂直位置，直到倒下。在控制車模的直立的過程中，控制倒立擺底部車輪，使得它作加速運動。這樣站在小車上（非慣性系）看倒立擺，它就會受到額外的力(慣性力)，該力與車輪的加速度方向相反，大小成正比。這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為 2-1式式中，由于很小，所以進行了線性化。假設(shè)負反饋控制是車輪加速度與偏角a成正比，比例為。如果比例，（是重力加速度）那么回復(fù)力的方向便于位移方向相反了。按照上面的控制方法，可把倒立擺模型變?yōu)閱?/p>

9、擺模型，能夠穩(wěn)定在垂直位置。因此，可得控制車輪加速度的控制算法 （2-3） 式中，為車模傾角；為角速度；k1、k2均為比例系數(shù)；兩項相加后作為車輪加速度的控制量。只要保證在k1g， k20條件下，可以使得車模像單擺一樣維持在直立狀態(tài)。其中有兩個控制參數(shù)k1,k2，k1決定了車模是否能夠穩(wěn)定到垂直平衡位置，它必須大于重力加速度；k2決定了車?；氐酱怪蔽恢玫淖枘嵯禂?shù)，選取合適的阻尼系數(shù)可以保證車模盡快穩(wěn)定在垂直位置假設(shè)倒立車模簡化成高度為L，質(zhì)量為m的簡單倒立擺，它放置在可以左右移動的車輪上。假設(shè)外力干擾引起車模產(chǎn)生角加速度x(t)。沿著垂直于車模地盤方向進行受力分析，可以得到車模傾角與車輪運動加

10、速度a(t)以及外力干擾加速度x(t)之間的運動方程。運動方程圖如下2.3所示。圖2.3車模運動方程對應(yīng)車模靜止時，系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)為： ，此時兩極點為。一個極點位于s平面的右半平面，因此車模不穩(wěn)定。車模引入比例、微分反饋之后的系統(tǒng)如下圖所示：系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：，此時兩個系統(tǒng)極點位于：系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個極點都位于s平面的左半平面。要滿足這一點，需要k1g， k20.所以我們給直立控制用簡單的PD值控制只能小車的平衡。2.2速度控制原理對于直立車模速度的控制相對于普通車模的速度控制則比較復(fù)雜。由于在速度控制過程中需要始終保持車模的平衡，因此車模速度控制不能夠直接通過改變電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。直立控制

11、和速度控制有耦合的關(guān)系。我們利用控制單片機的計數(shù)器測量在固定時間間隔內(nèi)速度脈沖信號的個數(shù)可以反映電機的轉(zhuǎn)速。我們假設(shè)直立的階段我們是以某一個角度穩(wěn)定的，車模角度控制規(guī)律可以看出車模傾角設(shè)定量與車模傾角變化之間大體呈現(xiàn)一個一階慣性環(huán)節(jié) 做簡化假設(shè)如下：車模角度在直立控制下簡化成一個一階過渡過程。（2）車模傾角是由車輪運動產(chǎn)生，因此車輪速度是傾角變量求導(dǎo)再乘以車模長度。忽略車模傾角引起車輪加速度。由于這個討論僅對控制一開始短暫的過渡階段而言，此時由于車模傾角比較小，引起速度變化很小。系統(tǒng)只進行速度比例負反饋。簡化模型如下圖2.4所示:圖2.4車模傾角控制分析 有得到的式子中可以看出為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定

12、，往往取的車模傾角控制時間常數(shù)Tz很大。這樣便會引起系統(tǒng)產(chǎn)生兩個共軛極點，而且極點的實部變得很小，使得系統(tǒng)的速度控制會產(chǎn)生的震蕩現(xiàn)象。所以在控制反饋中增加速度微分控制。2.3車模方向控制原理實現(xiàn)車模方向控制是保證車模沿著競賽道路比賽的關(guān)鍵。直立車模所在的電磁組的道路中心線鋪設(shè)有一根漆包線，里面通有100mA的20kHz交變電流。因此在道路中心線周圍產(chǎn)生一個交變磁場。通過道路電磁中心線偏差檢測與電機差動控制實現(xiàn)方向控制，從而進一步保證車模在賽道上。 我們用電感和電容的互感采集10mA的20KHz的交變電流導(dǎo)線的信號通過兩個互感電容的信號差動，在車模直立控制和速度控制的基礎(chǔ)上給電機左右輪差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)

13、向的效果。具體控制框圖如下2.5所示：圖2.5 通過電機驅(qū)動差動電壓控制車模方向 我們通過官方給的文檔只給了比例控制的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)速度超過一定值的時候，很容易出現(xiàn)震蕩丟線的現(xiàn)象，所以在此基礎(chǔ)上我們加了適當(dāng)?shù)姆e分常數(shù)，這樣能夠在速度高速時，即使的提前控制，起到控制優(yōu)化的效果。第三章、電路設(shè)計3.1傳感器的電路設(shè)計3.1.1尋線互感運放電路 我們通過同10mh的電感和6800pf的電容互感經(jīng)過下面的運放電路如下圖3.1所示： 圖3.1 電感運放電路 同過AD620對互感得到的小信號進行放大濾波后，采集的AD值傳入單片機的AD口。 3.1.2陀螺儀和加速度傳感器電路 陀螺儀電路信號放大電路如下圖3

14、.2所示：圖3.2陀螺儀運放電路圖 其中圖中的RW電阻大小能取到對陀螺儀信號放倍數(shù)的調(diào)整。R1和R4接上拉和下拉，使得陀螺儀本身輸出的差值變到0.10.2V再經(jīng)過運放能過得到較為線性的AD值。加速度計我們使用龍丘出產(chǎn)的MMA7361模塊。電路圖如3.3下所示：圖3.3加速度MMA7361電路圖3.2電源電路模塊 我們使用的電源模塊電路圖如3.4所示：圖3.4電源電路其中電源模塊中，+3.3V是直接給陀螺儀、加速度計、和單片機供電用，+5V和-5V給運放模塊正負電源供電所用。3.3驅(qū)動電路模塊 我們使用BTS7960作為我們的驅(qū)動芯片，電路圖如下3.5所示：其中兩片BTS7960驅(qū)動一個電機。第

15、四章傳感器安裝計機械設(shè)計4.1電桿的固定電感的安裝如下圖4.1所示：是我們自行設(shè)計了電桿的安裝座，為一圓孔臺階座，電感支架的材料為碳纖維棒，支架為T字型。兩個桿用尼龍材料的連接件固定，連接件上帶有兩個緊定螺絲，可以調(diào)整兩個桿的相對位置。需要強調(diào)的是，碳纖棒為實心的，碳纖管為空心的，在這里我們應(yīng)該要用碳纖棒，因為碳纖維管比碳纖棒容易彎曲折斷。電感支架的前杠用4根棉線固定在車身，防止支架晃動。4.2電路板的固定電路板固定于，電桿安裝座下方的四個白色螺絲位置。4.3輪胎的改進輪胎應(yīng)選擇較軟的胎，軟胎還應(yīng)打磨之更加柔軟，但是要保留一些紋路。4.4底盤的加固前后底盤的中間以及兩邊都需要用pcb板加螺絲固

16、定。如下圖所示，不能用熱熔膠固定，因為用熱熔膠連接的部分容易變形、脫落。4.5車子布局：車子的電池固定在底盤后部，支架以及電路板固定在底盤前部，這樣能使撤職在平衡時底盤微微向前傾。4.6電機保護電機線容易斷裂，應(yīng)用熱縮管將正負引線包好，再用熱熔膠固定在電機架上。第五章、軟件處理及控制算法微處理器:CodFire系列處理器 型號-MCF52259 控制理論：利用陀螺儀加速計計算出車體的傾斜角度，利用PD控制來控制直立，然后利用車速模塊（編碼器）測得當(dāng)前小車的行駛速度，利用PI控制原理把速度控制在某個自己設(shè)定的值實現(xiàn)小車勻速行駛。利用AD口讀取左右兩個電感的電壓值，再通過兩個電感的差值實現(xiàn)對路徑的

17、檢測，用PD控制來控制車模的轉(zhuǎn)向。算法:由于控制小車需要控制其直立，速度和方向，而輸出量只有兩個電機的PWM脈沖。為了避免各個控制輸出量的互相影響，我們把各個控制分配到中斷的分段中，使其不互相影響。代碼設(shè)計:代碼主要分為 1初始化 2 信息的獲取 3 控制 其中初始化包括:PLL設(shè)置，PWM,AD，計數(shù)器IO，液晶屏，按鍵等模塊的端口初始化信息的獲取包括：各模塊的AD值，脈沖數(shù)，電感電壓等控制包括：直立，速度，方向控制參考文獻1 飛思卡爾秘書處 ，電磁組直立行車參考設(shè)計方案1.0 2011-12-222 飛思卡爾秘書處 ，電磁組直立行車參考設(shè)計方案2.0 2012-3-13 邵貝貝等 學(xué)做智能

18、車2004年 北京航空航天大學(xué)出版社4 陶永華主編 新型PID控制及其應(yīng)用 機械工業(yè)出版社 2002年附錄源程序/*龍丘MCF52259多功能開發(fā)板V1.0編寫:龍丘Designed by Chiu Sir軟件版本:V1.1最后更新:2010年7月8日相關(guān)信息參考下列地址：-Code Warrior 7.1Target : MCF52259Crystal: 48.000Mhz*/*端口使用說明*ICOC3-內(nèi)部計數(shù)器GPT3,TA3,PWM7PWM1-DTIN2-13左輪 TCPWM3-DTIN3 TAPWM4-ICOC0-46右輪 PWM6-ICOC1AD0-AN0-陀螺儀 ANAD1-AN

19、1-加速度計AD2-AN2-矯正位A3-DC 命令數(shù)據(jù)選擇管腳 TEA2-RES 模塊復(fù)位管腳 A1-D1（MOSI） ，主輸出從輸入數(shù)據(jù)腳，由MCU控制A0-D0（SCLK） ，時鐘腳，由MCU控制A8-A15-外部計數(shù)器存儲位 TFA16-TG0 外部計數(shù)器控制位 TGA17-TG1*/#include support_common.h /* include peripheral declarations and more */#include MCF52259_PIT_driver.h#include MCF52259_UART_driver.h#include MCF52259_PWM

20、_driver.h#include Get_info.h#include Control.h#include LQ12864.huint8 txtbuf016;uint8 txtbuf116;uint8 txtbuf216;uint8 txtbuf316;/中斷全局變量int step=0;int index=0;int count_s=1;int count_d=1;int SpeedPluse=0;int adi=0;/*函數(shù)區(qū)*/void delay(uint16 ms) int ii,jj; if (ms1) ms=1; for(ii=0;iims;ii+) /for(jj=0;jj5

21、0;jj+); for(jj=0;jj-0.5&Ag_acc-0.5&agvelocity_gyro100) /使顯示屏穩(wěn)定 / LCD_CLS(); LCD_Print(8,0,txtbuf0); LCD_Print(0,2,txtbuf1); LCD_Print(0,4,txtbuf2); LCD_Print(70,4,txtbuf3); / LCD_Fill(0 xff); / LCD_Fill(0 x00); / LCD_CLS(); /LCD_Print(0,0,(uint8 *)龍丘); /index=0; / /index+; _declspec(interrupt:0) voi

22、d PIT0_handler(void)/interrupt source 55 if(step=0) Pulse_counter(); MCF_GPIO_PORTTG|=MCF_GPIO_PORTTG_PORTTG0; MCF_GPIO_PORTTG|=MCF_GPIO_PORTTG_PORTTG1; MCF_GPIO_PORTTG&=0; else if(step=1) /* for(adi=0;adi7;adi+) int k=0; for(k=0;k=20) if(g_nRightPulseI10) SpeedControl(0); else if(g_nRightPulseI=10)

23、 SpeedPluse=g_nRightPulseI; SpeedControl(SpeedPluse+5); else SpeedControl(1000); sprintf(txtbuf1,%5d,g_nRightPulseI); g_nLeftPulseI=0; g_nRightPulseI=0; count_s=1; else SpeedControlOutput(count_s); /速度調(diào)節(jié) count_s+; else if(step=4) Direction_votage(); ftostr(g_fLeftVoltageI,txtbuf2,3); ftostr(g_fRight

24、VoltageI,txtbuf3,3); DirectionControl(); /方向控制 step+; if(step4) step=0; MCF_PIT_PCSR(0)|=MCF_PIT_PCSR_PIF;#include Control.h#include MCF52259.h#include support_common.h#include Get_info.h /直立調(diào)節(jié)參數(shù)float g_fAngleOut=0.0;#define ANGLE_P 0.05*450#define ANGLE_D 0.05*14/速度調(diào)節(jié)參數(shù)#define SPEED_P 0.05*9/10.5/1

25、0/3.2/4/3/3/0.1/3/0.5#define SPEED_I 0.05*2.5/1.8/2.5/2.5/2.5/2/2.5#define DEAD_VAL 0.05*250 float g_fSpeedOld=0; float g_fSpeedNew=0; float g_fSpeedIntegral=0; floatg_fSpeedOut =0; float g_fLeftOut=0; float g_fRightOut=0;/方向調(diào)節(jié)參數(shù) #define DIRECTION_P 0.05*600/475/430#define DIRECTION_D 0.05*800/16000

26、/10000/15500/680/500/478/585/580 float g_fDirectionOut=0;float g_fDoutold=0;float g_fDoutnew=0;float diff_now,diff_before; /-*/函數(shù)名:AngleControl */功 能:直立控制 */參 數(shù):無 */返 回:無 */-*void AngleControl() g_fAngleOut =ANGLE_P*Angle+ANGLE_D*agvelocity_gyro; /-*/函數(shù)名:SpeedControl */功 能:速度控制 */參 數(shù):無 */返 回:無 */-*v

27、oid SpeedControl(int speedset) int fspeederror; int speednow; speednow=g_nRightPulseI; fspeederror=speedset-speednow; g_fSpeedOld=g_fSpeedNew; g_fSpeedIntegral+=SPEED_I*fspeederror; g_fSpeedNew=g_fSpeedIntegral+SPEED_P*fspeederror; /速度調(diào)節(jié)void SpeedControlOutput(int fen)float fValue;fValue =g_fSpeedNew - g_fSpeedOld;g_fSpeedOut=(fValue/19)*fen + g_fSpeedOl