基于電磁傳感器識(shí)別路徑的智能車設(shè)計(jì)

1、摘 要本文以第七屆“飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能汽車競賽為背景，對(duì)兩輪直立行走智能小車硬件和軟件進(jìn)行了深入的分析與設(shè)計(jì)，以參與制作的智能小車為例介紹智能小車設(shè)計(jì)制作的全過程。該智能車系統(tǒng)所用車模型號(hào)為N-286。采用16位單片機(jī)MC9S12XS128作為主控制單元，設(shè)計(jì)、制作一輛能夠自動(dòng)識(shí)別路徑并能兩輪自平衡直立行走的智能小車。整個(gè)智能車系統(tǒng)主要包括三大方面：機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件算法設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)，其中，路徑檢測模塊采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，然后對(duì)其信號(hào)進(jìn)行放大、濾波；角度檢測模塊利用陀螺儀和加速度傳感器分別測量車模的角速度、角度，然后將角速度積分信號(hào)與角度信號(hào)

2、整合得到車模的精確角度信號(hào)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用四片BTS7960驅(qū)動(dòng)芯片，兩兩級(jí)聯(lián)構(gòu)成全橋驅(qū)動(dòng)電路，利用PWM進(jìn)行速度控制；速度檢測模塊采用增量式光電編碼器；電源模塊通過穩(wěn)壓芯片提供V、5V電壓。系統(tǒng)應(yīng)用PID控制算法，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過對(duì)賽道信息、角度信號(hào)和速度信號(hào)的綜合分析，利用N-286型車模雙后輪驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)小車兩輪自平衡直立行走。關(guān)鍵字：直立行走；PID；MC9S12XS128；電機(jī)控制AbstractOn the background of the Seventh Freescale Cup Intelligent Auto-mobile Competition for

3、national college students, this paper conducts deep analysis and design on the hardware and software of the two walking upright intelligent automobiles, and briefly introduces the whole processes of designing and making the automobile through the example of making the intelligent automobile.This int

4、elligent auto-mobile system adopts the model N-286 as its type. By taking the 16 bits single chip microcontroller MC9S12XS128 as its main control unit, we can design and make an intelligent auto-mobile, which can recognize certain road automatically and run upright with its two wheels. The entire sy

5、stem contains three main parts: the installation of mechanical structure, the design of hardware circuit and the design of the software algorithm. The system adopts the modular design. Among them, the path detection module uses LC resonance loop as the frequency selective network, and then has its s

6、ignal amplified and filtered. The angle detection module uses the gyroscope and angle acceleration sensor to measure the angular velocity and angle of models respectively. Then it integrates angle speed signal and angle signal to get precise angle signal of the models. Motor driver module uses four

7、pieces of BTS7960 drive chips and two cascades to construct the whole bridge driving circuit. The system adopts PWM speed control algorithm to form a close loop control system. Speed detection module uses the solid-axes photoelectric encoder. Power module supplies voltage of 3.3V and 5V through regu

8、lated chips. The system applies the PID control algorithm to form a closed loop control system. Through a comprehensive analysis of track information, angle signal and speed signal and by using the characteristics of dual rear-wheel drive of N-286 auto-mobile models, it realizes the self-balanced up

9、right walking with its two wheels.Key Words: Walk upright, PID, MC9S12XS128, Motor control目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326302346 摘 要 PAGEREF _Toc326302346 h I HYPERLINK l _Toc326302347 Abstract PAGEREF _Toc326302347 h II HYPERLINK l _Toc326302348 目 錄 PAGEREF _Toc326302348 h III HYPERLINK l _T

10、oc326302349 1 緒論 PAGEREF _Toc326302349 h 1 HYPERLINK l _Toc326302350 1.1 研究背景 PAGEREF _Toc326302350 h 1 HYPERLINK l _Toc326302351 1.2 設(shè)計(jì)前景 PAGEREF _Toc326302351 h 1 HYPERLINK l _Toc326302352 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容和意義 PAGEREF _Toc326302352 h 1 HYPERLINK l _Toc326302353 2 電磁車整體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc326302353 h 2 HYPERLINK

11、 l _Toc326302354 2.1 設(shè)計(jì)的總體思路 PAGEREF _Toc326302354 h 2 HYPERLINK l _Toc326302355 2.2 直立行走任務(wù)分析 PAGEREF _Toc326302355 h 4 HYPERLINK l _Toc326302356 3 機(jī)械結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc326302356 h 5 HYPERLINK l _Toc326302357 3.1 車模簡化改裝 PAGEREF _Toc326302357 h 5 HYPERLINK l _Toc326302358 3.2 傳感器安裝 PAGEREF _Toc326302358

12、h 6 HYPERLINK l _Toc326302359 3.3 其他考前須知 PAGEREF _Toc326302359 h 6 HYPERLINK l _Toc326302360 4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc326302360 h 7 HYPERLINK l _Toc326302361 4.1 電磁線檢測電路 PAGEREF _Toc326302361 h 7 HYPERLINK l _Toc326302362 4.1.1 感應(yīng)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc326302362 h 7 HYPERLINK l _Toc326302363 4.1.2 放大電路設(shè)計(jì) PA

13、GEREF _Toc326302363 h 8 HYPERLINK l _Toc326302364 4.1.3 檢波、濾波電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc326302364 h 9 HYPERLINK l _Toc326302365 4.1.4 電磁線檢測整體電路 PAGEREF _Toc326302365 h 9 HYPERLINK l _Toc326302366 4.2 角度傳感器電路 PAGEREF _Toc326302366 h 10 HYPERLINK l _Toc326302367 4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc326302367 h 10 HYPERLINK l

14、 _Toc326302368 4.4 速度傳感器 PAGEREF _Toc326302368 h 11 HYPERLINK l _Toc326302369 4.5 電源模塊電路 PAGEREF _Toc326302369 h 12 HYPERLINK l _Toc326302370 4.6 其他電路模塊 PAGEREF _Toc326302370 h 14 HYPERLINK l _Toc326302371 5 控制策略與算法研究 PAGEREF _Toc326302371 h 15 HYPERLINK l _Toc326302372 5.1 軟件功能與框架 PAGEREF _Toc32630

15、2372 h 15 HYPERLINK l _Toc326302373 5.2 MC9S12XS128片內(nèi)資源簡介 PAGEREF _Toc326302373 h 16 HYPERLINK l _Toc326302374 5.3 主要的控制算法與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc326302374 h 17 HYPERLINK l _Toc326302375 5.3.1 PID控制簡介 PAGEREF _Toc326302375 h 17 HYPERLINK l _Toc326302376 5.3.2 車模直立控制 PAGEREF _Toc326302376 h 18 HYPERLINK l _T

16、oc326302377 5.3.3 車模速度控制 PAGEREF _Toc326302377 h 19 HYPERLINK l _Toc326302378 5.3.4 車模方向控制 PAGEREF _Toc326302378 h 20 HYPERLINK l _Toc326302379 5.3.5 車模直立行走控制算法總圖 PAGEREF _Toc326302379 h 20 HYPERLINK l _Toc326302380 5.4 調(diào)試與參數(shù)整定 PAGEREF _Toc326302380 h 21 HYPERLINK l _Toc326302381 5.5 開發(fā)與調(diào)試環(huán)境 PAGEREF

17、 _Toc326302381 h 22 HYPERLINK l _Toc326302382 結(jié) 論 PAGEREF _Toc326302382 h 23 HYPERLINK l _Toc326302383 致 謝 PAGEREF _Toc326302383 h 24 HYPERLINK l _Toc326302384 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc326302384 h 25 HYPERLINK l _Toc326302385 附錄A 系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc326302385 h 26 HYPERLINK l _Toc326302386 附錄B 系統(tǒng)PCB圖 PAGEREF

18、_Toc326302386 h 27 HYPERLINK l _Toc326302387 附錄C 程序代碼 PAGEREF _Toc326302387 h 281 緒論1.1 研究背景本課題來源于“飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能汽車競賽?！帮w思卡爾杯智能汽車競賽是教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)而舉辦的面向全國大學(xué)生的智能汽車比賽，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義1。“飛思卡爾杯智能汽車大賽從2006年開始舉辦，今年是第七屆。競賽為了提高全國大學(xué)生智能汽車競賽創(chuàng)新性和趣味性，激發(fā)高校學(xué)生參與比賽的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和接受挑戰(zhàn)能力，智能汽車競賽組委會(huì)將電磁組比賽規(guī)定為車模直立行走。

19、相對(duì)于傳統(tǒng)的四輪行走的車模競賽式，車模直立行走在車體檢測、控制算法等方面提出了更高的要求。 設(shè)計(jì)前景智能小車的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及傳感技術(shù)、電氣技術(shù)、電氣控制技術(shù)、智能控制等學(xué)科，智能控制技術(shù)是一門跨科學(xué)的綜合性技術(shù)，當(dāng)代研究十分活潑，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險(xiǎn)地段，人類無法介入等特殊情況下的任務(wù)。智能車輛是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)駕駛等多種功能于一體的綜合體統(tǒng)。如果將以上技術(shù)引用到現(xiàn)實(shí)生活中，可以使我們的未來生活變得更加智能。除了潛在的軍用價(jià)值外，還可以應(yīng)用于科學(xué)研究、地質(zhì)勘探、危險(xiǎn)搜索、智能救援等，其在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用前景也受到西方國家

20、的普遍關(guān)注。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容和意義本設(shè)計(jì)所用車模型號(hào)為N-286，采用16位單片機(jī)MC9S12XS128作為主控制單元，設(shè)計(jì)、制作一輛能夠自動(dòng)識(shí)別特制跑道并能兩輪自平衡行走的智能小車。整個(gè)系統(tǒng)主要包括三大方面：機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件算法設(shè)計(jì)。按模塊劃分為：路徑檢測模塊，角度控制模塊，電機(jī)控制模塊，速度檢測模塊，電源模塊等。整個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用電磁傳感器、傾角傳感器及測速編碼器等設(shè)計(jì)信息采集電路和控制算法，利用N-286型車模雙后輪驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)小車兩輪自平衡行走。以主單片機(jī)為中央紐帶控制和協(xié)調(diào)各模塊調(diào)理有序的穩(wěn)定運(yùn)行。后文將分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)三大方面

21、對(duì)各子模塊進(jìn)行詳細(xì)解析。智能車的研究很有應(yīng)用前景，對(duì)智能化研究能起到引導(dǎo)的作用，尤其對(duì)自動(dòng)駕駛、智能運(yùn)輸?shù)难芯烤哂兄匾饬x。2 電磁車整體結(jié)構(gòu)2.1 設(shè)計(jì)的總體思路電磁智能車模型采用N-286型車模。整個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過對(duì)電磁傳感器、傾角傳感器及測速編碼器等設(shè)計(jì)信息采集電路，采用16位單片機(jī)MC9S12XS128作為主控制單元對(duì)以上信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，進(jìn)而設(shè)計(jì)控制算法，利用車模雙后輪驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，控制車模兩個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)小車兩輪自平衡直立行走。如下圖。圖 電磁車俯視圖按照設(shè)計(jì)要求，賽車需兩輪自平衡直立沿著電磁跑道行走，在此要求下設(shè)計(jì)的電磁車體系結(jié)構(gòu)如下圖。圖 電磁車整體結(jié)構(gòu)由圖可知

22、，電磁車整體結(jié)構(gòu)分為以下及模塊：(1) 電磁傳感器模塊：檢測導(dǎo)線電流約為100mA，頻率20KHz的磁場的大小，進(jìn)行路徑識(shí)別，并輸出電壓給MC9S12XS128采集；(2) 角度傳感器模塊：利用陀螺儀和加速度傳感器分別測量車模的角速度、角度，然后將角速度積分信號(hào)與角度信號(hào)整合得到車模的精確角度信號(hào)；(3) 速度傳感器模塊：利用增量式光電編碼器進(jìn)行速度的測量，反應(yīng)給單片機(jī)，構(gòu)成速度的閉環(huán)。光電編碼器線數(shù)越多，同等速度下單位時(shí)間內(nèi)所能檢測到脈沖數(shù)也越多，因而速度檢測的分辨率也更高。另一方面，線數(shù)增多后，相鄰脈沖間的持續(xù)時(shí)間會(huì)變短，脈沖檢測的可靠性會(huì)因相鄰脈沖的干擾而受到影響；(4) MC9S12X

23、S128模塊：構(gòu)成系統(tǒng)的控制器；(5) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：通過MC9S12XS128單片機(jī)輸出的PWM(Pulse Width Modulation)控制，功率放大用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，要求驅(qū)動(dòng)電流足夠大，同時(shí)要考慮到大電流對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響；(6) 電源管理模塊：制作相應(yīng)的電源電路，針對(duì)個(gè)模塊的輸入電壓信號(hào)要求。利用不同的穩(wěn)壓芯片為各模塊供電。利用5V穩(wěn)壓芯片將電源穩(wěn)成5V，給單片機(jī)、速度傳感器及路徑檢測模塊供電，LM117電壓可調(diào)芯片給兩個(gè)角度傳感器供電，而電機(jī)那么利用電源直接供電。2.2 直立行走任務(wù)分析電磁智能車設(shè)計(jì)要求車模在直立的狀態(tài)下以兩個(gè)輪子著地沿著賽道行走，相比四輪著地狀態(tài)，車?？刂迫蝿?wù)更為

24、復(fù)雜。按照設(shè)計(jì)思路“對(duì)三類傳感器的信息整合，來控制車模兩個(gè)后輪電機(jī)，完成設(shè)計(jì)任務(wù)，由此可見車?？刂频暮诵氖莾蓚€(gè)后輪電機(jī)。為了能夠方便找到解決問題的方法，首先將復(fù)雜的問題分解成簡單的問題。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，維持車模直立、運(yùn)行的動(dòng)力都來自于車模的兩個(gè)后車輪，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此從控制角度來看，由控制車模兩個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及速度實(shí)現(xiàn)對(duì)車模的控制。車模控制任務(wù)可以分解成以下三個(gè)根本任務(wù)：(1) 控制車模直立：通過控制兩個(gè)電機(jī)正反向運(yùn)動(dòng)保持車模直立狀態(tài)；(2) 控制車模速度：通過控制兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速速度實(shí)現(xiàn)車模行進(jìn)控制；(3) 控制車模轉(zhuǎn)向：通過控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向控制。以上三個(gè)任務(wù)

25、都是通過控制車模兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成的。可以假設(shè)車模的電機(jī)可以虛擬地被拆解成三個(gè)不同功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、前進(jìn)行走、左右轉(zhuǎn)向。直流電機(jī)的力矩最終來自于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生的電流。因此只要電機(jī)處于線性態(tài)，上述拆解可以等效成三種不同控制目標(biāo)的電壓疊加之后，施加在電機(jī)上。在上述三個(gè)任務(wù)中保持車模直立是關(guān)鍵。由于車模同時(shí)受到三種控制的影響，從車模直立控制的角度，其它兩個(gè)控制就成為它的干擾。因此在速度、方向控制的時(shí)候，應(yīng)該盡量平滑，以減少對(duì)于直立控制的干擾。上述三個(gè)控制各自獨(dú)立進(jìn)行控制，它們各自假設(shè)其它兩個(gè)控制都已經(jīng)到達(dá)穩(wěn)定。比方速度控制時(shí)，假設(shè)車模已經(jīng)在直立控制下保持了直立

26、穩(wěn)定，通過改變電機(jī)的電壓控制車模加速和減速。車模在加速和減速的時(shí)候，直立控制一直在起作用，它會(huì)自動(dòng)改變車模的傾角，移動(dòng)車模的重心，使得車模實(shí)現(xiàn)加速和減速2。三個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)算法將在第五節(jié)簡紹。3 機(jī)械結(jié)構(gòu)良好的車模機(jī)械設(shè)計(jì)與制作，對(duì)于車模穩(wěn)定運(yùn)行、平安調(diào)試都非常重要。如下就車模簡化改裝與傳感器安裝兩個(gè)方面進(jìn)行簡紹。3.1 車模簡化改裝由于電磁智能車采用了N-286型車模，它是雙后輪驅(qū)動(dòng)，前輪舵機(jī)轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)模式，而設(shè)計(jì)要求車模直立行走，因此車模前輪以及局部相關(guān)部件都可以進(jìn)行簡化。具體可以參照以下改裝步驟：(1) 去掉前輪及其支撐部件，去掉后輪懸掛緩沖支架拆，如下圖。圖 簡化后車模底盤(2) 固定車

27、模底盤與后輪支架原有車模為了減輕后輪振動(dòng)對(duì)于車體的影響，后輪的支架與底盤之間采用了活動(dòng)連接方式。但是，為了保證車模直立車體穩(wěn)定性，需要將原有車模地盤與后輪支架固定在一起。最簡便的方式就是可以使用熱熔膠在后輪支架與底盤之間的縫隙處進(jìn)行粘接。這樣后輪與車體之間形成一個(gè)剛體，便于進(jìn)行直立控制。3.2 傳感器安裝車模中的傳感器包括有：速度傳感器，車模姿態(tài)傳感器陀螺儀、加速度計(jì)以及電磁檢測感應(yīng)線圈。下面分別介紹這些傳感器的安裝。(1) 速度傳感器安裝本設(shè)計(jì)采用E6A2-CWZ3光電編碼器檢測速度。將光電編碼器安裝與車尾，保證光電編碼器齒輪與電機(jī)齒輪的嚙合既不太過松散造成測速不穩(wěn)定也不過緊打壞齒輪。良好的

28、齒輪嚙合可以由車模行駛時(shí)發(fā)出的響聲均勻與否判定。(2) 電磁傳感器安裝電磁傳感器為兩個(gè)工字型的10毫亨電感。為了能夠更好的檢測前面的道路，一般將前排兩個(gè)工字型的電感盡可能的安裝在車模運(yùn)行前方較遠(yuǎn)的地方。由于此車模是直立運(yùn)行，速度不是太快，傳感器只有兩排，為了防止車模在通過十字交叉線路口時(shí)受到的影響，在固定后排兩個(gè)電感線圈的時(shí)候，盡量保持這兩個(gè)線圈呈水平位置。(3) 車模傾角傳感器車模傾角傳感器包括陀螺儀和加速度計(jì)。它們都是表貼元器件，固定在電路板上。將這塊帶有陀螺儀和加速度計(jì)的電路板固定在整個(gè)車模中間質(zhì)心的位置，這樣可以最大程度減少車模運(yùn)行時(shí)前后振動(dòng)對(duì)于測量傾角的干擾。3.3 其他考前須知由于

29、車模直立運(yùn)行，盡可能減少電路板的尺寸，一方面便于固定，另一方面可以減少車模的慣量。固定電路板應(yīng)盡可能貼近車模的底盤，使其能夠穩(wěn)固。為了防止車模運(yùn)行過程中傾倒，摔壞車模及其上的電路板，在車模機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，需要在車模前后安裝有防撞支架或者緩沖物，一旦車模傾倒或者失控，防撞支架可以保護(hù)車模機(jī)械、電路的平安性。4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)前面簡紹的設(shè)計(jì)思路，本設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)模塊： (1) 電磁線檢測模塊：包括兩路相同的電磁感應(yīng)信號(hào)放大、檢波、濾波電路；(2) 角度傳感器模塊：包括兩個(gè)姿態(tài)傳感器信號(hào)的放大、濾波電路；(3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電極運(yùn)行電路；(4) 速度檢測模塊：檢測電機(jī)光

30、電碼盤脈沖；(5) 電源模塊：電源電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、濾波電路；(6) 其他電路模塊：包括撥碼開關(guān)、液晶顯示等，用于輔助車模調(diào)試。以下將分別對(duì)各模塊電路給出設(shè)計(jì)方案。4.1 電磁線檢測電路電磁車要檢測的賽道環(huán)境是由通有20kHz、100mA交變電流的導(dǎo)線所產(chǎn)生的電磁場。電磁場檢測是本設(shè)計(jì)要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題，此次設(shè)計(jì)采用電磁感應(yīng)磁場的方法進(jìn)行信號(hào)提取3。路徑檢測模塊的信號(hào)流經(jīng)四個(gè)局部：線圈感應(yīng)變化的磁場得到電磁感應(yīng)信號(hào)；放大電路對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大；放大后的信號(hào)經(jīng)過檢波、濾波后變?yōu)橹绷餍盘?hào)；最后，送單片機(jī)AD口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集4。4.1.1 感應(yīng)電路設(shè)計(jì)采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻

31、率為20kHz。根據(jù)公式4.1可以選定電感電容的參數(shù)5。 (4.1)此電路設(shè)計(jì)選取10mH工字型電感和F電容，圖4.1是LC選頻網(wǎng)絡(luò)電路圖和示波器顯示的OUT端輸出的波形。圖4.1 LC選頻網(wǎng)絡(luò)電路圖和示波器顯示的OUT端輸出的波形4.1.2 放大電路設(shè)計(jì)電感輸出的電壓為幾十毫伏，輸出電壓比擬小，不利于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大電路的原理圖如圖4.2所示。圖4.2 放大電路原理圖此電路利用同相比例運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，選取LM358芯片此芯片單雙電源供電均可，性能穩(wěn)定，應(yīng)用電路簡單，能滿足設(shè)計(jì)要求，其中R1為定值電阻，R2為可調(diào)電阻，這樣可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，INPUT端()接

32、電感的輸出信號(hào)，OUTPUT端()為放大后的輸出信號(hào)。根據(jù)式4.2可以計(jì)算出放大后的電壓5。 (4.2)放大后電壓根本能到達(dá)3V左右，輸出波形如圖4.3所示。圖4.3 放大后的輸出波形4.1.3 檢波、濾波電路設(shè)計(jì)因?yàn)檫\(yùn)算放大器采用單電源供電，所以放大后的信號(hào)是半波信號(hào)。如果對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波，根本上可以得到直流信號(hào)，再經(jīng)過濾波，信號(hào)就更加穩(wěn)定、平整，這樣將信號(hào)直接接入單片機(jī)的AD口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后再行處理。本設(shè)計(jì)采用AD轉(zhuǎn)換的方式采集數(shù)據(jù)，檢波、濾波電路如圖4.4所示。圖4.4 檢波、濾波電路原理圖圖4.4中，INPUT端接入放大以后的信號(hào)，OUTPUT端輸出慮波以后的信號(hào)。檢波電路中選用

33、肖特基二極管D1、D2，因?yàn)槠涔軌航档陀谄胀ǘO管，開關(guān)特性優(yōu)于普通二極管，C3、R2組成RC濾波電路進(jìn)行濾波。4.1.4 電磁線檢測整體電路將以上幾局部電路組合起來便構(gòu)成電磁線檢測電路，電路如圖4.5所示。圖4.5 電磁線檢測整體電路4.2 角度傳感器電路車模傾角傳感器電路主要是將陀螺儀(ENC03)信號(hào)進(jìn)行放大濾波。由于加速度傳感器采用是低值的傳感器MMA7260，它是一款三軸低半導(dǎo)體加速度計(jì)，可以同時(shí)輸出三個(gè)方向上的加速度模擬信號(hào)，它的輸出信號(hào)非常大，不需要再進(jìn)行放大，只要使其對(duì)應(yīng)控制端為低電平，選擇MMA7260最高的靈敏度，OUT端那么輸出加速度計(jì)Z軸信號(hào)。陀螺儀應(yīng)用電路圖如圖4.6

34、所示。圖4.6 陀螺儀應(yīng)用電路圖4.6中，將陀螺儀(ENC03)的輸出信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器(TLV2211)進(jìn)行放大，其中，R6、R5為分壓電阻，放大倍數(shù)R4/R2=R3/R1，并將零點(diǎn)偏置電壓調(diào)整到工作電源的一半()左右，最終輸出角速度對(duì)應(yīng)的電壓值，放大倍數(shù)需要根據(jù)選取的傳感器輸出靈敏度設(shè)計(jì)。4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)所用動(dòng)力來源為直流電機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行的速度要提高就要設(shè)計(jì)好電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，此模塊必須在低電壓的情況下提供大電流，而且必須可控，在可靠性和穩(wěn)定性都要滿足的條件下還要考慮到散熱，緩沖保護(hù)，響應(yīng)速度和工作轉(zhuǎn)矩等。另一方面，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行期間不僅要控制正轉(zhuǎn)的速度，當(dāng)遇到需要減速的路況時(shí)就要讓電動(dòng)機(jī)反

35、轉(zhuǎn)制動(dòng)，要讓驅(qū)動(dòng)模塊滿足正反轉(zhuǎn)的功能，而H橋電路就是控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的，控制原理也較為簡單，電路也穩(wěn)定6。由于設(shè)計(jì)所用車模具有兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此需要兩組電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋電路。所以，此次設(shè)計(jì)選用了四片BTS7960兩兩級(jí)聯(lián)組成兩組全橋驅(qū)動(dòng)電路。其應(yīng)用電路原理圖如下圖。圖4.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖4.7中，VIN為電源輸入端口端電池電壓，PWM1、PWM2為信號(hào)控制端，OUT1、OUT2為輸出端接電機(jī)。每片BTS7960內(nèi)部為半橋結(jié)構(gòu)，只有一路PWM信號(hào)輸入及一路輸出，它具有輸出功率大、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。為了提高電源的應(yīng)用效率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM波形采用了單極性的驅(qū)動(dòng)方式，也就是在一個(gè)PWM周期內(nèi)，施加在電機(jī)

36、上的電壓為一種電壓6。因此每個(gè)電機(jī)為了能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，都需要兩個(gè)PWM信號(hào),兩個(gè)電機(jī)總共需要4路PWM信號(hào)來控制其運(yùn)行。為了防止電機(jī)輸出電流對(duì)于電源的沖擊，在電路板的電源輸入端口并聯(lián)了一個(gè)1000微法的電容,由于輸出信號(hào)復(fù)雜，為了進(jìn)一步防止輸出干擾，可以在輸出端并聯(lián)一個(gè)微法的小電容。4.4 速度傳感器為了使得智能車能夠平穩(wěn)地沿賽道導(dǎo)引線運(yùn)行，速度傳感器起著非常重要作用，控制車模的直立、速度、方向都必須準(zhǔn)確的判斷兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)速大小。這樣才能形成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，使得兩輪直立小車更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的沿規(guī)定賽道運(yùn)行。速度傳感器有很多種，鑒于光電編碼器安裝簡單，輸出信號(hào)比擬規(guī)整，而且

37、增量式光電編碼器可以輸出正比于轉(zhuǎn)速的脈沖，記錄單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)就可以間接測取實(shí)時(shí)速度，所以選擇此類編碼器進(jìn)行速度檢測。電磁車制作使用歐姆龍光電編碼器作為速度傳感器，安裝在車尾與傳動(dòng)齒輪嚙合，使用與電機(jī)相同齒數(shù)的齒輪，相當(dāng)于直接測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該光電編碼器的測量精度為200P/r，有AB兩相輸出，相位差為9045，信號(hào)波形為方波。在使用之前需進(jìn)行測量，看其波形是否平整、穩(wěn)定，如果有紋波，考慮在信號(hào)端加上拉電阻，為其提供適宜的功率，然后在測其輸出波形，以保證測速準(zhǔn)確。4.5 電源模塊電路電源模塊對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說極其重要，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選好適宜的電源模塊

38、。供電電源為、2000mA的蓄電池，然后經(jīng)過不同型號(hào)的穩(wěn)壓芯片對(duì)電源電壓穩(wěn)壓后為各模塊供電。傾角傳感器模塊需要電源，單片機(jī)系統(tǒng)、電磁線檢測電路中的運(yùn)算放大器芯片、光電碼編碼器、驅(qū)動(dòng)使能等均需要5V電源，直流電機(jī)那么使用、2000mA的蓄電池直接供電，系統(tǒng)電源分配如圖4.8所示。圖4.8 系統(tǒng)電源分配5V芯片選取LM2940和LM2575兩種，其中LM2575具有內(nèi)部損耗低、輸出功率大、應(yīng)用電路比擬完整，主要為電磁線檢測電路中的功率運(yùn)算放大器芯片供電，應(yīng)用電路如圖4.9所示。圖4.9 LM2575穩(wěn)壓模塊LM2940芯片雖然內(nèi)部損耗較大，但是輸出電壓無紋波，信號(hào)十分穩(wěn)定，并且其應(yīng)用電路非常簡單，

39、主要給單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)使能等供電，應(yīng)用電路如圖0所示。圖0 LM2940穩(wěn)壓模塊供電芯片采用LM1117，此芯片輸出電壓可調(diào)，而且其輸出信號(hào)穩(wěn)定，主要用于給兩個(gè)角度傳感器陀螺儀和加速度傳感器供電。應(yīng)用電路如圖1所示。圖1穩(wěn)壓模塊4.6 其他電路模塊系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中除了主要模塊電路外，還有其他輔助模塊電路，用于系統(tǒng)調(diào)試，譬如：撥碼開關(guān)、液晶顯示等。電路如圖2所示。圖2 撥碼開關(guān)電路5 控制策略與算法研究通過前面的介紹，車模控制電路制作與安裝均已完畢。車模是否能夠正常高速穩(wěn)定運(yùn)行，需要通過軟件編寫和調(diào)試來完成。5.1 軟件功能與框架軟件的主要功能包括有：(1) 車模運(yùn)行狀態(tài)檢測；(2) 電機(jī)PWM輸出；

40、(3) 車模運(yùn)行控制：直立控制、速度控制、方向控制；(4) 車模運(yùn)行流程控制：程序初始化、車模啟動(dòng)與結(jié)束。主程序框架如下圖。圖 主程序框架圖中，程序上電運(yùn)行后，便進(jìn)行單片機(jī)的初始化。初始化的工作包括有兩局部，一局部是對(duì)于單片機(jī)各個(gè)應(yīng)用到的模塊進(jìn)行初始化；第二局部是應(yīng)用程序初始化，是對(duì)于車?？刂瞥绦蛑袘?yīng)用到的變量值進(jìn)行初始化。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)的數(shù)值判斷車模是否處于直立狀態(tài)。如果一旦處于直立狀態(tài)那么啟動(dòng)車模直立控制、方向控制以及速度控制，同時(shí)檢查車模是否跌倒，跌倒判斷通過車模傾角是否超過一定范圍進(jìn)行確定，一定車模跌倒，那么停止車模運(yùn)行，然后重新進(jìn)入車

41、模直立判斷過程。 MC9S12XS128片內(nèi)資源簡介MC9S12XS128微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機(jī)，由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，包括16位中央處理器、128KB的Flash存儲(chǔ)器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、兩個(gè)異步串行通信接口、兩個(gè)串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器、兩組8通道10路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組8通道脈寬調(diào)制模塊、一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨(dú)立的數(shù)字I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O接口、5個(gè)增強(qiáng)型CAN總線接口7。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。MC9S12XS128片內(nèi)資源表如下圖8。圖

42、 MC9S12XS128片內(nèi)資源5.3 主要的控制算法與實(shí)現(xiàn)5.3.1 PID控制簡介PID(Proportion Integral Differential)控制是模擬控制中最常用的控制規(guī)律，圖是PID控制系統(tǒng)原理圖。是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，是給定值，是給定值與實(shí)際輸出值的差值，如式所示9。 )式中，作為PID控制的輸入，作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。PID的控制規(guī)律為，如式所示。 QUOTE (5.2)式中，為PID系統(tǒng)比例系數(shù)，為PID系統(tǒng)積分系數(shù)，為PID系統(tǒng)微分系數(shù)。圖5.3 PID控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID和增量式PID。增量型算法與

43、位置型算法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：增量型算法不需要做累加，增量確實(shí)定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，計(jì)算精度對(duì)控制量的計(jì)算影響較小，而位置型算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大；采用增量型算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。比例環(huán)節(jié)的作用是調(diào)整瞬間偏差。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使偏差向減少的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù) QUOTE * MERGEFORMAT ，比例系數(shù) QUOTE * MERGEFORMAT 越大，控制作用越強(qiáng)，那么過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越小。但是 Q

44、UOTE * MERGEFORMAT 過大，容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，必須恰中選擇比例系數(shù)才能減少過渡時(shí)間，并得到靜差小而又穩(wěn)定的效果。只要有偏差存在，積分局部的控制作用就會(huì)不斷地增強(qiáng)；只有在偏差為零時(shí)，控制器的積分才能是一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增加的常數(shù)?？梢?，積分局部可以消除系統(tǒng)的偏差。但是，積分局部也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過渡時(shí)不產(chǎn)生振蕩；但是增大積分常數(shù)會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差需要較長的時(shí)間，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)較小時(shí)，那么積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消

45、除偏差所需的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來確定。運(yùn)用PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整三個(gè)比例系數(shù)，即參數(shù)整定。PID參數(shù)整定的方法有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于智能車整個(gè)系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布參數(shù)系統(tǒng)，并且要考慮引導(dǎo)線具體環(huán)境，要建立精確的智能車運(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且對(duì)車身機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進(jìn)行不斷修正，模型參數(shù)變化較頻繁，可操作性不強(qiáng)；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單，采用了這種方法，同時(shí)，先后實(shí)驗(yàn)了幾種動(dòng)態(tài)改變PID參數(shù)的控制方法10。5.3.2 車模直立控制車模直立控制是系統(tǒng)設(shè)計(jì)

46、最為關(guān)鍵的一局部，車模直立是通過負(fù)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)檐嚹Ｓ袃蓚€(gè)輪子著地，因此車體只會(huì)在輪子滾動(dòng)的方向上發(fā)生傾斜?？刂戚喿愚D(zhuǎn)動(dòng)，抵消傾斜的趨勢(shì)便可以保持車體直立了?？刂栖嚹７€(wěn)定需要以下條件：(1) 能夠精確測量車模傾角 QUOTE 角速度 QUOTE 的大小；(2) 可以控制車輪的加速度。通過測量車模的傾角和傾角加速度控制車模車輪的加速度來消除車模的傾角。因此車模傾角以及傾角加速度的測量成為控制車模直立的關(guān)鍵。測量車模傾角和傾角加速度可以通過加速度傳感器和陀螺儀實(shí)現(xiàn)。MMA7260是一款三軸低半導(dǎo)體加速度計(jì)，可以同時(shí)輸出三個(gè)方向上的加速度模擬信號(hào)，通過設(shè)置可以使得MMA7260最大輸出靈敏度為80

47、0mV/g。只需要測量其中一個(gè)方向上的加速度值，就可以計(jì)算出車模傾角，比方使用Z軸方向上的加速度信號(hào)。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(hào)為零偏電壓信號(hào)。當(dāng)車模發(fā)生傾斜時(shí)，重力加速度便會(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，變化的規(guī)律如式所示。 QUOTE ()式中，為重力加速度； QUOTE 為車模傾角，為比例系數(shù)。當(dāng)傾角比擬小的時(shí)候，輸出電壓的變化可以近似與傾角成正比。似乎只需要加速度就可以獲得車模的傾角，再對(duì)此信號(hào)進(jìn)行微分便可以獲得傾角加速度。但在實(shí)際車模運(yùn)行過程中，由于車模本身的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度會(huì)產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)疊加在上述測量信號(hào)上，使得輸出信號(hào)無法準(zhǔn)

48、確反映車模的傾角，因此對(duì)于車模直立控制所需要的傾角信息需要通過另外一種器件獲得，那就是角速度傳感器陀螺儀。陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。選用ENC03系列的角速度傳感器。它利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會(huì)受到克里利奧力的原理，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。在車模上安裝陀螺儀，可以測量車模傾斜的角速度，將角速度信號(hào)進(jìn)行積分便可以得到車模的傾角。由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會(huì)受到車體振動(dòng)影響。因此該信號(hào)中噪聲很小。車模的角度又是通過對(duì)角速度積分而得，這可進(jìn)一步平滑信號(hào)，從而使得角度信號(hào)更加穩(wěn)定。因此車模控制所需要的角度和角速度可以使用

49、陀螺儀所得到的信號(hào)。由于從陀螺儀的角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運(yùn)算。如果角速度信號(hào)存在微小的偏差，經(jīng)過積分運(yùn)算之后，變化形成積累誤差。這個(gè)誤差會(huì)隨著時(shí)間延長逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號(hào)?？梢酝ㄟ^上面的加速度傳感器獲得的角度信息對(duì)此進(jìn)行校正來消除這個(gè)累積誤差，利用加速度計(jì)所獲得的角度信息與陀螺儀積分后的角度進(jìn)行比擬，將比擬的誤差信號(hào)經(jīng)過比例放大之后與陀螺儀輸出的角速度信號(hào)疊加之后再進(jìn)行積分。對(duì)于加速度計(jì)給定的角度，經(jīng)過比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度必然最終等于加速度計(jì)所獲得的角度。由于加速度計(jì)獲得的角度信息不會(huì)存在積累誤差，所以最終將輸出角度中的積累誤差消除了。 車模速度

50、控制車模運(yùn)行速度是通過控制車輪速度實(shí)現(xiàn)的，車輪通過車模兩個(gè)后輪電機(jī)經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)，因此通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪的運(yùn)動(dòng)控制。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制有兩個(gè)作用：(1) 通過電機(jī)加速度控制實(shí)現(xiàn)車模直立穩(wěn)定；(2) 通過電機(jī)速度控制，實(shí)現(xiàn)車模恒速運(yùn)行和靜止。電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制是通過改變施加在其上的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)的，車模運(yùn)行速度調(diào)整時(shí)間相對(duì)很長。此時(shí)，電機(jī)速度與施加在其上的電壓成正比。通過傳統(tǒng)的PID反應(yīng)控制，便可以精確控制電機(jī)的運(yùn)行速度，從而控制車模的運(yùn)行速度。電機(jī)速度控制需要測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度可以通過安裝在電機(jī)輸出軸上的光電編碼器方便獲得。 車模方向控制實(shí)現(xiàn)車模方向控制是保證車模沿著競賽道路比賽

51、的關(guān)鍵。通過道路電磁中心線偏差檢測與電機(jī)差動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)方向控制。利用電磁線偏差檢測信號(hào)分別與車模速度控制信號(hào)進(jìn)行加和減，形成左右輪差動(dòng)控制電壓，使得車模左右輪運(yùn)行角速度不一致進(jìn)而控制車模方向。通過左右電機(jī)速度差驅(qū)動(dòng)車模轉(zhuǎn)向消除車模偏差，這個(gè)過程是一個(gè)積分過程。因此車模差動(dòng)控制一般只需要進(jìn)行簡單的比例控制就可以完成車模方向控制。5.3.5 車模直立行走控制算法總圖通過上面介紹，將車模直立行走主要的控制算法集中起來，形成控制算法總框圖，如下圖。圖 控制算法總框圖圖中，為了實(shí)現(xiàn)車模直立行走，需要采集如下信號(hào)：(1) 車模陀螺儀信號(hào)；(2) 車模加速度計(jì)信號(hào)(Z軸信號(hào))；(3) 車模電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)；(

52、4) 車模電磁偏差信號(hào)四路。需要進(jìn)行如下控制環(huán)節(jié)，控制車模電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)：(1) 車模直立控制：使用車模傾角的PD比例、微分控制；(2) 車模速度控制：使用PI比例、積分控制；(3) 車模方向控制：使用P比例控制?？赏ㄟ^單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)上述控制算法，各模塊程序見附錄11。車模的三種控制直立、速度、方向最終是將控制量疊加在一起作為電機(jī)輸出電壓控制量。直立控制是根底，它的調(diào)整速度非常快，速度和方向控制相對(duì)調(diào)整速度慢。速度和方向控制的輸出量是直接疊加在電機(jī)控制電壓上。它們假定直立控制會(huì)始終保持車模不跌倒，直立控制會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)車模的傾角以適應(yīng)車模的加速、減速和轉(zhuǎn)彎的需要。稍作分析如下：車模加速前進(jìn)時(shí)，由速度控制

53、算法給出電機(jī)增加的正向電壓，電機(jī)開始逐步加速旋轉(zhuǎn)。在此同時(shí)，車模直立控制會(huì)迅速進(jìn)行調(diào)整，使得車模往前傾斜，車模開始加速。當(dāng)車模速度到達(dá)設(shè)定值，由車模速到控制算法使得電機(jī)進(jìn)入恒速運(yùn)行。此時(shí)車模直立控制算法也會(huì)相應(yīng)調(diào)整車模出于直立狀態(tài)，車模恒速運(yùn)行。車模減速過程與此類似，由速度控制算法減少了電機(jī)的電壓，電機(jī)開始減速運(yùn)行。直立控制算法會(huì)自動(dòng)調(diào)整車模往后傾斜，使得車模減速。車模轉(zhuǎn)向控制是在車速控制根底之上，調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓差使得電機(jī)運(yùn)行速度出現(xiàn)差動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整車模的方向。在此控制算法中，直立控制一直維持車模的直立狀態(tài)，速度與方向控制將會(huì)成為直立控制的外部干擾。為了確保車模不會(huì)跌倒，因此外部的速度和方

54、向控制算法調(diào)整速度不能夠過快，過于劇烈。5.4 調(diào)試與參數(shù)整定前面給出的算法存在很多參數(shù)，雖然從理論上可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。但是由于受到車模模型精度的影響，計(jì)算所得到的參數(shù)也只能夠作為參考值，實(shí)際優(yōu)化參數(shù)需要通過一定參數(shù)整定。(1) 電機(jī)PWM輸出調(diào)試：程序給出兩個(gè)電機(jī)固定的PWM輸出。測試電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向是否符合設(shè)定的要求；(2) 陀螺儀和加速度計(jì)零偏調(diào)試：獲得這兩個(gè)傳感器零點(diǎn)的偏移量，保持車模直立靜止，讀取兩個(gè)傳感器AD轉(zhuǎn)換值，記錄下來，作為后面程序中的零偏常量；(3) 測試車模直立判斷程序和跌倒判斷程序：此時(shí)禁止車模直立控制環(huán)節(jié)，通過讀取加速度計(jì)的數(shù)值，判斷車模是否直立或者跌倒。車

55、模直立要求，車模傾角在正負(fù)10度之內(nèi)，保持2秒鐘，車模跌倒判斷車模的傾角大于45度；(4) 車模直立控制調(diào)試：只啟動(dòng)車模直立控制，調(diào)整兩個(gè)控制參數(shù)：傾角比例和角速度比例，使得車模能夠穩(wěn)定的直立。此時(shí)由于沒有速度控制，車?？赡軙?huì)朝一個(gè)方向加速行駛?？梢酝ㄟ^微調(diào)加速度計(jì)的零偏值，減小車模在直立的時(shí)候朝一個(gè)方向的加速度，盡量控制車模靜止；(5) 車模速度控制調(diào)試：啟動(dòng)車模的直立控制和速度控制，調(diào)節(jié)速度控制的PI參數(shù)，使得車模能夠靜止穩(wěn)定在一個(gè)地點(diǎn)。然后再給定一個(gè)設(shè)定速度，車?？梢苑€(wěn)定的前行或者后退；(6) 車模方向控制調(diào)試：啟動(dòng)車模的直立控制、速度控制和方向控制。將車模放在電磁導(dǎo)引跑道上，車模可以穩(wěn)

56、定在跑道上運(yùn)行。5.5 開發(fā)與調(diào)試環(huán)境在制作過程中，運(yùn)行的編譯環(huán)境為CodeWarrior5.0，CodeWarrior5.0是Metrowerks公司一套比擬著名的集成開發(fā)環(huán)境，具有直觀，易用的優(yōu)點(diǎn)。CodeWarrior5.0包括工程管理，代碼生成，語法敏感編輯器等，具有快速下載，單步調(diào)控的特點(diǎn)，同時(shí)可以融合C語言和匯編語言的混合編程。CodeWarrior5.0具有在線調(diào)試，單步運(yùn)行程序的功能，同時(shí)能夠觀察到主程序中定義的所有的變量的值。這一功能在進(jìn)行程序錯(cuò)誤檢查和改正時(shí)起到了至關(guān)重要的作用。CodeWarrior5.0首先要新建一個(gè)基于MC9SXS128的HCS12的工程，選用語言為C

57、，建立好新的工程后，就可以在編譯器里進(jìn)行程序的編寫。結(jié) 論本文首先對(duì)智能車整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體分析，清晰地認(rèn)識(shí)了智能車設(shè)計(jì)的根本任務(wù)，就此做出了設(shè)計(jì)的總體思路，并對(duì)小車直立行走任務(wù)進(jìn)行具體分解。然后針對(duì)各模塊進(jìn)行具體電路制作、調(diào)試，驗(yàn)證了其應(yīng)用電路原理的合理性。最后將所有模塊組合起來，設(shè)計(jì)控制算法，編寫程序，利用單片機(jī)進(jìn)行整體系統(tǒng)調(diào)試，最終設(shè)計(jì)制作完成了兩輪自平衡直立行走小車。取得的主要成果有：(1) 角度傳感器模塊的設(shè)計(jì)：深入研究了加速度計(jì)和陀螺儀的原理及應(yīng)用，設(shè)計(jì)電路并結(jié)合兩傳感器各自的優(yōu)點(diǎn)測量準(zhǔn)確的車模角度。(2) 電磁傳感器模塊設(shè)計(jì)：分析了電磁傳感器信號(hào)的處理方法，并根據(jù)算法需要設(shè)計(jì)了感

58、應(yīng)線圈布局結(jié)構(gòu)，完成了電路設(shè)計(jì)制作。(3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)出符合要求的驅(qū)動(dòng)電路。(4) 直立運(yùn)行控制算法設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)小車直立、穩(wěn)定的沿賽道運(yùn)行。完成上述工作，僅僅是實(shí)現(xiàn)了電磁車的根本功能，因此還有許多要做的工作，比方在控制算法方面進(jìn)一步提高賽車的性能?？刂扑惴ㄊ请姶跑嚨撵`魂，還有很大的提升空間，今后還需要在直立行走控制算法方面做深入的研究。需要進(jìn)一步改良的方面：(1) 改良控制算法，提高小車性能。當(dāng)前設(shè)計(jì)的控制取算法只能是小車低速行走，改良控制算法能使小車各個(gè)模塊更加協(xié)調(diào)工作，進(jìn)而能高速穩(wěn)定運(yùn)行。(2) 改良各模塊電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)更穩(wěn)定。角度傳感器模塊電路設(shè)計(jì)有缺陷，運(yùn)行時(shí)還是不穩(wěn)定，需

59、要進(jìn)一步細(xì)化電路。致 謝本設(shè)計(jì)的工作是在我的老師悉心引導(dǎo)下完成的，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo)。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成過程中，他不厭其煩地催促我們，循循善誘的引導(dǎo)我們，并為我們解答難題。他以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，高度的敬業(yè)精神，兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對(duì)我產(chǎn)生了重要影響，他淵博的知識(shí)、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪！在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫論文期間，得到了實(shí)驗(yàn)室同學(xué)的熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感謝之情。參考文獻(xiàn)1 卓晴,黃開勝.學(xué)做智能車挑戰(zhàn)“飛思卡爾杯M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:20-46.

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