电磁组-湘潭大学电磁二队技术报告.pdf

第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技技 术术 报报 告告学校：湘潭大学队伍名称：湘大电磁二队参赛队员：陈宇杨维民刘湘宁带队教师：肖业伟郭雪峰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五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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.-1-1.1 概述.-1-1.2 技术报告结构.-2-第二章、系统总体方案设计及车模各项参数.-3-2.1 系统设计方案及总框图概述.-3-2.2 车模的技术参数说明.-3-第三章、机械结构部分设计及调整.-5-3.1 电磁传感器的安装.-5-3.2 车模转向舵机机械结构的设计.-5-3.3 测速编码器的安装.-6-3.4 车模机械调整.-6-3.4.1 前轮主销内倾角调整.-6-3.4.2 前轮前束调整.-6-3.4.3 车模重心调整.-6-第四章、硬件电路设计.-8-4.1 主控板电路设计.-8-4.1.1 电源管理模块.-8-4.1.2 主控模块.-9-4.2 电机驱动模块.-10-4.3 电磁传感器电路.-11-4.4 起跑线检测电路.-12-第五章 软件系统设置.-14-5.1 系统控制总体流程图.-14-5.2 偏差提取算法设计.-14-5.3 舵机控制算法.-15-5.4 电机 PID 速度控制算法.-16-第六章、仿真与调试.-17-6.1 开发及调试工具.-17-6.2 智能车蓝牙实时监测系统.-17-6.3 存在问题及解决方法.-18-参考文献.-19-附录（参考程序）.-20-1-第一章、引言教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。为了响应教育部的号召，本校为响应教育部的号召，本校积极组队参加第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。在此之前，本校已经参加过五次“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛,在前几年积淀的基础上不断创新，继续努力，本队从 2012 年 12 月开始着手进行准备，历时近 8 个月，经过设计理念的不断进步，制作精度的不断提高，对算法及整车的机械结构的改进，最终设计出一辆完整的、稳定的并能高速运行的智能车。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，本队采用了车 A 模型、各功能电路模块、直流电机、转向舵机和可充放电电池制作出了一个能够自主识别电流为 20KHz,80 120mA 导线线路的智能车，能够在比赛跑道上自主识别道路方向，能够保持较高的速度稳定运行。在为比赛准备的很长的一段时间里，我们深入学习、应用嵌入式软件开发工具软件 codewarrior 和在线开发手段，自行设计了智能汽车自动识别路径的方案，制作了系统主控制板、电机的驱动电路、检测道路信息的电磁传感电路和检测起跑线的干簧管电路，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、自动控制原理、单片机原理和机械设计等。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，翻阅和参考了很多文献资料，提高自己的理论水平；在电路设计和调整车模机械机构等过程中，我们的实践动手能力得到了极大的训练和提升；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，如舵机的PD 算法和电机的 PI 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。在思考控制算法和调整智能车车模机械结构的过程中，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。第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告-2-1.2 技术报告结构本文结构安排如下：本文第一章为引言；本文第二章介绍系统总体方案设计及车模相关参数说明；本文第三章介绍车模机械结构的调整；本文第四章介绍硬件电路设计；本文第五章介绍软件的实现；本文第六章介绍仿真及调试智能车的过程。-3-第二章、系统总体方案设计及车模各项参数2.1 系统设计方案及总框图概述根据电磁检测方案设计，智能车共包括五大模块：电磁传感器模块、测速编码器、MC9S12XS128 主控模块、电源管理模块、电机驱动模块。图 2.1 系统结构框图2.2 车模的技术参数说明电磁传感器直流电机驱动模块MC9S12XS128测速编码器7289 按键及显示模块伺服舵机可充放电池电源管理模块第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告-4-模型车的外形如下图所示：智能车主要技术参数如下：项目参数车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）712248110电路电容总量（微法）约 1890uF传感器种类及个数电磁传感器5；测速编码器1；干簧管5主要芯片LM29403;MC9S12XS1281车模重量1.1Kg赛道检测精度5mm电机个数舵机1;电机1赛道检测频率(AD 检测频率)1KHz功率（各部件都工作时）14W-5-第三章、机械结构部分设计及调整3.1 电磁传感器的安装传感器应尽量伸出车体以获得足够的前瞻量，有利于智能车高速运行；另外，电磁传感器安装方面，经过不断的改进，仅将传感器的谐振电路部分安装在智能车支撑杆伸出处，并将信号放大和检波电路装载在后面，以至于减轻传感器部分重量，继而减小前瞻电路板抖动，保证智能车性能稳定。图 3.1 电磁传感器安装图3.2 车模转向舵机机械结构的设计舵机采用竖向安装，安装如下图，此种安装可降低车子重心。图 3.2 转向舵机安装图第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告-6-3.3 测速编码器的安装采用废旧印刷电路板作固定模块，将测速编码器稳定安装于后轮部分，并使测速编码器齿轮与电机齿轮接触合适，不能接触太紧，也不能太松。图 3.3 测速编码器的安装3.4 车模机械调整3.4.1 前轮主销内倾角调整主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正，但是主销内倾角不宜过大，否则在转弯是轮胎将与赛道间产生较大的滑动，从而会增加轮胎与路面间的摩擦阻力，使转向变得沉重，同时会减速轮胎的磨损。通过反复调试和测试，最终，取主销内倾角12。3.4.2 前轮前束调整前轮前束是前轮前端向内倾斜的程度，当两轮的前端距离小后端距离大时为内八字，前端距离大后端距离小为外八字。经过各种调整和搭配，最终选择前轮内八字与前轮内倾搭配，转弯较为灵活，并且回正速度也快，因此，智能车能够明显倾内道，选择最佳路径，实现车速的提升。3.4.3 车模重心调整车模重心调整包括重心高度的调整和重心前后位置的调整。第三章 机械结构部分设计及调整-7-在理论上，车模的重心越低稳定性能越好，重心低有利于智能车在高速转弯的贴地性，可以有效防止侧翻，因此在车体底盘高度、舵机安装、测速编码器和电路板的安装等上尽量使重心放低。在实践调整过程中，通过对前轮与底盘连接处的调整，能够适当的降低智能车重心；安装电路板时，尽量贴近底盘。根据汽车运动学理论，车身重心前移，大部分重量压在前轮，转向负荷增大，对智能车的操纵稳定性有益，但降低转向的灵敏度，同时降低后轮的抓地力；重心后移，会降低智能车的操纵稳定性，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加。但综合上述，重心应靠后一点。在实践调整过程中，经过反复的调整重心前后位置，发现重心靠后一点，确实对智能车的性能有一些提高。-8-第四章、硬件电路设计4.1 主控板电路设计4.1.1 电源管理模块电源是一个系统稳定工作的基础，电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。智能车系统中需要供电的部分包括：传感器模块、单片机模块、电机驱动模块等。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。由于智能车使用 7.2V 镍镉电池供电，在小车行进过程中电池电压会有所下降，故使用低压差电源管理芯片 LM2940。LM2940 是一款低压稳压芯片，能提供 5V 的固定电压输出。LM2940 低压差稳压芯片克服了早期稳压芯片的缺点。与其它的稳压芯片一样，LM2940 需要外接一个输出电容来保持输出的稳定性。出于稳定性考虑，需要在稳压输出端和地之间接一个 200uF 电容器。电路如图所示：图 4.1.1（1）稳压电路S3010 舵机的额定供电电压为 6V，但经测试发现，使其供电电压略高于 6V可提升舵机的响应速度。而用一般的线性稳压电源需要一定的压差，在 7.2V 电池供电时，很难将输出电压提高。固这里使用开关电源 LM2576-ADJ 为舵机供电，调节电阻 R5、R6 比值，得到 6.5 6.7V 的电压为舵机供电。其电路如图所示。第四章 硬件电路设计-9-图 4.1.1（2）开关电源电路4.1.2 主控模块整个系统的核心控制器采用Freescale的MC9S12XS128型号的16位单片机，5V 电源供电。单片机内部资源有：128KB 的 FLASH、8KB 的 RAM、8KB 的DATAFLASH、I/O 口有 91 个、总线频率为 40MHz，内部有 CAN 总线、SCI、SPI，16 路 12 位 A/D、16 位定时器、4 路 PIT 等。单片机有很丰富的资源，可以满足整个系统的需求。图 4.1.2（1）单片机主控制板 PC 图第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告-10-图 4.1.2（2）单片机最小系统原理图4.2 电机驱动模块电机驱动模块采用四片 BTN7970 搭建而成，能够稳定的、高效的和快速的控制直流电机。BTN7970 是由 Infineon(英飞凌)公司推出的智能功率驱动芯片，内含电流检测电路、控制驱动电路，以及 1 个 P 型和 1 个 N 型 MOSFET 管，可以灵活应用于 2 相或 3 相、直流有刷或无刷电机的控制驱动电路中，不仅可以简化电路设计，而且使得控制更加简单。在过温、过压、欠压、过流和短路的情况下，芯片自动关断输入；当电流超过标定的最大电流时，通过 MCU 端的 I0 使能引脚关断第四章 硬件电路设计-11-驱动芯片。为了防止系统在工作过程中因为芯片保护而停止工作，在系统设计时要考虑散热、稳压、过流保护等情况并采取措施。图 4.2.1BTN7970 引脚图整个驱动电路由二部分组成，第一部分驱动直流电机正转；第二部分驱动直流电机反转。上述两个部分均由两片 BTN7970 并联输出，以此增强驱动能力。图 4.2.2 电机驱动模块4.3 电磁传感器电路第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告-12-电磁传感器电路由三部分构成，第一部分为滤波部分，第二部分为放大部分，第三部分为检波部分。滤波部分选用 LC 并联来实现选频，经过试验，电感值选取 10mH，电容值为 6.8nf 时，效果最好，在实践测试过程中，独石电容稍优于陶瓷贴片电容，前者受温度影响较小，而后者较大。放大部分采用运放放大，采用的芯片为 tlv2472，并且设计为放大倍数可调，以方便调整和修正传感器的采样值。检波部分采用组委会提供的方案，运用肖特基二极管，因为这类二极管的开启电压一般在 0.10.3V 左右，小于普通的硅二极管（0.7V），可以增加输出信号的动态范围和增加整体电路的灵敏度，另外，在选择 RC 的时间常数时，不能太大，只需超过信号周期的 3 到 5 倍，此值太大，将会影响电路采样的动态性能，采样值不能及时更新，影响智能车高速运行；此值太小，将会影响其静态性能，检波电路部分输出波动比较大，不稳定。图 4.3 电磁传感器电路4.4 起跑线检测电路采用 5 个干簧管并联检测起跑线，增强检测起跑线的灵敏度。干簧管检测电路如下：第四章 硬件电路设计-13-图 4.4 起跑线检测电路-14-第五章 软件系统设置5.1 系统控制总体流程图程序采用顺序结构，Main 函数中各模块初始化后，开启定时器中断，定时1ms 中断一次。各个子程序的执行周期都为整数毫秒，执行完后，单片机处于等待定时器中断状态，控制流程图如下：所有模块初始化按键设置参数AD 采集计算导线偏离距离舵机打角速度决策检测起跑线？停车YN图 5.1控制系统总体流程图5.2 偏差提取算法设计第五章 软件系统设置-15-路径识别主要是依靠采集 AD 传感器的值进行分析和处理，得出对导线偏离中线的位置。我们采用定时器中断，在主函数执行 AD 数据处理。AD 数据处理主要包括对 AD 连续序列的转换与存储、AD 的数字滤波处理、对 AD 数据的有效性判断。其中滤波处理能有效的过滤掉一些静电产生的峰值尖峰，防止小车误判的可能性，提高了车子稳定性。判断 AD 数据的有效性能够在小车转弯或者传感器脱离赛道后，单片机进行特殊处理。根据有效的 AD 采样值，路径偏差主要是采用记忆累加的方式得到当前偏离导线的偏差值。以传感器建立坐标轴，中间位置为坐标 0，导线的坐标为 x_laber。设当传感器变化了一个阙值，x_laber=last_x_laber+1 或者 x_laber=last_x_laber-1。此阙值程序可以设置。调整此值可以调整舵机打角敏感度，也可以调整 x_laber的范围。x_labe05.2 偏差提取示意坐标图 5.2 算法图示5.3 舵机控制算法舵机控制主要运用位置式 PID，主要参数为 P 参数和 D 参数。参数的整定是非常关键的。舵机打角主要依据传感器提取出来的偏差值 x_laber 加上 P 参数的放大以进行角度控制。其中 D 参数决定了打角的快速性，整定好的参数能够有效的让舵机打角更流畅更迅速。当 x_laber 越大，那么舵机打的角度也越大，x_laber 越小，舵机打的角度也越小。所以偏差提取和舵机 PID 控制的结合好才能提速。减小 x_laber 的误判或者灵敏度，能有效防止直道抖动，小 s 弯道抖动以及打错角的情况，我们花了大量时间在此环节上。第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告-16-5.4 电机 PID 速度控制算法速度控制也是较为关键的一部分，在流畅的基础上能够很好的控制好速度是很重要的一个环节。电机如果控制的好的话，小车能既快速又稳定的运行。要想控制好速度，首先得进行道路判断。道路情况分为直道，环道，和弯道。经过仔细分析后，发现直道的 x_laber 的范围为15，环道的 x_laber 则是 x_laber变化不超过 30，根据此特点，进行道路判断，再根据不同的道路情况，给定不同的速度目标值，再利用电机 PID 进行调节。电机 PID 的调节的好坏能直接体现在小车加速、减速的速度上。加速减速快说明 PID 参数整定的好。电机占空比的给定是根据测速编码器反馈回来的脉冲数和当前目标脉冲数。实际脉冲数少于目标脉冲数，占空比则累加，电机加速。实际脉冲数大于目标脉冲数，占空比累减，电机减速。-17-第六章、仿真与调试6.1 开发及调试工具采用了 USB 接口的 HCS12 BDM 下载工具，是支持 Freescale MC9S12 系列16 位单片机的 BDM 调试工具。软件上采用的是 CodeWarrior for HCS12,经过源程序的编写，连接，通过 BDM 下载至 MC9S12XS128，完成单片机的开发过程。CodeWarrior 是 Metrowerks 公司专门面向 Motorola(Freescale)设计的嵌入式应用开发的软件工具，包括集成开发环境 IDE，处理器专家库，全芯片仿真，可视化参数显示工具，项目管理器，C 交叉编译器，汇编器，链接器以及调试器，支持在线编程和调试，给我们的开发，设计工作带来了很大的方便。6.2 智能车蓝牙实时监测系统通过使用 matlab 软件编写智能车蓝牙检测系统，该系统包括下位机采集系统、蓝牙设备和上位机显示及分析界面。此系统可以实时采集各个传感器的数值，并能以曲线形式显示出来；能够将运行过程中智能车所处的位置反馈回来，以曲线形式呈现。通过这些传输到上位机的数据进行分析，对调整电磁传感器电路放大倍数、检测传感器是否正常、排除故障和改进算法等都有很大的帮助。6.2 智能车蓝牙检测系统上位机界面第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告-18-6.3 存在问题及解决方法在飞思卡尔智能车比赛过程中，遇到很多问题，本队各成员总是协同作战，共同讨论，积极探索，最终解决。期间，智能车主控制板总是复位或者出现死机，通过排除各个模块及各种可能的原因，终确定是静电干扰；然后，通过上网查询资料查找解决方案，尝试各种方法；最终，通过将单片机的 PE7 端口接地解决故障。还有等等细节，不在此一一说明，作者水平有限，文中有些错误或不足，希望各位专家及学者指出或批评。-19-参考文献1胡寿松,自动控制原理M.北京：科学出版社，20012 贾伯年，俞朴传感器技术M第 2 版，南京：东南大学出版社，2000.83卓晴.黄开胜.邵贝贝.学做智能车挑战“飞思卡尔”杯.北京：北京航空航天大学出版社，2007.34邵贝贝,Motorola(Freescale)16 位微控制器及其嵌入式应用M.北京:清华大学出版社,20065邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法.北京：清华大学出版社，20047陶永华,尹怡欣,葛芦生,新型 PID 控制及其应用M.北京:机械工业出版社,19988李仕伯.马旭.卓晴.基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究，清华大学，2009.129竞赛组秘书处 技术组.20KHz 电源参考设计方案10陶永华,尹怡欣,葛芦生,新型 PID 控制及其应用M.北京:机械工业出版社,1998胡寿松,自动控制原理M.北京：科学出版社，2001第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告-20-附录（参考程序）/*偏差提取*/void weizhi_tiqu2(void)uchar i;uchar max_label=0;int now_ek;int total,AD_max=0;total=long_AD0+long_AD1+long_AD2+long_AD3+long_AD4;if(total=400)if(last_location=left2)long_AD0=long_AD1+1;long_AD2=0;long_AD3=0;long_AD4=0;附录-21-elseif(last_location=right2)long_AD0=0;long_AD1=0;long_AD2=0;long_AD4=long_AD3+1;if(long_AD120&last_location=left2)OUT_flag=1;elseif(long_AD320&last_location=right2)OUT_flag=2;elseif(long_AD135&last_location=left2)OUT_flag=3;第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告-22-elseif(long_AD335&last_location=right2)OUT_flag=4;elseif(long_AD145&last_location=left2)OUT_flag=5;elseif(long_AD345&last_location=right2)OUT_flag=6;else OUT_flag=0;for(i=0;i=long_ADmax_label)max_label=i;附录-23-AD_max=long_ADmax_label;if(AD_max70)if(AD_maxpaofei_time)/跑出赛道，停止Motor_stop();DisableInterrupts;while(1);else spid.paofei_count=0;switch(max_label)case 0:第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告-24-sensor_ek=ek_left2;now_ek=long_AD1;if(last_location=left2)x_change(now_ek);if(x_laber-x_max)x_laber=-x_max;else if(last_location=left1)x_laber=-x_max;last_ek=now_ek;last_location=left2;break;case 1:now_ek=long_AD2-long_AD0;附录-25-sensor_ek=ek_left1;if(last_location=left1)x_change(now_ek);if(x_laber-x_min)x_laber=-x_min;else if(last_location=left2)x_laber=-x_max;last_ek=now_ek;last_location=left1;else if(last_location=middle)x_laber=-x_min;last_ek=now_ek;last_location=left1;break;第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告-26-case 2:now_ek=long_AD3-long_AD1;sensor_ek=ek_middle;if(last_location=middle)x_change(now_ek);if(x_laberx_min)x_laber=x_min;elseif(last_location=left1)x_laber=-x_min;last_ek=now_ek;last_location=middle;else if(last_location=right1)x_laber=x_min;last_ek=now_ek;附录-27-last_location=middle;break;case 3:now_ek=long_AD4-long_AD2;sensor_ek=ek_right1;if(last_location=right1)x_change(now_ek);if(x_laberx_max)x_laber=x_max;else if(last_location=right2)x_laber=x_max;last_ek=now_ek;last_location=right1;第八届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告-28-elseif(last_location=middle)x_laber=x_min;last_ek=now_ek;last_location=right1;break;case 4:sensor_ek=ek_right2;now_ek=-long_AD3;if(last_location=right2)x_change(now_ek);if(x_laberx_max)x_laber=x_max;elseif(last_location=right1)附录-29-x_laber=x_max;last_ek=now_ek;last_location=right2;break;default:break;