华中科技大学电磁1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：华中科技大学 队伍名称：华中科技大学电磁 1队 参赛队员：刘元辉 李 鑫 唐尚勇 带队教师：何顶新 秦肖臻 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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：第 I 页 摘摘 要要 我队将于今年八月参加第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。针对比赛的具体情况，我们建立了赛车、赛道和自主控制系统的基本模型，给出了理论分析、仿真计算、在线调试的基本开发方法。在比较各种算法的性能特点后，我们确定最终方案，并完成了智能车的制作与调试。智能车开发过程中，通过比较各种方案，最终我们决定采用四个由电容和电感配成的传感器巡线。最终方案的思路是：通过对道路传感器所采集的数据进行处理分析，辅助以车模后轮码盘所采集的数据，来判断小车的方位、姿态、速度等，进而控制小车前轮舵机的摆角和后轮驱动电机的速度，使小车在最短的时间内完成比赛。我们使用 MK60N512VMD100 作为系统的控制核心，用它来进行信号采样、数据传输与运算等动作，并产生 PWM 波控制舵机和电机。关键词：智能汽车；电磁；MK60N512VMD100 第 II 页 Abstract Our team will participate in the eighth Freescale Cup National Undergraduate smart car contest in August this year.The specific circumstances of the game,we have established the basic model of the car,the track and autonomous control systems,theoretical analysis,simulation,on-line debugging development methodology.Compare the performance characteristics of the algorithm,we determine the final program,and completed the smart car production and debugging.Intelligent vehicle development process,through the comparison of different programs,and ultimately decided to use four inductances active patrol line sensor program.The idea of the final program is:treat analysis,the data collected by the auxiliary Cars rear wheel encoder data collected by road sensors to determine the cars position,attitude,velocity,and thus control the swing of the car front-wheel steering gear angle and rear-wheel drive motor speed,the car finished the race in the shortest possible time.MK60N512VMD100 system control core and use it to signal sampling,data transmission and computing movement,and generate PWM wave control steering gear and motor.Keywords:smart car;photoelectric;MK60N512VMD100第 III 目录目录 第第 1 章章 引引 言言.1 1.1 研究背景.1 1.2 概述.2 第第 2 章章 机械设计机械设计.3 2.1 车体结构.3 2.2 传感器的安装.4 2.3 电池的固定.4 2.4 底盘高度调整.5 2.5 编码器的固定.6 2.6 智能车前轮定位的调整.6 2.7 阿克曼转向仿真.8 2.8 差速调整.13 2.9 齿轮啮合.14 2.10 前后固定方式.14 2.11 轮胎固定.14 第第 3 章章 电路设计电路设计.16 3.1 电源管理部分.16 3.2 电源开关保护模块.16 3.3 MCU 部分系统设计.19 3.4 电机驱动部分.20 3.5 电磁传感器.21 3.6 编码器.24 3.7 传感器信号处理.24 3.8 起跑线检测电路.27 第第 4 章章 软件设计软件设计.29 4.1 程序整体框架.29 4.2 系统分析.29 第 IV 页 4.3 信号获取.31 4.4 信号处理.33 4.5 特殊情况处理.34 4.6 角度控制模糊 PD.34 4.7 速度控制.36 第第 5 章章 开发工具、制作、安装、调试过程开发工具、制作、安装、调试过程.37 5.1 基于 LINUX 下的 K60 开发.37 5.2 ECLIPSE.37 5.3 通讯工具.39 第第 6 章章 全文总结全文总结.40 6.1 智能车主要技术参数.40 6.2 不足与改进.40 6.3 致谢与总结.41 参考文献参考文献.42 附录附录 A 源代码源代码.43 第 V 页 第1章 引 言 1.1 研究背景研究背景 教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等四大竞赛的基础上，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，并成立了由教育部、自动化分教指委、清华大学、飞思卡尔半导体公司等单位领导及专家组成的“第一届全国大学生飞思卡尔杯智能汽车邀请赛”组委会。该竞赛是为了提高大学生的动手能力和创新能力而举办的，具有重大的现实意义。与其它大赛不同的是，这个大赛的综合性很强是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，这对进一步深化高等工程教育改革，培养本新意识，培养硕士生从事科学、技术研究能力，培养博士生知识、技术创新能力具有重要意义。以智能汽车为研究背景的科技创意性制作，是一种具有探索性的工程实践活动，其本质也是人类创造有用人工物的一种训练性实践，其过程属性是综合，而结果属性很可能是创造。通过竞赛，参赛的同学们培养了对已学过的基础与专业理论知识与实验的综合运用的能力；带着背景对象中的各种新问题，学习控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科新知识，包括来自不同学科背景大学生的相互学习，逐渐学会了在学科交叉、集成基础上的综合运用；若是以实用为目的，还必须考虑考虑可靠性、寿命、外观工业设计、集成科学与非科学，在具体约束条件下融合形成整体的综合运用。这样的训练是很有意义的。在智能车的开发过程中，各参赛队伍需要改装竞赛车模，完成智能巡线小车的制作。在此过程中需要学习嵌入式系统开发环境与在线编程方法、单片机接口电路设计，自行设计并实现识别引导导线的硬件电路、电机的驱动电路、车速反馈电路、智能车舵机控制电路以及能使小车在不驶出赛道的前提下可能快速行驶的控制策略与软件算法。第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛，已于 2006 年 8 月 21 日在清华大学顺利结束。为了使更多的高校、更多的大学生参与到这一活动中来，第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的理工类高等本科学校约 270 余所参赛，每个参赛学校限 2 个队；分五个赛区进行预赛，各分赛区的优胜队参加决赛。第四届“飞思卡尔”第 1 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 杯全国大学生智能汽车竞赛将参赛规模扩大到每校四个队伍，比赛的普及性进一步提高。第五届比赛更是加入了全新的磁导航组，增加了比赛的多样性和精彩程度。第六届比赛也越办越大，越办越精彩。第七届比赛电磁组由两轮直立前行，更具有观赏性。第八届比赛障碍物的设计更是增加了智能车的挑战，对小车性能有了更高要求。智能车的开发与设计涉及到多个专业领域，对于大学生综合素质的培养，知识面的拓展和分析问题解决问题的能力的提高很有意义，并且有利于提高大学生的动手能力、激发创新能力。此外，制作这样一个高性能智能小车的过程，也是需要同组成员相互协作、紧密配合的过程，在此过程中，团队成员的交流与合作也显得尤为重要。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。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，经历 3 代智能车硬件平台及相关算法的改进，最终设计出一套完整的智能车开发、调试平台。作为电磁组的华中科技大学电磁 1 队采用轻质量机械设计、大前瞻传感器和连续化算法处理的基本技术路线，在前瞻距离、噪声抑制、驱动优化、整车布局等方面加强研究创新，在有限计算能力下获得了较高的赛道信息准确率。使智能车能够满足高速运行下的动力性和稳定性需求，获得了良好的综合性能和赛场表现。本文将对智能车的总体设计和各部分的详细设计进行一一介绍。1.2 概述概述 1.2.1 机械设计 机械方面，主要是编码器的固定方式，以及有利于车模进行巡线、提速条件下的主板、传感器固定支架的研究和设计。1.2.2 电路设计 硬件设计是整个系统的基础，只有搭建好了稳定可靠的硬件环境，才能为后续的软件提供帮助，同时硬件设计也能为软件算法提供一种补偿作用，所以说好的硬件设计是系统最初设计的关键。1.2.3 调试平台 在调试平台下可以对于车的运行数据和状态，进行实时的观察和调试。第 2 页 第2章 机械设计 2.1 车体结构车体结构 本届飞思卡尔电磁组比赛采用 A 型车模，组委会要求车模改装完毕后，车模尺寸宽度不超过 250mm，长度没有限制。图 2-1 智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的四轮驱动模型赛车，它由大赛组委会统一提供，其机械结构简单、材料轻便强硬、零件加工精度较高。下面具体介绍 A 型车模的基本参数。基本参数 尺寸 轴距 203mm 前轮距 146mm 后轮距 145mm 车轮直径 48mm 传动比 18/76 第 3 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 组委会规定改装后车模的最大尺寸为：宽 250mm，长度不限。不得随意更换车模的零件，如有损坏可以用相同的材质零件代替。2.2 传感器的安装传感器的安装 图 2-22.2 传感器的安装 为保证车的重心尽量靠后，所以传感器的支撑杆采用密度小，强度较大的碳纤维杆，同时在车最前端只固定传感器，而将信号处理电路放到主板中，减轻前边质量。同时为了防止调试过程中小车撞墙或在比赛中撞到裁判导致传感器损坏，我们在传感器杆前加一根保护杆。2.3 电池的固定电池的固定 图 2-3 电池固定示意图 由于电池的重量较重，在整车中占有很大的比例，影响着重心的位置，所以电池固定的位置至关重要。我们选择将电池尽量靠后安装，并且保证电池水平，以保证车的稳定性。同时为了防止电池的甩动，我们用扎带进行了固定。第 4 页 第 2 章 机械设计 2.4 2.4 底盘高度调整底盘高度调整 理论上底盘越低，车的重心就越低，小车在行驶过程中就越稳定，但由于坡道和障碍，特别是今年新加入的障碍，使底盘不能像以往一样几乎贴着赛道行驶。若底盘过低，则在上坡时会损坏赛道，过障碍时可能会被障碍顶住。只能在保证小车行驶时不碰到坡道和障碍的前提下底盘尽量低。底盘通过前轮支撑架下面加垫片和后轮轴承处调整。图 2-4 前轮支撑架加垫片示意图 图 2-5 后轮轴承处调整示意图 第 5 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 2.5 编码器的固定编码器的固定 图 2-6 编码器固定示意图 往届编码器采用拖地式连接，但今年车在调试过程中静电导致复位的现象非常严重，考虑到编码器拖地可能会将赛道上的静电传到小车上，故采用齿轮连接方式。但用齿轮会导致编码器测得的实际速度与电机的实际速度一致，而差速盘与两边又可以滑动，若差速较松，则导致测速有一定偏差。2.6 智能车前轮定位的调整智能车前轮定位的调整 前轮定位对赛车的速度有很大的影响，虽然车模比较小，但是前轮定位作用还是不容忽视的。前轮定位的内容有：主销后倾、主销内倾、主销外倾、前轮前束。2.6.1 主销 转向轮（前轮）围绕主销进行旋转，前轴的轴荷通过主销传给转向轮，具备这两点的就叫做主销。主销内倾角和车轮外倾角度主要是由转向节决定。2.6.2 主销后倾角 主销向后倾斜，主销轴线与地面垂直线在赛车纵向平面内的夹角称为主销后倾角。前轮重心在主销的轴线上，由于主销向后倾斜使前轮的重心不在车轮与地面的接触点上，于是产生了离心力，主销后倾形成的离心力，可以保证汽车直线行驶的稳定性，还可以帮助车轮自动回正。主销后倾角延长线离地面实际接触越远，即主销后倾角越大，车速越高，离心力越大，前轮自动回正的能力就越强，行驶就更加稳定。第 6 页 第 2 章 机械设计 主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩，阻碍车轮偏转，主销后倾角越大，车速愈高，车轮偏转后自动回正力矩越强。但回正力矩过大，将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并使转向沉重，通常后倾角为 14 度，对于智能汽车模型，通过改变前后红色垫片的数量可以改变它的主销后倾角。2.6.3 主销内倾角 主销在横向平面内向内倾斜，主销轴线与地面垂直线在赛车横向断面内的夹角称为主销内倾角。主销内倾角也有使轮胎自动回正的作用，当汽车转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾，则车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度，在外力消失后，车轮就会在重力作用下力图恢复到原来的中间位置。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于 8，主销内倾的调整应该保持在一个合适的范围，“一般来说 08 度范围内皆可”。但主销内倾角不宜过大，否则在转弯时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，同时会加速轮胎的磨损。在实际的调整中，只要将角度调整为 5 度左右就会对于过弯性能有明显的改善。如果赛道比较滑，可以将这个角度再调节的大一些。在实际制作中，这个角度调节为 5 度左右。对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。2.6.4 前轮外倾角 通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，称为前轮外倾角。前轮外倾角是前轮的上端向外倾斜的角度，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。如果前面两个轮子呈现“V”字形则称正倾角，呈现“八”字则称负倾角。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。前轮外倾可以抵消由于车的重力使车轮向内倾斜的趋势，减少赛车机件的磨损与负重。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在 1左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。第 7 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 2.6.5 前轮前束 前轮前束是前轮前端向内倾斜的程度，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。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。由于前轮外倾使轮子滚动时类似与圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。但由于拉杆的作用使车轮不可能向外滚开，车轮会出现边滚变向内划的现象，从而增加了轮胎的磨损。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。前轮外八字与前轮外倾搭配，一方面可以抵消前轮外倾的负作用，另一方面由于赛车前进时车轮由于惯性自然的向内倾斜，外八字可以抵消其向内倾斜的趋势。外八字还可以使转向时靠近弯道内侧的轮胎比靠近弯道外侧的轮胎的转向程度更大，则使内轮胎比外轮胎的转弯半径小，有利与转向。在实际的汽车中，一般前束为 012mm。前束的调整总是依据主销内倾的调整。只有主销内倾确定后才能确定合适的前轮前束与之配合。前轮前束的调整是方便的。主销内倾的调整由于要拧开螺丝钉，固定件又为塑料，所以频繁的调整容易引发滑丝现象。而前束不会，所以调整前束是最安全、方便的。前束在摩擦大的时候有明显的效果。但是一定不要太大，适当的放开一两圈就够了。在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束 1mm 可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。调节合适的前轮前束在转向时有利过弯，还能提高减速性。将前轮前束调节成明显的内八字，运动阻力加大，提高减速性能。由于阻力比不调节前束时增大，所以直线加速会变慢。2.7 阿克曼转向阿克曼转向仿真仿真 2.7.1 阿克曼转向原理 阿克曼原理的基本观点是汽车在行驶线行驶和转弯行驶过程中每个车轮的运动轨迹 都必须完全符合它的自然运动轨迹，从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象。因此阿克曼转向要求前轮在转向时左右轮转角满足一定关系，如图 2.1 所示。左右轮转角应满足下面的关系式：ctg-ctg=K/L 式中 第 8 页 第 2 章 机械设计 汽车前外轮转角 汽车前内轮转角 K两主销中心距 L轴距 图 2-7 阿克曼转向示意图 在此次仿真过程中我们将转弯半径定义为：R=ctg*L+0.5*K=ctg*L-0.5*K。2.7.2 舵机安装方式 1)水平方向 图 2-8 正视八字 第 9 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 2-9 正视一字 图 2-10 正视 V 字 2)垂直方向 第 10 页 第 2 章 机械设计 图 2-11 俯视八字 图 2-12 俯视一字 图 2-13 俯视 V 字 第 11 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 2.7.3 仿真结果 通过仿真数据，作图分析，对每种安装方式进行对称性、线性、实际与理论的拟合程度进行分析，最终舵机安装方式选择正视 V 字，俯视八字的安装方式。图 2-14 对称性分析示意图 图 2-15 线性示意图 第 12 页 第 2 章 机械设计 图 2-16 实际与理论拟合程度分析示意图 2.8 差速调整差速调整 差速机构的部件为：带滚珠的大齿轮、带滚珠的小齿轮、大小齿轮左右各两片滑片、转轴和放松螺母，通过调节防松螺母的松紧度来调节两滑片与齿轮的滚珠之间的滑动摩擦力度，从而提供左右的驱动力，当左右车轮受到的阻力不同时，将会产生差速。图 2-17 差速调整示意图 前轮的转向结构对模型车的转向性能有着重要影响，差速同样也是影响转向性能的另一项重要因素。差速过松会导致小车加减速响应很慢，如果差速太松，发车时会明显听到“咔”的声音。差速太紧则会导致小车转弯不够灵活，在急转弯时会发生漂移现象。好的差速机构，应该在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度近似相等，不会有迟滞或者过转动的情况发生。第 13 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 2.9 齿轮啮合齿轮啮合 齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最终成绩。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行，齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的一句是，听电机带动后轮空转的声音，若声音刺耳，则是齿轮撞齿的声音，说明齿轮间隙过大；生意沉闷，则表明电机负载过重，说明明齿轮间隙太小。同时应注意齿轮互相平行，并尽量保证表面在同一平面。因为有电机和差速盘，编码器和差速盘两处齿轮啮合，可以先调整电机与差速盘的间隙，调致无明显噪声后在调节编码器与差速盘间的啮合。调节至电机全速转动时齿轮间的噪声很小。2.10 前后固定方式前后固定方式 图 2-18 固定板示意图 将车模前后部分的连接块改为强度较大的 PCB 板，减轻小车高速行驶时的抖动，以增强车的稳定性！2.11 轮胎轮胎固定固定 模型车在高速的条件下（2.3m/s3.5m/s），由于快速变化的加减速过程，使得模型车的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力。在实验中调试表明，赛车在高速下每跑完一圈，轮胎与轮辋之间通常会产生几个厘米的相对位移，严重影响了赛车的加速过程。为了解决这个问题，我第 14 页 第 2 章 机械设计 们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。第 15 页 第3章 电路设计 3.1 电源管理部分电源管理部分 电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件，电源管理对于依赖电池电源的智能小车是至关重要的。好的电源管理不仅能延长电池的使用寿命，更重要的是保证系统中各模块供电的稳定性，关系到整个系统能否正常工作。本智能汽车电源管理主要包括：控制部分 MCU 电源，舵机电源，电机驱动电源，陀螺仪、加速度计和编码器电源。其系统框图如下：图 3-3-1 电源管理系统框图 调试中为了方便了解系统电源的工作情况，故需要加入电源监视电路即时提醒注意电池电压状况。电源管理部分体积、功耗都不能太大，不能影响电路的正常工作。而且竞赛规则规定，比赛使用智能汽车竞赛统一配发的标准车模用 7.2V 2000mAh Ni-Cd 电池供电，而单片机系统，电机，激光等部分需要的电源条件均不同，因此要视需求分配，要在不影响系统稳定性的情况下，尽量做到各部分供电的分离，以便减小各部分间的干扰，具体如下:3.2 电源开关保护模块电源开关保护模块 由于智能车使用的直流电源，故一旦电池的正负极接反将造成很严重的后果，很有可能烧坏主控制板，即便使用了区别正负极的 T 型头，但仍存在接反的可能；故考虑在电源的最开始部分设计防插反的结构和插反后的保护电路，并力求结构简单。一般来说，整流二极管拥有良好的单向导电性及反向截止特性，故使用整流二极管作为反接保护器件。第 16 页 第 3 章 电路设计 图 3-2 电源保护电路设计 3.2.1 5V 电源模块 由于陀螺仪，加速度计和编码器三部分都需要 5V 直流稳压，为简化电路共用一个稳压芯片。由分析可得：U=+5.0V+5%（4.75V-5.25V），I 600mA。因 LM2940-5V 具有纹波小电路简单的优点，故可以作为合适的稳压芯片选择。图 3-3 LM2940-5V 电路原理图 3.2.2 舵机电源模块 由于舵机的工作状态深受其供电电压的影响，过高会增加电池负担，过低又会影响响应速度，具体需要视情况而定，故选择稳压值可调的稳压芯片。为更好的选择稳压芯片，我们决定计算舵机的工作电流。舵机电流的计算：舵机有两个重要的参数，一个是输出扭矩，单位为 Kg.cm；另一个是动作速度，单位为 S/60。下面我们就根据舵机的这两个参数来计算舵机的输出功率，进而计算计算出舵机的电流。令扭矩为X Kg.cm，即1cm处舵机的力量为X Kg；速度为Y S/60=Y/60 S/1。则角速度为 w=60/Y360*2，单位 rad/s；第 17 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 当半径为 1cm 时的线速度为 v=w*0.01，单位 m/s；把 Kg 转换为牛顿，即力量为 F=X*9.8，单位 N；则舵机功率为 P=F*v，单位 w。注：当半径 r 大于 1cm 时，线速度增大，而舵机在 r 处的力量减小，理论上功率不变。最终得到公式：P=0.103*X/Y，单位 w。（1）按照上面描述模型计算 S3010 的输出功率为:P=6.0*0.103/0.16=3.8625 W 在标称电压 6V 的基础上面我们可以求得舵机的电流为：I=P/V=3.8625/6=0.64375A（2）按照上面描述模型计算 SD5 的输出功率为:P=5.0*0.103/0.14=3.67857 W 在标称电压 6V 的基础上面我们可以求得舵机的电流为：I=P/V=4.184375/5=0.73571 A 输出可调稳压器选型：LT1083 系列芯片具有低压差，过载保护，纹波抑制等功能。需根据电流需要选择合适芯片，且它的静态电流流入负载，提高了效率。图 3-4 压差随电流负载变化图 图 3-5 压差随电流负载变化示意图 第 18 页 第 3 章 电路设计 25时压差典型值为 1.3V 最大为 1.5V。图 3-6 LT1083 典型电路 由于舵机的电源模块需要输出可调的稳压芯片，最终我们选择均使用LT1084 芯片，在实际测试中，能够满足需求。3.2.3 主控部分电源模块 主控部分供电是 3.3V 供电。LM1117 是一个低压差电压调节器系列。其压差在 1.2V 输出负载电流为 800mA 时为 1.2V。LM1117 有可调电压的版本通过2 个外部电阻可实现 1.2513.8V 输出电压范围。另外还有 5 个固定电压输出1.8V、2.5V、2.85V、3.3V 和 5V 的型号。因其有 3.3V 固定输出的版本，最终选用它为主控模块供电，电源处理如下图：图 3-7 主控电源电路设计 3.3 MCU 部分部分系统设计系统设计 MCU 最小系统部分主要包括：MCU 复位、通讯、人机交互、与外围器件接口，结构框图如下：第 19 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 3-8 MCU 部分系统框图 3.4 电机驱动部分电机驱动部分 3.4.1 H 桥驱动电路 本文研究的重点是如何给电机提供尽量大的驱动电压（尽量接近电源电压）和电流，以及尽量减少驱动环节的能量损耗。图 3-9 SFET 驱动电路电路原理图 第 20 页 第 3 章 电路设计 3.4.2 BTS7960 搭建 H 桥模块 如果用 PNMOS 搭建的话要配合死区延时，比较麻烦，可以采用 BTS7960，它内部集成了 P、NMOS 管各一个，死区延时和过热过压保护，比较方便安全。图 3-10 BTS7960 驱动原理图 3.5 电磁传感器电磁传感器 3.5.1 磁场仿真 在电磁式智能车比赛中，基本原理是依靠传感器检测赛道中的磁场强弱变化，根据磁场的信息判断赛道的型别（程序则可以根据赛道的型别进行分型处理）。而磁场仿真的结果可以用来确定传感器的布局和实现预判断。如果可以根据各种不同基本单元的磁场分布的特点准确的判断基本单元的类型，那么则可以进行预判处理，实现十字交叉处提前减速；S 弯当成直道处理等。第 21 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 3-11 直道入 90 度弯的磁场云 图 3-12 入十字弯的磁场云图 通过两图的比较，磁场的前瞻会出现误判，将十字弯也判断成直道入弯，因此通过合理的处理是可以分辨直道入弯和十字弯。单独一个线圈感应电动势输出电压 Vox是位置 x 的偶函数，只能够反映到水平位置的绝对值 x 的大小，无法分辨左右。为此，可以使用相距长度为 L 的两个线圈电感，计算两个电感感应电动势的差值：第 22 页 第 3 章 电路设计 令 L=30cm，计算得到两个线圈电动势差值 Ed 如下图所示：图 3-13 双水平线圈电压差值与横向位移的关系 由图可知，在位移 030cm 内，电动势差值 Ed 与位移 x 关系是一个单调函数。可以使用这个量对于小车转向进行负反馈控制，从而保证两个线圈的中心位置跟踪赛道的中心线。通过改变线圈高度 h、线圈之间距离 L 可以调整位置检测范围以及感应电动势的大小。3.5.2 LC 谐振电路分析 LC 电路输出电阻 R0 公式如下：为了使谐振产生的信号输出幅值更大，要考虑两点：第一，输出越大，R0就要越大大，为了配合信号源的输出频率 20KHz，电感越大，电感的阻抗越高，第二，谐振的频率要在 20KHz 附近，幅值衰减最小，电路的品质因数 Q 要大一些，可以大幅减小其他频率的幅值而保持所选频率的幅值衰减不大，达到一个选频的目的。经过粗略的计算将电感电容定在 33mH 和 1.8nF，但是电感电容的值第 23 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 并不精确，实际值与标称值差别较大，在选取的时候要注意把电容电感通过梯度值分类，保证所选频率的值要尽可能的靠近 20KHz，所以需要精确测量。3.6 编码器编码器 为了实现更准确的速度控制，我们附加了编码器模块。通过编码器实现速度的反馈，通过反馈量能更加准确的实现速度的控制和优化，而且编码器重量轻，能耗低，电路实现简单，利远大于弊。其电路设计部分如下：图 3-14 编码器电路设计图 3.7 传感器信号处理传感器信号处理 通过上述 LC 检波电路，可很好的将 20KHz 的信号选择出来，但为了增大 测量精度，还需要对检波信号进行放大，此外，由于检测头输出为正弦交流信 号，为了减少程序处理难度并尽量减小误差，还需要对放大后的信号进行检波，使其变为直流信号。在信号放大方面，可以用共射三极管放大电路，但由于其 放大倍数小，且对称性较差，我们最终还是选用了集成运放放大的办法。整个信号处理电路设计如下：在经过集成运算放大器对信号进行放大之后，后面选用了倍压检波电路来对电压进行检测，并使用运放内部的电压跟随器来减小输出电阻，减小负载对输出第 24 页 第 3 章 电路设计 电压的影响。在得到平滑的 直流电压信号以后，将其送至 AD 端采样，即可得小车偏离赛道的信息，根据该信息就可以对小车作转向处理了。3.7.1 传感器布局 图 3-15 传感器布局示意图 3.7.2 信号测量与处理 图 3-16 直道信号测量结果 图 3-17 信号处理后 可见，在直道上，X 与“八”零点无偏差，但线性区范围不同。第 25 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 3-18 弯道信号测量结果 图 3-19 信号处理后 弯道上，八字形传感器更敏感。3.7.3 十字弯信号 传感器的角度、间距以及放大倍数对信号测量均有较大影响，比如八字形传感器角度变大对弯道的预测越提前，但对十字弯越敏感：如图所示电流方向为灰色箭头方向，合成电流方向近似为红色直线方向，因此和蓝色直线方向平行的磁场强，当倾斜角为 45 度时，右八会很强，左八近乎为零（与红线平行），而两个X 基本相等。第 26 页 第 3 章 电路设计 图 3-20 十字弯信号示意图 而间距将影响线性区范围；放大倍数影响偏差，所以要综合考量角度、间距以及放大倍数。3.8 起跑线检测电路起跑线检测电路 按照比赛规则，起跑线是 6 个按照一定间隔放置的磁钢（表面磁场强度3000 到 5000 高斯）组成，而且磁钢的极性是随机放置的。如果使用霍尔方式检测那么极性问题就一定要考虑进去，所以一对霍尔传感器至少是两个。但是如果使用干簧管，极性的问题就不用考虑。干簧管不用供电，将干簧管的一端接地，一端接 IO，然后利用单片机的内部上拉，用程序去检测低电平。这样就可以完全利用 Freescale 芯片的内部资源简化电路的设计。其电路设计如下：第 27 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 3-21 干簧管模块电路设计图 第 28 页 第4章 软件设计 4.1 程序整体框架程序整体框架 整个系统由飞思卡尔半导体公司（原摩托罗拉半导体部）的 32 位 K60 系列微控制器中 MK60N512VMD100，对电磁传感器信号进行采集和处理，并对输出的两路 PWM 分别控制，进行舵机和电机的控制，一路 PWM 控制转向来使小车更好的巡线，另一路 PWM 通过硬件电路驱动来控制电机，决定小车的速度。另外使用编码器采集速度值，作为辅助速度控制。图 4-1 系统框图如下所示：4.2 系统分析系统分析 4.2.1 问题获取 对于竞速巡线智能车，我们参加的是电磁组比赛，首先仔细阅读比赛的规则以及相关规定，我们要做的是在此限制的基础上控制小车以最快的速度完成比赛全程。系统的主要信息量为赛道中心通有 20KHz 方波产生交变磁场的漆包线产生的磁场。4.2.2 分析 对于电磁车的控制，电感传感器作为主要的数据信息来源，必须分析电感传感器的特点，包括：电感感应出感应电压后，通过放大，检波等，输入单片机的 AD 通道，通过单片机处理出 AD 值，是一个模拟量；不同方向电感，对不同方向的磁场的敏感程度（即感应出来的电压）不一样。通过分析电感布局的，可以使电感感应到前方的磁场 第 29 页 第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 4.2.3 功能需求 为了更好的控制，电磁智能车控制系统需要有：（1）高速、高性能控制芯片；（2）速度反馈；（3）需要实现基本的人机交互；（4）需要返回车在运行时的实时状态或存储运行的信息；（5）可以对返回的数据进行快速的数据分析；4.2.4 性能需求 对于性能方面的需求，包括：（1）高速、高性能控制芯片；（2）稳定的电源供电模块；（3）强劲的电池放电能力；（4）高效的电机驱动与传动效率，速度响应快速，加减速性能优越；（5）较好的轮胎摩擦力；（6）机械性能稳定、轻量化（7）较短的控制周期（8）程序高效稳定、发挥出机械与电路上的最高速度；（9）高效高速稳定的数据通讯实现；4.2.5 接口需求（1）硬件接口需求 需要统一完善的电路接口，做到不重复开发。（2）软件接口需求 对于系统的设计，需要程序底层向中层提供方便的函数接口，屏蔽所有底层寄存器调用，达到变量控制一级；中层对于高层提供可以方便调用的变量、函数接口；整个调用实现效率高，每层做到保护自己私有的数据、防错处理，对于全局变量的控制权进行控制。（3）通讯接口需求 程序的通讯部分向上要有足够高的封装度，使用人性化，调用方便，实现高效，内部实现向上屏蔽，缓冲数据私有，移植性强，可扩展性强。第 30 页 第 4 章 软件设计 4.2.6 调试需求（1）软件设计的模块化，提高程序的可读性。（2）统一的编程风格，并加注释，尽量用英文注释。（3）各成员统一程序版本，使用 SVN 管理程序版本，加强沟通，协调合作。（4）调试前了解小车的性能，以方便调试时参数的修改。（5）调试中使用串口调试，将数据发到电脑上分析，做好完整的调试记录。（6）调试中使用 SD 卡调试，将每个程序周期的数据写入到 SD 卡中，记录小车跑时的 状态，将数据在电脑上进行分析，做好调试记录。（7）调试中将小车的运行状态反映到 LED 灯，蜂鸣器上。4.2.7 调试步骤（1）首先配好底层驱动，进行硬件调试（2）然后通过中层将底层整合，为上层控制和信号处理做准备；（3）最后进行赛道调试 4.3 信号获取信号获取 4.3.1 AD 读取 我们采用如图分布的传感器方案，将四个传感器信号放大后输入 MCU 的四个 AD 通道，即可获得对应传感器的信号。软件上 2ms 周期性读取一次 AD 值，用于后面的各种处理。图 4-2 传感器布局 4.3.2 信号滤波 在小车运行过程中，有时候会受到温度、传感器晃动、特别是静电的影响，会出现异常的信号，这些信号对获取小车当前状态影响非常大。在高速运行时，即使是偶尔一次的信号跳变或异常都可能会对小车造成严重后果，直接冲出跑道。另外，在一条赛道的不同地方，信号的强弱也会不可避免地发生变化，如果不加处理使用同一套