山东交通学院-追影队技术报告.doc
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第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛技术报告学 校: 山东交通学院 队伍名称: 追影队 参赛队员: 张灿旺 阙孝敬 刘海洋带队老师: 高树文 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六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛关于保留、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:张灿旺 阙孝敬 刘海洋带队教师签名:高树文 日 期: 2011-08-07目录第一章 引言.51.1 智能车比赛背景.51.2智能车比赛意义.5第二章 智能车制作概述.62. 1 智能车制作情况概述.6 211 电路设计.6 212 机械设计.6 2. 1. 3 整个小车的控制策略:.6 2.2方案设计.6 22.1 系统总体方案选定.6 222 系统总体方案的设计.6 2. 3 智能车系统分析.7 2.4 智能车系统硬件结构设计.7 2.5 智能车系统软件结构设计.8第三章 机械结构设计.83.1 智能车的整体结构 .8 3.2 前轮参数调整 .9 3.2.1 前轮定位.9 3.2.2定位参数调整方法.103.3 舵机安装.10 3.3.1平躺式固定.103.3.2站立式固定.113.4 后轮差速机构调整 .123.5 齿轮传动机构调整.123.6 车体重心调整.133.7 编码盘安装 .133.8 传感器支架安装与固.143.9 主控电路板结构调节.15第四章 硬件系统设计.164.1 信号源模块.164.1.1 震荡电路.164.1.2 功率输出电路.164.1.3 恒流控制.174.2电源模块 .174.3 S12 单片机最小系统.184.3.1 道路信息检测的方.194.3.2 传感器的选择及电路设计.194.3.3 检测方案的选择.214.4 起跑线检测模块的设计.224.5 电机驱动模块的设计.224.6测速模块.23第五章软件结构设计.245.1 软件处理流程.245.2 模块初始化.245.3速度控制算法与弯道控制策略.255.4 舵机控制.27第六章 软件调试.286.1 开发环境CodeWarrior5.0调试.28第七章 总结.297.1车模整体特征.297.2 模型车的主要技术参数.29参考文献.30源程序代码.31第一章引言 1.1 智能车比赛背景 受教育部高等教育司委托(教高司函2005201 号文),高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛是在飞思卡尔公司资助下以HCS12单片机为主控微控制器芯片的模型车体的基础上进行设计,制作出具有自主道路识别能力的智能汽车,是教育部主办的全国大学生五大竞赛之一。 该赛事下设秘书处,挂靠在清华大学,竞赛是以“立足培养,重在参与,追求卓越”为指导思想,以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技性竞赛,是面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动,旨在促进高等学校素质教育发展,培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识,激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。 全国大学生智能汽车竞赛与己举办的全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计四大专业竞赛不同,是以迅猛发展的汽车电子为背景,涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购竞赛车模,采用飞思卡尔半导体提供的8位、16位微控制器作为核心控制单元,自主构思控制方案及系统设计,包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、电机驱动、转向舵机控制等,完成智能汽车工程制作及调试,于指定日期与地点参加场地比赛。参赛队伍之名次(成绩)由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主,技术方案及制作工程质量评分为辅来决定。赛车在大赛组委会提供的统一赛道上行驶,跑完一圈后在终点线三米内停下,中途不得冲出赛道,即算完成比赛,以计时器成绩为最终成绩;如果赛车中途有两个车轮或以上冲出赛道则取消本次成绩。该赛事分为三个组别,分别是摄像头组、光电组和电磁组,其中电磁组是本届比赛新增的组别,可以说智能车的发展在不断的创新下前景一片光明。1.2 智能车比赛意义 该赛事下设秘书处,挂靠在清华大学,竞赛是以“立足培养,重在参与,追求卓越”为指导思想,以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技性竞赛,是面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动,旨在促进高等学校素质教育发展,培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识,激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。 智能车的制作是一个需要团队分工协作并花大量时间学习摸索和分析设计的过程,在制作的过程中,从最初对飞思卡尔单片机的学习,再到智能车模型的雏形初现,最后到各个模块的优化,我们每一个队员都付出了很大的努力,但是收获的财富却远是书本学习无可比拟的。 第二章 智能车制作概述2. 1 智能车制作情况概述211 电路设计飞思卡尔智能车电磁组电路板主要分为主系统板和传感器板两大类。本车在主控板上的主要采用的是H桥电机驱动从性能和扩展性上优于集成驱动器方案。传感器板设计着重考虑提高传感器的前瞻量和信号的抗干扰能力。212 机械设计在机械方面上,我们主要是对舵机的安装,传感器布局和固定,前轮定位,后轮差速调节进行了深入的研究。21.3 整个小车的控制策略以MCU 为核心,通过电磁传感器探知引导线所在的位置,并作一定的前瞻。小车在行驶时,通过光电编码器得到计数脉冲,并由MCU 分析处理算出速度。MCU 根据输入的信息,作出分析处理,控制舵机转角及驱动电机的速度。 2. 2方案设计22.1 系统总体方案选定 通过学习竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到,路径识别模块是智能车系统的关键模块之一,路径识别方案的好坏,直接关系到最终性能的优劣,因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。我们采用的是 8*10 10mh工字电感作为路径识别传感器。我们知道前瞻距离越大,越能提早检测到弯道,提前转弯,解决了舵机的延迟作用,但是太远的前瞻亦会引起赛道的错误识别,导致走错赛道等等问题。因此我们通过多次试验制作出合适的传感器距离。2. 2. 2系统总体方案的设计 在选定智能车系统采的上述传感器方案后,赛车的位置信号由车体前方的电磁传感器采集,经S12 MCU的I/O口处理后,用于赛车的运动控制决策,同时内部ECT模块发出PWM波,驱动直流电机对智能车进行加速和减速控制,以及伺服电机对赛车进行转向控制,使赛车在赛道上能够自主行驶,并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制,在智能车后轴上安装光电编码器,采集车轮转速的脉冲信号,经MCU捕获后进行PID自动控制,完成智能车速度的闭环控制。 2.3 智能车系统分析在满足大赛要求的前提下,设计的智能小车应具有良好的自主道路识别能力和稳定性,并能以较快的速度行驶。因此,智能小车系统的设计主要包括以下两部分:1、完成智能小车控制器的硬件电路设计,根据大赛要求,调整和改进智能车模的机械结构,最大限度的发挥小车的性能。2、结合软件算法,使小车转向准确、稳定,能够安全通过各种弯道和十字交叉路口。在保证智能车可靠运行的前提下,电路设计尽量简洁紧凑,以减轻系统负载,提高智能车的灵活性,同时应充分发挥创新原则,以简洁但功能完美为出发点,并以稳定性为首要前提,实现智能车快速运行。作为能够自动识别道路运行的智能汽车,信息处理与控制算法至关重要,主要由运行在单片机中的控制软件完成。因此,控制软件的设计是智能车的核心环节。2.4 智能车系统硬件结构设计经过分析整个智能车系统,可知系统完成的功能如图2.1 所示。图2.1 系统硬件结构图其中MC9S12XS128 是系统的控制核心。它负责接收赛道信息、小车速度等反馈信息,并对这些信息进行处理,得到合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。舵机模块和电机驱动分别用于实现小车转向和驱动。电源管理模块主要为单片机及路径识别电路、转向舵机、后轮驱动电路三大部分提供稳定的直流电源。路径识别模块由传感器、外围电路和S12 的AD 模块组成,其功能是获取前方赛道的信息,以供S12 作进一步分析处理。速度检测模块由传感器、外围电路和S12 的脉冲计数模块组成,通过检测赛车的实时车速为赛车的车速控制提供控制量。2.5 智能车系统软件结构设计如果说系统硬件对于智能车来说是它的骨架和躯体,那么软件算法就是它的灵魂。软件算法的优劣直接体现了智能车辆 “智商”的高低。所以软件系统对于智能车来说至关重要。首先,赛车系统通过路径识别模块获取引导导线的位置信息,同通过速度检测模块实时获取赛车的速度。利用赛车与黑线位置的偏差和检测到的实时车速,结合模糊控制PID 策略对赛车的舵机角度和行进速度进行恰当的控制调整,使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。前轮定位包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束四个内容。车轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶和转向轻便,并减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损。(1)主销内倾角 从车前后方向看轮胎时,主销轴向车身内侧倾斜,该角度称为主销内倾角。当车轮以主销为中心回转时,车轮的最低点将陷入路面以下,但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下,而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度,这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的效应,因而舵机复位容易。 此外,主销内倾角还使得主销轴线与路的灵魂。软件算法的优劣直接体现了智能车辆 “智商”的高低。所以软件系统对于智能车来说至关重要。首先,赛车系统通过路径识别模块获取引导导线的位置信息,同通过速度检测模块实时获取赛车的速度。利用赛车与黑线位置的偏差和检测到的实时车速,结合模糊控制PID 策略对赛车的舵机角度和行进速度进行恰当的控制调整,使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。第三章 机械结构设计 车模的机械部分是影响其行驶性能最直接的部分,其重要性不言而喻。一个不良的机械系统会增加控制的难度,会为车模的速度提升带来障碍。因此,车模的机械性能应该是优先考虑的问题。 本模型车机械设计的部分主要包括, 前轮参数调整、后轮差速机构调整、齿轮传动机构调整、舵机安装调整、传感器模块位置调节结构、主控电路板安装结构、测速模块安装。3.1 智能车的整体结构此次比赛选用的赛车车模采用1/10 的仿真车模。赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向,后轮驱动方案。具体车模数据如下:轴距200mm前轮距135mm后轮距145mm车长285mm车宽16.3cm车轮直径65mm传动比26:78图 3.13.2 前轮参数调整 3.2.1 前轮定位调试中发现,在赛车过弯时,转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载,对前轮的安装角度,即前轮定位进行了调整。 前轮定位包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束四个内容。车轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶和转向轻便,并减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损。(1)主销内倾角 从车前后方向看轮胎时,主销轴向车身内侧倾斜,该角度称为主销内倾角。当车轮以主销为中心回转时,车轮的最低点将陷入路面以下,但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下,而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度,这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的效应,因而舵机复位容易。 此外,主销内倾角还使得主销轴线与路图3.2 前轮前束示意图虽然车模的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整,但是由于车模加工和制造精度的问题,以及调试过程出现的系统和人为误差,我们最终只调节了前轮外倾和前束,而最终达到很好的效果,如图3.3。 图3.3前轮前束3.2.2 定位参数调节方法行驶跑偏:两侧主销的倾角不一致时,那侧主销后倾角小就向哪侧跑偏。两侧车轮外倾角不一致时,那侧前轮外倾角大就向那侧跑偏。舵机的两根横拉杆没有等量调整,那根长就往那侧跑偏。前轮前束值误差过大会造成行驶跑偏。包容角:前轮外倾角和主销内倾角的和。车轮定位造成的转向重:先检查和调整前轮前束或将主销后倾角加大转弯半径的大小主要取决于转向角和轴距。如同时需要调转弯半径和前轮前束,必须先调前轮前束,因为条前轮前束会改变转弯半径,调转弯半径不会改变前轮前束。 3.3 舵机安装调整 舵机是赛车转向的驱动装置,其性能的好坏直接关系到赛车的转向性能和 弯道的极限速度。而舵机的固定方式也在一定程度上决定了比赛的成败。舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节,为了减小此时间常数,通过改变舵机的安装位置,而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。下面介绍两种方案,分别分析其性能。 3.3.1平躺式固定 这种固定方式是车模上舵机的原安装方式. 优点: 1)重心底,接近地盘,有利于车模的稳定。 2) 两臂前轮不等长,有利于车模的转弯。(这里纠正一点误区,很多人认为前轮的两臂等长最好,其实不然。如果你是汽车专业的话 你就会明白他的原理,汽车上的转向都是一边长一边短的,转向时内侧是要比外侧的转角要大,才有助于转向的。) 缺点: 1)在舵机和角度调节头之间有介子作为受力缓冲作用的。但这在比赛中会延缓前轮的反应时间。最好用AB胶将其固定死。 2)舵机的力臂太短。相比后两种固定方式,舵机在相同的转角下,前轮转角会小得多,这在比赛中是很不利的。因为舵机转角是需要时间的,这样就延缓了前轮的转动效率。 3.3.2站立式固定 这种固定方式是舵机竖立在车身中间位置。用两等长的前轮拉杆住链接前轮。 优点: 1)力臂长,前轮的反应速度是平躺式的三倍左右(由于力臂的长度会有所不同,力臂越长,反应越快)。这里请注意一点,力臂过长可能导致力矩不足,反而导致前轮转不到位。因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系,通过优化得到一个最佳的转向效果。建议力臂在3.5-4cm之间。 2)两拉杆轴是等长的,所以车的左右转是相同的。这里说明一点,两拉杆轴是等长并不和上述“转向都是一边长一边短”相矛盾。因为我们的最终目地是使车模在转向时,内侧前轮要比外侧的转角要大。当舵机转动力臂时,由于力臂的尾端是按曲线运动的,导致两前轮的转角不同,内侧前轮要比外侧的转角要大。缺点: 使车模车头整体重心过高,影响车模的稳定性!经测试,由于舵机固定的比较稳定,此方案对小车的稳定性影响几乎为零。 分析舵机控制转向轮转向的原理可以发现,在相同的舵机转向条件下,转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远,转向轮转向变化越快。这相当于增大力臂长度,提高线速度。针对上述特性,我们改变了舵机的安装方式,选择了站立式安装,将舵机立起来安装在车的中轴线上,使得左右两轮的力臂一样大,有利于转向。为了提高前轮的反应速度以及根据实际情况和多种因素考虑我们采用了站立式,如图3.4。图3.4舵机安装示意图3.4 后轮差速机构调整 差速机构的作用是在车模转弯的时候,降低后轮与地面之间的滑动;并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。当车辆在正常的过弯行进中 (假设:无转向不足亦无转向过度),此时4 个轮子的转速(轮速)皆不相同,依序为:外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。此次所使用车模配备的是后轮差速机构。差速器的特性是:阻力越大的一侧,驱动齿轮的转速越低;而阻力越小的一侧,驱动齿轮的转速越高以此次使用的后轮差速器为例,在过弯时,因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小,轮速便较高;而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大,轮速便较低。差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙,过松过紧都会使差速器性能降低,转弯时阻力小的车轮会打滑,从而影响车模的过弯性能。好的差速机构,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之间误差很小,不会有迟滞或者过转动情况发生。3.5 齿轮传动机构调整 车模后轮采用直流电机驱动,由竞赛主办方提供。电机轴与后轮轴之间的传动比为 26 :78(电机轴齿轮齿数为26,后轮轴传动轮齿数为78)。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,会大大增加齿轮噪音和减少齿轮寿命以及电机驱动后轮的负载,从而影响到最终成绩。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,增加噪音;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依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮,说明齿轮间的配合间隙过大,传动中有撞齿现象;声音闷而且有迟滞,则说明齿轮间的配合间隙过小,或者两齿轮轴不平行,电机负载变大。调整好的齿轮传动噪音很小,并且不会有碰撞类的杂音,后轮减速齿轮机构就基本上调整好了,动力传递十分流畅。3.6 车体重心调整 车体重心位置对赛车加减速性能、转向性能和稳定性都有较大影响。重心调整主要包括重心高度和前后位置的调整。理论上,赛车重心越低稳定性越好。因此赛车各部件的安装高度都尽量贴近底盘,如图3.5。图3.5主控板安装示意图除此之外,车辆重心前后方向的调整,对赛车行驶性能也有很大的影响。根据车辆运动学理论,车身重心前移,会增加转向,但降低转向的灵敏度(因为大部分重量压在前轮,转向负载增大),同时降低后轮的抓地力,影响加减速性能;重心后移,会减少转向,但增大转向灵敏度,后轮抓地力也会增加,提高加减速性能,通过多次调试证明车辆重心尽量靠前,因此,我们为了将重心尽量前移改变了舵机的安装位置,如图3.6图3.6舵机位置安装示意图3.7 编码盘安装本次设计中速度传感器采用的是上海远征公司生产的YZ30D-4S-2NA-100编码器。它由5-24V的直流供电。速度传感器用螺钉固定在铝片上,铝片固定在后轮支架上,这样固定好之后,就有了较高的稳定性。安装效果如图3.73.7 安装效果如图3.8 传感器支架安装与固定 传感器固定采用一字型的固定方式,支架可升降,因而可根据需要随时对传感器的高度进行调整,从而达到最佳效果,给平时的调试工作带来了很大的方便。其结构如图3.8所示。图3.8 传感器固定方式3.9 主控电路板结构调节 为了降低车子重心,电路板安装在小车的靠近前轮的底板上,同时使小车整体比较简洁、美观。实物图如图3.9所示图3.9 主控电路板第四章 硬件系统设计根据本次大赛的特点,智能车的电路设计方案主要包括:电源模块,道路信息检测模块,测速模块,电机驱动模块,舵机驱动模块,遥控器红外接收等。此次电磁组是第一次出现在比赛中,而以往的只有光电组与摄像头组,因此在传感器的选型与设计是重点应解决的。在比赛之初,通过分析研究往届优秀队伍的技术报告,并结合自身的实际情况,设计提出了自己的硬件电路设计方案。4.1 信号源模块根据组委会要求,竞赛车模需要能够通过自动识别赛道中心线位置处由通有100mA 交变电流的导线所产生的电磁场进行路径检测。信号源电路包括振荡电路、功率输出电路、恒流控制电路以及电源等组成。根据技术要求,设计方案如图4.1 4.1.1 震荡电路产生中心频率为 20KHz 的对称方波信号。为了满足功率输出电路的需要,一般输出极性相反的信号。可以使用普通的555 时基电路产生振荡信号,也可以使用简易的单片机产生振荡信号。为了方便调试,信号频率能够在一定范围内进行调整。4.1.2 功率输出电路由于输出驱动信号电压、电流、频率较大,需要一定输出功率驱动跑道线圈,因此最后需要功率输出电路。可以采用分立大功率晶体管搭建输出电路,也可以使用的电机驱动桥电路集成模块。选择时需要注意电路的频率响应应该大于20KHz,输出功率大于2W,在制作时需要注意电路的散热。4.1.3 恒流控制恒流电路控制输出电流在 100mA 左右稳定,不随着电源的变化而发生波动。根据比赛规则的要求,恒流输出控制不需要特别的精确。一般要求不高的情况下可以使用限流电阻控制电流的稳定,也可以利用晶体管的在放大区集电极的恒流特性进行控制。4.2 电源模块电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源,可靠的电源方案是整个硬件电路能够稳定可靠运行的基础。设计中,除了要考虑到额定电压和额定电流等基本参数之外,还要在电源转换效率、低噪声、抗干扰等方面进行优化处理。电源模块容易造成相互干扰,尤其是电机在启动时需要较大的电流,很容易对其它模块,特别是传感器检测方面造成一定干扰。因此,在设计中需要注意将各个模块供电电源分开。为了减小各模块见的相互干扰,我们采用了三片LM2940 供电,其中一片LM2940 为单片机单独提供一个5V 的电源,以绝对保证单片机的稳定,一片LM2940为舵机单独提供一个5V的电源,另一片为传感器单独提供一个5v的电源。常用的电源有串联型线性稳压电源(LM2940、7805 等)和开关型稳压电源(LM2596、LM2575 等)两大类。串联型线性稳压电源具有纹波小、电路结构简单的优点,但是效率较低,功耗大; 开关型稳压电源功耗小,效率高,但电路却比较复杂,电路的纹波大。传感器根据型号选择适当的稳压芯片,这里同样选择了用LM2940 稳压,提供5V 电源。电源模块电路如图4.1所示:图4.1电源模块电路4.3 S12 单片机最小系统因为在电路设计过程中发现xs128单片机(80引脚)的所有的引脚不是都会被用到,所以使用了汽车及芯片MAA(64引脚),而且这块板子的大小可以减小很多,所以质量更为轻便。图3.5 HC9S12XS128MAA实物图图3.7 HC9S12XS128MAA 原理图4.3.1 道路信息检测的方式大赛根据车模检测路径方案不同分为电磁、光电与摄像头三个赛题组。车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路径检测的属于电磁组;车模通过采集赛道图像(一维、二维)进行路径检测的属于摄像头组;车模通集赛道上少数孤立点反射亮度进行路径检测的属于光电组。CCD(摄像头)的优点是检测前瞻距离大、检测范围宽、检测道路参数多,缺点是电路设计复杂,要视频信号同步分离,且工作电压高于电池电压,需要升压电路,增加了车身的重量。光电组通过红外发光管发射红外线照射跑道,跑道表面与黑线具有不同的反射强度,落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度比白色的赛道的要弱,由此判断黑线的位置。这种检测方法具有较高的可靠性和稳定性,且电路计比较简单,检测信息快,信号处理速度快。但这种方法对道路参数检测精度低,易受到外界光线的干扰,且检测距离有限。此次我们参加的是电磁组,根据比赛技术要求,电磁组竞赛,需要选手设计的智能车能够检测到道路中心线下电线中20KHz 交表电流产生的磁场来导引小车沿着道路行驶。在平时调试和比赛过程中需要能够满足比赛技术要求的20KHz 的交流电源驱动赛道中心线下的线圈。而我们的首要任务就是做出交流电源,根据秘书处提供的参考方案我们使用555 产生20KHz 振荡信号,电机驱动桥电路集成模块L298 组成功率输出电路,成功的制作出了100mA20KHz 的交流电源。4.3.2 传感器的选择及电路设计根据麦克斯韦电磁场理论,交变电流会在周围产生交变的电磁场。导线周围的电场和磁场,按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置,从而达到控制小车的目的。现在我们有很多测量磁场的方法,磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应:磁电效应(电磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应)、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量原理以及相应的传感器:(1) 电磁感应磁场测量方法:电磁线磁场传感器,磁通门磁场传感器,磁阻抗磁场传感器。(2) 霍尔效应磁场测量方法:半导体霍尔传感器、磁敏二极管,磁敏三极管。(3) 各向异性电阻效应(AMR)磁场测量方法。(4) 载流子自旋相互作用磁场测量方法:自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋阀三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。(5) 超导量子干涉(SQUID)磁场测量方法:SQUID 薄膜磁敏元件。(6) 光泵磁场测量方法:光泵磁场传感器。(7) 质子磁进动磁场测量方法。(8) 光导纤维磁场测量方法。以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同,测量的磁场精度和范围相差也很大。为了选择合适检测方法,除了检测磁场的精度之外,还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。考虑到成本、精度等因素后我们决定选择组委会推荐的最为传统的电磁感应线圈的方案。它具有原理简单、价格便宜、体积小(相对小)、频率响应快、电路实现简单等特点,适合于初学者快速实现路经检测的方案。按照组委会推荐方案,我们同样选择了10mH 工字型电感,比赛选择 20kHz的交变磁场作为路径导航信号,在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰,因此信号放大需要进行选频放大,使得20kHz 的信号能够有效的放大,并且去除其它干扰信号的影响。 可以使用 LC 并联电路来实现选频电路,电路谐振频率为20KHz,由此可计算出谐振电容为:下图4.5为组委会推荐方案电路图:图4.5放大检波电路由于实验环境不同,为了适应我们放置传感器的的高度,经过不断实验调整, 重新选定了部分参数,但是三极管放大电路的放大倍数任然是个难以解决的问题,一级放大的倍数较小,输出电压可能达不到单片机检测的要求,两级放大又会存在信号失真的现象,经过一段时间的测试我们还是选定了一级放大,最终电路图如下图4.6 所示。图4.6 传感器电路4.3.3 检测方案的选择通过实验发现磁芯电感比色环电感的灵敏度高,内阻小的电感比内阻大的电感灵敏度高。但并不是内阻越小的电感越好,因为小内阻电感通常使用更粗的漆包线,势必会增加电感的重量,从而影响小车的性能。最终我们选用了第二种电感,该电感重量较轻且性能令人满意。谐振电容的选择:市售的6.8nf 的电容种类较少,经过比较后我们使用了校正电容。通过实验发现该种电容在20Khz谐振时具有不错的性能,下图为实测的LC 谐振产生的波形(H=10cm):图4.8 LC 谐振波形放大电路方案的选择:我们使用NPN 三极管C1815 搭建了单管共射极放大电路,该方案电路简洁且能够取得令人满意的效果。该方案原理图如下所示: 图4.9 三极管放大电路整流电路:三极管集电极输出的是交流信号,需要将它转为直流信号送入单片机AD 转换接口。我们利用滤波电容的储能特性采用峰值检波电路,如图下所示:图4.10 倍压检波电路4.4起跑线检测模块的设计我们采用干簧管检测起跑线,当干簧管靠近磁铁时便会吸合,我们使用4个干簧管呈H 型排列,以提高检测的可靠性。经验证此种检测方法简单可靠。4.5电机驱动模块的设计电机驱动模块采用4 片BTS7960 并联的驱动方案。BTS7960 芯片开头频率可以达到25kHz,可以很好地解决MC33886 和VNH3SP30 驱动芯片使电机噪声大和发热的问题,同时驱动能力有了明显的提高,响应速度快。同时该芯片价格相对低廉,有不错的性价比。其在较小的电路板空间占用的情况下为大电流保护的PWM 电机驱动提供了一种成本优化的解决方案。完全符合本速度控制系统的要求。按照官方资料推荐的电路参数设计了如下BTS7960 驱动电路,该电路由两片BTS7960 并联组成,两个电路在并联,外围电路十分简单只需要一些电阻和电容,这大大简化设计过程。设计的电路原理图如图4.11 所示。图4.11 BTS7960 电路图其直接由7.2V 电池电源供电,由单片机输入的两路PWM 控制信号和两路芯片使能信号,在该电池电压下大约能输出高达20A 的电流供给电机,驱动能力十分强劲。据此电路制作出了PCB 电路板,经过实车测试,验证了改驱动方案的是完全优秀可靠的。4.6测速模块速度检测使用100 线的光电编码器,每旋转一圈产100 个脉冲,实测脉冲波形如图所示。图4.13 编码器脉冲波形该光电编码器传动齿轮与电机的具有相同的齿数,也就是电机每转动一圈,该编码器也旋转一圈,根据它和后轮的传动比,后轮每转动一圈编码器就输出一定的脉冲数,通过单片机检测此脉冲数即可以获知某个时刻的小车的速度值。第五章 软件结构设计5.1 软件处理流程系统初始化读取道路信息处理道路信息并得到相关参数根据参数选择算法执行舵机与电机图5.1.1 软件设计总流程图模型车在直道上的速度相差不是很大,在弯道上的比拼才是整个比赛的重点,因此如何优化弯道的算法才是整个控制算法的关键。5.2 模块初始化我们处理器初始化如下模块:锁相环模块、基本输入输出模块、ECT中断捕获、PWM模块、PTI实时时钟模块、脉冲计数器、模数转换器、中断优先级管理模块和定时器部分。锁相环设置,我们采用的是MC9S12XS128核心,这个核心的标准总线工作频率是40Mhz,但是在测试发现这个芯片能比较安全超频工作在88Mhz的频率上。考虑到我们所有的处理基本都是采用软件实现,处理器同一时间要完成采集、处理、控制三个任务,并且这三个任务使用中断并行工作,故将芯片的总线频率设定在了64Mhz。基本输入输出模块,串行通信模块,ECT中断捕获初的设置,我们使用PA、PH两个接口作为了策略设置接口接拨码开关,设置包括速度设定,传感器测试,阀值设定以及一些赛场控制策略。PB接口用于状态指示灯。PWM模块用于产生电机驱动,和舵机驱动信号,电动机PWM工作频率为10Khz,舵机的更新频率为300Hz。ECT具有8个输入(IC)/输出(OC)比较通道,可以通过设置TIOS寄存器选择输入或输出比较功能。ECT既可以作为一个时基定时产生中断,也可以用来产生控制信号。 通过ECT模块,我们实现了对脉冲进行计数,检测智能车的速度,对速度进行闭环控制。 5.3速度控制算法与弯道控制策略 模型车平稳地行驶是本次比赛的基本要求,但这并不意味着这是最简单的要求,因为速度控制的好坏直接影响整车的许多方面,比如直道的速度提升,转弯速度(甚至影响了模型车的打滑程度),导致弯道速度总是无法提升,特别容易打滑,根本原因就是速度控制算法处理不当造成的。首先使用的是速度算法是位置式的PID算法,PID控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70多年来,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID调节是Proportional(比例),Integral(积分),Differential(微分)三者的缩写,是一种过程控制算法,就是对误差信号(采样信号与给定信号的差)通过比例,积分,微分的运算后的结果作为输出控制信号,来控制所要控制的对象。比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高误差度。当有误差时,积分调节就进行,直至无误差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间Ti,Ti 越小,积分作用就越强。反之Ti 大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。微分调节作用:微分作用反应系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统得动态性能。在微分时间选择合适的情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。单位反馈的PID控制原理框图如图5.2.1:contorllerplantReuY图5.2.1 PID算法框图单位反馈e代表理想输入与实际输出的误差,这个误差信号被送到控制器,控制器算出误差信号的积分值和微分值,并将它们与原误差信号进行线性组合,得到输出量u。 (公式1)公式1中,Kp、Ki、Kd分别称为比例系数、积分系数、微分系数。u接着被送到了执行机构,这样就获得了新的输出信号,这个新的输出信号被再次送到感应器以发现新的误差信号,这个过程就这样周而复始地进行。PID各个参数作用基本介绍:增大微分项系数可以加快动态系统响应,但容易引起震荡。一般增大比例系数能够减小上升时间,但不能消除稳态误差。增大积分系数能够消除稳态误差,但会使瞬时响应变差。增大微分系数能够增强系统的稳定特性,减小超调,并且改善瞬时响应。增量型算法与位置型算法相比,具有以下优点: (a) 增量型算法不需要做累加,控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关,计算误差或计算精度问题,对控制量计算影响较小。而位置型算法要用到过去的误差的累加值,容易产生大的累加误差。 (b) 增量型算法得出的是控制量的增量,误动作影响小,必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出,不会严重影响系统的工作,而位置型算法的输出是控制量全量输出,误动作影响大。 (c) 采用增量型算法,易于实现手动到自动的无冲击切换。图5.2.2 PID算法流程图对于经典的PID算法,经过将近一个星期的摸索,仍然不能很好地控制好速度,后来又改为增量式的PID算法,可效果还是平平,增量式的PID算法公式2如下: (公式2)在一般PID中,当有较大的扰动或者大幅度的改变给定值时,由于此时有较大的偏差,以及系统有惯性和滞后,故在积分项作用下,往往会产生较大的超调和长时间的波动。可采用积分分离的措施:同时,因长时间出现偏差或偏差较大,计算出的控制量有可能溢出,或小于零。因此必须指定控制量的上下限。 最后决定在经典的PID算法中,加入最简单的bang-bang算法。算法思想如下:在直道时采用PID算法,同时设定速度的上下限,使速度不至于加减速太过。设定上限速度就是直道极限速度,下限速度就是直道最安全速度,这样设定保证直道既高速又安全地运行。弯道控制最重要的前提是不能侧滑,增大防侧滑力是最根本的方法。由于使用的是速度闭环,在入弯道时速度肯定会减低,此时因为速度闭环的原因,会产生一个很大的力(即前文所说的F2),来提高前进速度,根据前面的分析,F2的增加必然导致防侧滑力F3的减小,造成模型车过弯侧滑,但如果在过弯时暂时不使用速度闭环,那么就不会增大F2,防侧滑力F3也就增加了。因此,在弯道中暂时屏蔽了速度闭环,采用简单的bang-bang算法,当双排传感器都从黑线的一边偏离时,零占空比输出,否则的话满占空比输出。公式3如下:(公式3)解决了侧滑问题,的过弯速度大大提高。当从直道入弯道时,为保证平稳入弯,还必须设定一个入弯安全速度,经过反复的实验,设计比赛规则中最大弯道安全速度为入弯安全速度。实际流程图如图5.2.3:图5.2.3 直道弯道控制流程图5.4 舵机控制舵机控制采用PD控制,其中P为变化的量:servo=Pa+Pd(公式4)公式4中servo为舵机输出量,a为偏离量,P为比例系数,Pd为微分系数,d为微分项,其中比例系数是变化的。当发现偏离量在增大时,即上次的动作没有很好的补偿偏差,此时应增大比例系数P。反之,若现在偏离量在减小,且偏离量小于一定值,此时应减小比例系数P,此时为向直道走或者在直道上,同时,若发现偏离量在0的两边抖动时,应减小比例系数,减小震荡。而加入微分变化量可以很好的解决由直道进弯道和由弯道切弯道舵机反应不过来的问题,加入微分启动了一定- 配套讲稿:
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