【正文】 行進(jìn)模式，讓車模以兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)進(jìn)行直立行走。在組裝車模和電路設(shè)計(jì)等過程中，我們的實(shí)踐動(dòng)手能力得到了極大的培養(yǎng)和提高。在智能車的設(shè)計(jì)過程中，我們利用了如下知識(shí)：傳感器原理、自動(dòng)控制、汽車電子、機(jī)械設(shè)計(jì)等。第七屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技 術(shù) 報(bào) 告基于電磁傳感器的兩輪自平衡智能車路徑識(shí)別控制系統(tǒng) 學(xué) 校：北京聯(lián)合大學(xué)隊(duì)伍名稱：北京聯(lián)合大學(xué)電磁二隊(duì)參賽隊(duì)員：李俊、劉佳鑫、鄭川指導(dǎo)教師：潘峰、曲金澤關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解第七屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)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(huì)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(jì)方案、技術(shù)報(bào)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(huì)出版論文集中。尤其是機(jī)械設(shè)計(jì)方面，我們花費(fèi)了大量時(shí)間。在設(shè)計(jì)智能車控制算法過程中，我們?cè)O(shè)計(jì)使用了多種控制算法，如自平衡車直立 PD 算法和速度控制的 PI 算法以及轉(zhuǎn)向控制的 PD 算法。近年來，兩輪自平衡電動(dòng)車以其行走靈活、便利、節(jié)能等特點(diǎn)得到了很大的發(fā)展。3 技術(shù)報(bào)告結(jié)構(gòu)本技術(shù)報(bào)告的正文分為四個(gè)部分。 根據(jù)電磁傳感器方案設(shè)計(jì)，賽車共包括五個(gè)部分：傳感器部分、人機(jī)接口部分 、MC9S12XS128 模塊，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源部分。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(cè)的可靠性會(huì)因相鄰脈沖的干擾而受到影響。人機(jī)接口主要用于單片機(jī)與調(diào)試者之間的交互，8 位 LED 可以顯示簡(jiǎn)單的工作狀態(tài)，液晶可以用于參數(shù)的設(shè)定與顯示，4 位撥碼開關(guān)可以用于簡(jiǎn)單的模式設(shè)置，無線模塊用于少量數(shù)據(jù)的收發(fā)（注：在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的時(shí)候用，現(xiàn)場(chǎng)并不用） 。如下圖所示：7 測(cè)速電路模塊的安裝測(cè)速模塊才用增量式編碼器，增量式編碼器的安裝于車的最后部分，如下圖所示： 差速的調(diào)節(jié)差距決定了轉(zhuǎn)彎時(shí)的性能，差速調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)該不能太松和太緊，而且要避免和電機(jī)齒輪的間隙。 PCB 主板的設(shè)計(jì) 要求主板的面積小，質(zhì)量輕，其 PCB 如圖所示： 14 電源管理模塊 把電壓為 的電池經(jīng) LM2940 穩(wěn)壓后，其電路圖如下：穩(wěn)壓后可以完成如下功能：經(jīng)過穩(wěn)壓芯片 LM2940 穩(wěn)壓后，輸出 5V 電壓以驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作；經(jīng)過穩(wěn)壓芯片 LM2940 穩(wěn)壓后，輸出 5V 電壓以對(duì)傳感器供電； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)利用 BTS7960 構(gòu)成雙極性 H 橋，使電流更大，驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，再結(jié)合邏輯電路，使其使用更安全，更穩(wěn)定，電路圖如下圖所示：（實(shí)際比賽中，我們用了 4 個(gè) BTS7960）15 陀螺儀電路實(shí)物如下：16 第四章 軟件設(shè)計(jì)為了體現(xiàn)程序的模塊性和可移植性，我們把程序分成各個(gè)模塊進(jìn)行分別處理，而各模塊也有相應(yīng)的形參做為接口，可以做到可移植性，通用性。這部分代碼是自己寫的。如果一旦處于直立狀態(tài)則啟動(dòng)車模直立控制、方向控制以及速度控制。一定車模跌倒，則停止車模運(yùn)行。通過全局標(biāo)志變量確定是否進(jìn)行這些閉環(huán)控制。因此每個(gè)中斷片段中的任務(wù)執(zhí)行的周期為 5 毫秒，頻率為 200Hz。累積電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。 （3）車模直立控制過程。因此，速度調(diào)節(jié)的周期為 100 毫秒。19 主要算法及實(shí)現(xiàn) 算法框圖與控制函數(shù)關(guān)系圖 54 與控制相關(guān)的軟件函數(shù)包括： 1. AngleCalculate：車模傾角計(jì)算函數(shù)。 2. AngelControl：車模直立控制函數(shù)。根據(jù)車模采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速和速度設(shè)定值，計(jì)算電機(jī)的控制量。為了使得速度控制更加平滑，該函數(shù)將速度輸出變化量平均分配到20 步 5 毫秒的控制周期中。6. DirectionControlOutput：方向控制函數(shù)輸出平滑函數(shù)。對(duì)疊加后的輸出量進(jìn)行飽和處理。根據(jù)左右兩個(gè)電極的輸出控制量的正負(fù)極性，疊加上一個(gè)小的死區(qū)數(shù)值，克服車模機(jī)械靜態(tài)摩擦力。 以上 9 個(gè)函數(shù)都是在 1 毫秒中斷服務(wù)中進(jìn)行被相互調(diào)用的。 對(duì)于讀取的陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)值需要減去零偏值。這個(gè)誤差可以通過后面的速度控制加以消除。具體的方式為參見后面的調(diào)試過程。23SpeedControl:速度控制函數(shù)速度控制周期為 100 毫秒。2425DirectionControl:方向控制函數(shù) 車模方向控制利用左右兩個(gè)感應(yīng)電磁線圈的電壓差值來計(jì)算車模電機(jī)差值驅(qū)動(dòng)電壓。通過函數(shù) DirectionControlOut 來實(shí)現(xiàn)。 由于車模傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在這靜態(tài)摩擦力，增加一個(gè)死區(qū)常量可以提高車模在靜態(tài)下的穩(wěn)定性。PWM2 = PWM2_stand PWM2_speed PWM2_turn。if (PWM20) PWM2=0。請(qǐng)參見圖 55 閱讀以下程序。 g_nDirectionControlPeriod ++。 讀取兩個(gè)電極脈沖計(jì)數(shù)值28 } else if(g_n1MSEventCount == 1) { for(i = 0。 AngleCalculate()。 if(g_nSpeedControlCount = SPEED_CONTROL_COUNT) { SpeedControl()。 DirectionVoltageSigma()。 }} 中斷服務(wù)程序 速度 PID 控制算法及其改進(jìn)形式PID 控制是工業(yè)過程控制中歷史最悠久，生命力最強(qiáng)的控制方式。這個(gè)算式的結(jié)果是可正可負(fù)的。計(jì)算機(jī)只輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可加邏輯保護(hù)，限制或禁止故障時(shí)的輸出。 開發(fā)工具 采用了 USB 接口的 HCS12 BDM 下載工具，是支持 Freescale MC9S12 系列16 位單片機(jī)的 BDM 調(diào)試工具。 各硬件部分我們通過制作 PCB 電路板安裝在智能車的相關(guān)部位。車的重心問題一直是困擾我們的地方，車的重心上下方向調(diào)整，對(duì)智能車行駛性能有很大影響。電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最脆弱的地方，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)短路或起火的現(xiàn)象，可能是由于兩端接錯(cuò)線，或者電機(jī)長時(shí)間堵轉(zhuǎn)有很大的關(guān)系。34首先，電磁傳感器的方案中，輸出電壓與輸入的磁場(chǎng)強(qiáng)度不成正比，這導(dǎo)致了測(cè)量時(shí)存在誤差，可以采用補(bǔ)償?shù)姆椒右韵梢赃M(jìn)行硬件和軟件的補(bǔ)償，還有一點(diǎn)就是前瞻問題，由于是剛開始接觸電磁，我們組根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)和推測(cè)，電磁的前瞻應(yīng)該能有約 25—35cm 的前瞻，可從不同方向的放置電磁傳感器，如水平方向、Y 軸方向上的，亦可成 45176。 然后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)很有發(fā)展，目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)由于電流的限制，使加減速不是很明顯，嚴(yán)重影響了快速性和靈活性，可以采用電流更大的電力電子裝置來加大電流，是加減速性能得到提高。二、轉(zhuǎn)向控制。當(dāng)然了，由于各個(gè)參賽組所用到的放大器不一樣，這個(gè)高度也不盡相同。35參考文獻(xiàn)[1] 宋文緒，楊帆．傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]．第 1 版，北京：高等教育出版社。[8]競(jìng)賽組秘書處 技術(shù)組.《20KHz 電源參考設(shè)計(jì)方案》 。 現(xiàn)將我們的程序完整公布如下，希望大家一起探討：include include include include include define SPEED_CONTROL_PERIOD 100define SPEED_CONTROL_COUNT 20unsigned char keyscan_F=0。//舊的掃描按鍵值//70,7,0,50,0,100,2,250//70,10,0,50,0,100,3,270 int parameter[8]={60,10,15,0,180,286,42,520}。int GetSensor[8]。int g_nRightMotorPulseSigma。int DIR_CONTROL_D_VALUE。int g_nSpeedControlPeriod=0。 int KP_ANGLE。//速度 I 控制參數(shù)int CAR_SPEED_SETfDelta。int DIR_CONTROL_BP。float g_fDirectionControlOut。 REFDV=0x80 | 0x01。 //BUS CLOCK=80M _asm(nop)。 //engage PLL to system。pp++)。i=10000。 }} void IO_Init(void){ DDRE=0XFF。 } /*************************** PWM 初始化函數(shù) ****************************/void PWM_init(void){ PWME=0x00。 PWMCAE=0x00。 PWMPER4= PWME=0x30。 ATD0DIEN=0X00。 n[1]=(char)((val/10)%10)。39。 LCD_P8x16chr(x+24,row,n[1]+48)。 n[2]=(char)((val/100)%10)。)。 LCD_P8x16chr(x+32,row,n[0]+48)。 displaypara4unit((int)100*angle,2,0)。 41 displaypara4unit((int)Sensor[4],4,40)。 displaypara4unit((int)Sensor[6],6,80)。 keycode_last=keycode。 } } else { keyflag=0。 //LCD_P14x16Str(0,0,實(shí)訓(xùn)基地)。 while(flag==0) { if(keyscan_F==1) { keyscan_F=0。 break。 break。 case 4://up s2 鍵 val++。 } keyflag=3。i++) { setPARA(i)。 CRGINT=0X80。 for (。 } return temp。 k = ADCvalue(channel)。 } if (k = j) { mid = j。} unsigned int ADCave(uchar n,uchar channel){ uchar i。 i++) ave += ADCmid(channel)。 Sensor[0]=ADCave(5,0)。 float SinZ。 GravityVoltOut=5000*(GetSensor[1]/)。 PreAngle=asin(SinZ)*。 }void StandControl(void)//直立控制：角度 PD，角速度 P{ g_fAngleControlOut=125+KP_ANGLE*angle+*KP_ANGLEDOT*angle_dot。 if(fLeft250) fLeft= PWMDTY4=fRight。 _asm(nop)。 _asm(nop)。 float fDelta。 fDelta = CAR_SPEED_SETfDelta g_fCarSpeed。 g_fSpeedControlOutOld = g_fSpeedControlOutNew。 g_fSpeedControlOut = fValue * (g_nSpeedControlPeriod + 1) / SPEED_CONTROL_PERIOD +g_fSpeedControlOutOld。 Sensor[3]=ADCave(5,3)。 float fValue,fDValue。 fFrontLeft