【正文】 以自行繞制，也可以使用市場(chǎng)上能夠比較方便購(gòu)買(mǎi)的工字型10mH的電感。當(dāng)線圈往左偏移，x∈（15,30），感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值小于零；反之，當(dāng)線圈往右偏移，x∈(0,15)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于零。 假設(shè)在車(chē)模前方安裝兩個(gè)水平的線圈。 以上各種磁場(chǎng)測(cè)量方法所依據(jù)的原理各不相同，測(cè)量的磁場(chǎng)精度和范圍相差也很大，G。但是對(duì)于磁場(chǎng)定量精確的測(cè)量以及更多測(cè)量方法的發(fā)現(xiàn)還是在二十一世紀(jì)初期才得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 由畢奧薩伐爾定律知：通有恒電流I長(zhǎng)度L的直導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，距離導(dǎo)線距離r處p點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： (31) 由此得： (32)對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)直電流來(lái)說(shuō)，上式中則有： (33)由圖313可見(jiàn)，感應(yīng)磁場(chǎng)的分布是以導(dǎo)線為軸的一系列的同心圓。鍵盤(pán)是4個(gè)按鍵，主要用作各參數(shù)的設(shè)定，保存等任務(wù)。圖37 AMS11175應(yīng)用電路 The application circuit of AMS11175圖38 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 The module of motor driver 速度檢測(cè)模塊編碼器用于電機(jī)測(cè)速，是電機(jī)閉環(huán)控制的關(guān)鍵檢測(cè)反饋元件。因此我們利用AMS11175穩(wěn)壓芯片將電源電壓穩(wěn)壓到5V。本設(shè)計(jì)采用專(zhuān)門(mén)的復(fù)位芯片IMP811S，如圖34所示：圖34 復(fù)位電路 The circuit of resett 4）BDM下載線接口電路：當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入BDM模式之后，上位機(jī)可以通過(guò)BDM接口單片機(jī)下載程序，進(jìn)行在線調(diào)試，BDM方式是單片機(jī)開(kāi)發(fā)的最根本的調(diào)試方式。 2）時(shí)鐘電路：主要由石英晶體振蕩器和一些電容、電阻組成，雖然單片機(jī)可以由集成到單片機(jī)內(nèi)部的RC振蕩器產(chǎn)生單片機(jī)工作需要的時(shí)鐘，但這種簡(jiǎn)單的時(shí)鐘電路頻率的穩(wěn)定性得不到保證，不如使用外部晶振來(lái)得穩(wěn)定。尋址方式有16種。模型車(chē)的硬件結(jié)構(gòu)分為路徑識(shí)別模塊、速度檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源管理模塊等幾個(gè)部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示：圖31 智能車(chē)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 Intelligent car system structure 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) HCS12X系列單片機(jī)簡(jiǎn)介Freescale 公司的16位單片機(jī)主要分為HC12 、HCS1HCS12X三個(gè)系列Freescale公司的16位單片分為HC1HCS1HCS12X三個(gè)系列。然后介紹了汽車(chē)在正常行駛中發(fā)生側(cè)滑的原因與減小側(cè)滑的方法，通過(guò)調(diào)整車(chē)體的重心、質(zhì)量、底盤(pán)參數(shù)以及前輪定位能夠減小了智能車(chē)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生側(cè)滑的可能性。這時(shí)候，輪胎會(huì)有一些橫向滑動(dòng)。當(dāng)壓在輪胎上的重量或滑動(dòng)量發(fā)生改變的時(shí)候，這兩個(gè)因素的比例就會(huì)發(fā)生改變。圖26是滑動(dòng)量和摩擦力的關(guān)系： 在圖中的橫軸表示滑動(dòng)量，從0%(沒(méi)有滑動(dòng)，輪胎僅僅是向前滾動(dòng))，到100%(輪胎垂直于地面且垂直于車(chē)輛行進(jìn)的方向)。 由前面的分析可知，后輪側(cè)滑在模型車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中危害極大（尤其在過(guò)彎時(shí)），對(duì)模型車(chē)的過(guò)彎速度有很大的影響。好的差速機(jī)構(gòu)，在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過(guò)的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過(guò)的角度之間誤差很小，不會(huì)有遲滯或者過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)情況發(fā)生?？紤]到智能車(chē)競(jìng)賽對(duì)于智能車(chē)的動(dòng)力性高要求有操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性的要求高，所以可以在安裝電路板、電池位置時(shí)，使型車(chē)的重心位置靠近前軸，從而提高智能車(chē)的整體性能。而汽車(chē)制動(dòng)性要求制動(dòng)減速大、制動(dòng)距離短，有良好的制動(dòng)方向穩(wěn)定性，不易發(fā)生前輪喪失轉(zhuǎn)向、后軸側(cè)滑和跑偏現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，力臂的增大的確大大提高了模型車(chē)的轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向。不同之處是主銷(xiāo)內(nèi)傾的回正與車(chē)速無(wú)關(guān)，主銷(xiāo)后傾的回正與車(chē)速有關(guān)，因此高速時(shí)后傾的回正作用大，低速時(shí)內(nèi)傾的回正作用小。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷(xiāo)內(nèi)傾、主銷(xiāo)后傾、前輪外傾和前輪前束等4 個(gè)項(xiàng)目決定，所使用的車(chē)模中，車(chē)輪和主銷(xiāo)是平行的，調(diào)成了0度左右，適當(dāng)?shù)恼笆梢蕴岣哌B續(xù)轉(zhuǎn)向的反應(yīng)能力。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)“飛思卡爾” 杯全國(guó)智能車(chē)競(jìng)賽采用了韓國(guó)愛(ài)得美公司生產(chǎn)的Matiz系列1:10模型車(chē)，如圖21所示:圖21車(chē)體機(jī)械圖 Chassis’s mechanical drawing 該模型車(chē)底盤(pán)采用的是等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架。本屆比賽在前幾屆比賽的基礎(chǔ)上增加了賽道的難度，增加了彎道和蛇形道在整個(gè)賽道中的比重，在決賽中還增加了不同角度的坡道，這對(duì)參賽選手及智能模型車(chē)系統(tǒng)提出了更高的要求。韓國(guó)現(xiàn)代公司自2004年開(kāi)始免費(fèi)捐贈(zèng)了一輛轎車(chē)作為賽事的特等獎(jiǎng)項(xiàng)?；陲w思卡爾單片機(jī)的智能車(chē)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄0 前言 11 概述 2 智能車(chē)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 本文的研究?jī)?nèi)容 22 汽車(chē)模型機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 4 傳感器的安裝 5 前輪定位 5 主銷(xiāo)內(nèi)傾 5 主銷(xiāo)后傾 5 前輪外傾 6 舵機(jī)的安裝與改進(jìn) 6 主控板的連接與固定 7 重心調(diào)整 7 差速調(diào)整 8 防側(cè)滑理論 8 輪胎影響因素 9 本章小結(jié) 113 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 12 智能車(chē)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 12 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 HCS12X系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 12 MC9S12XS128性能概述 13 電源管理模塊 17 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 17 速度檢測(cè)模塊 18 調(diào)試模塊 19 鍵盤(pán)模塊 19 LCD顯示模塊 19 路徑識(shí)別模塊 20 導(dǎo)線周?chē)碾姶艌?chǎng) 20 雙水平線圈方案 22 感應(yīng)磁場(chǎng)線圈 25 信號(hào)選頻放大 25 幅度測(cè)量 26 硬件的抗干擾措施 27 本章小結(jié) 284 軟件設(shè)計(jì) 29 總體控制流程圖 29 控制策略分析 29 控制方法的選擇及分析 31 舵機(jī)調(diào)節(jié) 32 模擬式PID調(diào)節(jié) 33 數(shù)字式PID 33 舵機(jī)控制策略 35 賽道信息 35 舵機(jī)控制策略 35 各個(gè)模塊初始化 36 時(shí)鐘模塊初始化 36 PWM模塊初始化 37 A/D模塊初始化 38 ECT模塊 38 本章小結(jié) 395 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 406 結(jié)論 41 系統(tǒng)調(diào)試 41 總結(jié) 41 展望 42致謝 44參考文獻(xiàn) 45附錄A 譯文 46附錄B 外文文獻(xiàn) 50附錄C 部分程序 56III0 前言 智能運(yùn)輸系統(tǒng)作為未來(lái)交通發(fā)展趨勢(shì)之一，為解決城市交通擁擠和堵塞問(wèn)題提供了有效途徑。2000年智能汽車(chē)競(jìng)賽首先由韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)承辦開(kāi)展起來(lái)，每年全韓國(guó)大約有100余支大學(xué)生隊(duì)伍報(bào)名并準(zhǔn)予參賽，至今己成功舉辦了9屆，得到了眾多高校和大學(xué)生歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的極大關(guān)注。分賽區(qū)的前幾名優(yōu)勝者參加全國(guó)的總決賽。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分工作主要包含傳感器的安裝、前輪注銷(xiāo)傾向的調(diào)節(jié)、舵機(jī)的安裝、主控板的連接與固定，干簧管的安裝、驅(qū)動(dòng)模塊的安裝、編碼器的安裝以及后輪差速的調(diào)整等。前輪定位的作用是保障汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。主銷(xiāo)內(nèi)傾和主銷(xiāo)后傾都有使汽車(chē)轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持直線行駛的功能。在并非改變舵機(jī)本身結(jié)構(gòu)的條件下，將舵機(jī)豎立起來(lái)，加大兩端的力臂，并使其力臂相等。模型車(chē)為電機(jī)前后輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，如果僅從此方面考慮，重心應(yīng)該盡量靠近中心。 綜合上面的理論可知:重心靠近后軸，對(duì)于模型車(chē)動(dòng)力性能有益；重心靠近前軸，于模型車(chē)的制動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性有益。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤(pán)間的間隙，過(guò)松過(guò)緊都會(huì)使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時(shí)阻力小的車(chē)輪會(huì)打滑，從而影響賽車(chē)的過(guò)彎性能。合理地調(diào)節(jié)這些參數(shù)，是前輪側(cè)滑達(dá)到最小。它隨著溫度、壓力，還有更重要的是它隨著滑動(dòng)量而改變[5]。這是因?yàn)檩喬ジ孛娼佑|的方式其實(shí)是非常特別的，其中包含兩個(gè)不同的機(jī)械作用：變形力和粘合力。在圖中右邊的部分，在兩個(gè)表面之間的滑動(dòng)處于支配地位。首先結(jié)合汽車(chē)?yán)碚摵痛罅康膶?shí)驗(yàn)對(duì)智能車(chē)前輪主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、前輪外傾角、車(chē)輪前束等前輪定位參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，使智能車(chē)直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，并減少輪胎的轉(zhuǎn)向零件磨損等。舵機(jī)通過(guò)車(chē)模的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)向控制，直流電機(jī)為小車(chē)提供動(dòng)力，通過(guò)齒輪嚙合直接對(duì)前后輪提供驅(qū)動(dòng)力。CPU外部總線頻率為8MHz，內(nèi)部運(yùn)算速度為25MHz。在單片機(jī)電源端使用電容和電感進(jìn)行濾波，保證單片機(jī)工作的穩(wěn)定性[7]。復(fù)位監(jiān)控器件，主要可以大大提高M(jìn)CU的復(fù)位性能，其原理是通過(guò)確定的電壓值（閾值）啟動(dòng)復(fù)位操作，同時(shí)排除瞬間干擾的影響，又有防止MCU在電源啟動(dòng)和關(guān)閉期間的誤操作，保證數(shù)據(jù)安全。而且在電路設(shè)計(jì)中，考慮到由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)所引起的電源不穩(wěn)定，在電源輸入端各芯片電源引腳多加入濾波電路。IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳。LCD采用小巧的手機(jī)液晶屏5110，主要用于小車(chē)調(diào)試時(shí)，顯示跑道參數(shù)，和各可控單元參數(shù)等。為此，我們將導(dǎo)線周?chē)兓拇艌?chǎng)近似緩變的磁場(chǎng)，按照檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)的方法獲取導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)分布，從而進(jìn)行位置檢測(cè)[7]。 雙水平線圈方案 人類(lèi)對(duì)于磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和檢測(cè)起源很早，我國(guó)古代人民很早就通過(guò)天然鐵來(lái)感知地球磁場(chǎng)的方向，從而發(fā)明了指南針。（6）質(zhì)子磁進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)測(cè)量方法。xyz軸滿(mǎn)足右手方向。為此，我們可以使用相距長(zhǎng)度為L(zhǎng)的兩個(gè)感應(yīng)線圈，計(jì)算兩個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值： (36) 下面假設(shè)L=30cm，計(jì)算兩個(gè)線圈電動(dòng)勢(shì)差值如下圖所示： 圖317 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值與x函數(shù) EMF difference function with x 從上圖可以看出，當(dāng)左邊線圈的位置x=15cm的時(shí)候，此時(shí)兩個(gè)線圈的中心恰好處于跑道中央，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值Ed為0。感應(yīng)線圈可以自行繞制，也可以采用市面上的工資電感。如下表所示：表1 典型的環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍 Typical environmental magnetic field intensity range磁場(chǎng)環(huán)境家用電器一米范圍地表面地球磁場(chǎng)工業(yè)電機(jī)和電纜十米范圍內(nèi)磁場(chǎng)性質(zhì) 50HZ 恒定 50HZ20KHZ磁場(chǎng)強(qiáng)度103102 1100104102（3） 比賽選擇20kHz的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效地避開(kāi)周?chē)渌艌?chǎng)的干擾，因此信號(hào)放大需要進(jìn)行選頻放大，使得20kHz的信號(hào)能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號(hào)的影響。 2）傳播路徑：指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。② 注意晶振布線?？蓽p小壓降，并降低耦合噪聲。 總體控制流程圖整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)為主控MCU，對(duì)模擬和數(shù)字傳感器信號(hào)進(jìn)行采集處理，并對(duì)輸出的PWM分別控制，進(jìn)行舵機(jī)和電機(jī)的控制，控制舵機(jī)來(lái)決定賽車(chē)的角度，通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)來(lái)控制電機(jī)，決定賽車(chē)的速度。在地面附著力一定的情況下，減小汽車(chē)行駛速度或者增大汽車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑都有利于防止汽車(chē)的側(cè)滑。這樣過(guò)彎路線有利于增大轉(zhuǎn)彎半徑，提高過(guò)彎速度，防止側(cè)滑。 (41)程序調(diào)試中，須反復(fù)調(diào)試試驗(yàn)，逐漸逼近最佳狀態(tài)，確定合適的Kp、Kd參數(shù)，并在程序中區(qū)分不同的賽道狀況，動(dòng)態(tài)切換不同的Kp、Kd參數(shù)組合，最終實(shí)現(xiàn)最佳狀態(tài)的循跡效果。微分控制可以預(yù)測(cè)偏差，產(chǎn)生超前校正作用，因此可以較好的改善動(dòng)態(tài)性能[10]。由式（44）、（45）、（46）可得數(shù)字PID位置型控制算式為： (47) (48)所謂增量型控制是指數(shù)字控制器的輸出是控制器的增量。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳、對(duì)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性較差。4）電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響。%時(shí)舵機(jī)指向0176。為了縮短A/D的采樣時(shí)間，縮短采樣周期，增加采樣點(diǎn)數(shù)。 CRGFLG=0X40。 //0:左對(duì)齊輸出；1：中心對(duì)齊輸出PWMPRCLK =0x11。PWMPER23 =20000。VDDA和VSSA兩個(gè)引腳為ATD模塊提供工作電源和電源地。 ATD0CTL3=0xA0。 TCTL3 = 0X00。 本章小結(jié)本章對(duì)控制決策進(jìn)行了分析，選擇了最優(yōu)控制路徑，在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，分析并應(yīng)用了PID控制和PD控制，以達(dá)到更好的控制效果。6 結(jié)論 系統(tǒng)調(diào)試方面結(jié)論在整個(gè)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間占了很大的一個(gè)比重，特別是在開(kāi)發(fā)的后期階段，系統(tǒng)的調(diào)試對(duì)系統(tǒng)的性能起決定性的作用。 總結(jié)經(jīng)過(guò)四個(gè)月時(shí)間的準(zhǔn)備，我完成了計(jì)劃中所需完成的內(nèi)容。軟件設(shè)計(jì)使用的是Metrowerks公司專(zhuān)門(mén)為freescale公司開(kāi)發(fā)的CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。針對(duì)這一問(wèn)題，采用如下措施：首先，加大舵機(jī)工作電壓，增加舵機(jī)抗負(fù)載能力。穩(wěn)定可靠的獲取當(dāng)前速度，對(duì)于賽車(chē)調(diào)試來(lái)說(shuō)，具有相當(dāng)重要的意義。3）軟件控制算法方面。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專(zhuān)用處理器發(fā)展而來(lái)。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高?，F(xiàn)代人類(lèi)生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機(jī)在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。因?yàn)樗w積小，通常都藏在被控機(jī)械的“肚子”里?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。 單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專(zhuān)用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢(shì)