【正文】 傾倒，控制電路便立即停止運(yùn)行。對(duì)于那些不足之處還望老師多多包涵。 在小車(chē)的硬件設(shè)計(jì)部分，采取了模塊化的設(shè)計(jì)，其組成部分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、傾角傳感器電路、速度傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電磁線檢測(cè)電路。它們都是表貼元器件，固定在電路板上。如圖 所示。 圖 使用熱熔膠粘接后輪支架與底盤(pán)。將車(chē)模放在電磁導(dǎo)引跑道上，車(chē)?？梢苑€(wěn)定在跑道上運(yùn)行。車(chē)模跌倒判斷車(chē)模的傾角大于 45 度。測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向是否符合設(shè)定的要求。 CalculateMotorOutSpeed()。 } else if(g_nCarSpeedCount == 2) { CarVoltageGet()。 g_nRightMotorSpeed = (int)nRightMotorSpeed。 } 程序 車(chē)模方向控制子程序 中斷服務(wù)程序 void TI1_OnInterrupt(void){ unsigned int nLeftMotorSpeed, nRightMotorSpeed。 車(chē)模方向控制子程序代碼如下程序 的： void CarMagicAdjust(void) { int nP。 }。 g_nMotorOutSpeedKeep = nI。 int nSpeed。 該函數(shù)的輸入為 g_nLeftMotorSpeedCount， g_nRightMotorSpeedCount。 if(g_nLeftMotorOut MOTOR_OUT_MAX) g_nLeftMotorOut = MOTOR_OUT_MAX。 nD = (int)mult_r(nD, CAR_AA_D_INT)。 這個(gè)過(guò)程需要反復(fù)調(diào)整，直到車(chē)?？梢员容^穩(wěn)定的達(dá)到直立平衡。 lnDeltaValue = lnDeltaValue * CAR_ACCE_RATIO。 lnDeltaValue = lnDeltaValue (int)CV_ACCE_OFFSET。 由于 本函數(shù)調(diào)用的時(shí)間周期為 5ms。在車(chē)模 保持直立靜止時(shí)，讀出兩個(gè)通道的數(shù)值，便是相應(yīng)的零偏值。 if(nRightVal MOTOR_OUT_MIN) nRightVal = MOTOR_OUT_MIN。 nRightVal = g_nRightMotorOut。這個(gè)數(shù)值需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。 nRightVol = mult(nRightVol, nPeriod)。 setReg(PWM_PWMVAL1, 0)。正負(fù)號(hào)表示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。在其中第 0 片段中，進(jìn)行速度 PID 調(diào)節(jié)。累積電機(jī)速度，為后面車(chē)模速度控制提供平均數(shù)； （ 2）啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換。通過(guò)全局標(biāo)志變量確定是否進(jìn)行這些閉環(huán)控制。如果一旦處于直立狀態(tài)則 啟動(dòng)車(chē)模直立控制、方向控制以及速度控制?？梢苑旁诔绦虻闹鞒绦蛑型瓿伞Ｍㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個(gè)方法可以有效判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向并進(jìn)行速度控制。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 圖 速度傳感器電路 由于光電管器件直接輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，因此可以直接將這些脈沖信號(hào)連接到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器端口。圖 33886芯片 組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 傾角傳感器電路 車(chē)模傾角傳感器電路主要是將陀螺儀信號(hào)進(jìn)行放大濾波。 主要外設(shè)包括 （ 1） PWM 6 通道； （ 2） AD 6 通道， 12bit； （ 3）定時(shí)器， 16bit， 4 通道； （ 4）外部串行接口： SCI， I2C， SPI； （ 5） IO 口：最多可以提供 26 路。 c) 加速度計(jì)：一路，測(cè)量加速度 Z 軸輸出電壓。當(dāng)車(chē)模速度達(dá)到設(shè)定值，由車(chē)模速到控制算法使得電機(jī)進(jìn)入恒速運(yùn)行。 需要進(jìn)行如下控制環(huán)節(jié)，控制車(chē)模電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)： （ 1）車(chē)模直立控制：使用車(chē)模傾角的 PD（比例、微分）控制； （ 2）車(chē)模速度控制：使用 PI（比例、積分）控制； （ 3）車(chē)模方向控制：使用 P（比例）控制。 加速度計(jì)所產(chǎn)生的角度信息 θg 中會(huì)疊加很強(qiáng)的有車(chē)模運(yùn)動(dòng)加速度噪聲信號(hào)。因此車(chē)?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號(hào)。選用 EN03 系列的加速度傳感器。變化的規(guī)律為 Δ u = kg sinθ 式中， g為重力加速度； θ 為車(chē)模傾角； k為比例系數(shù)。它與相鄰的電極形成了兩個(gè)電容。因此車(chē)模差動(dòng)控制一般只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的比例控制就可以完成車(chē)模方向控制。 圖 電機(jī)速度監(jiān)測(cè) 利用控制單片機(jī)的計(jì)數(shù)器測(cè)量在固定時(shí)間間隔內(nèi)速度脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)可以測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖 電機(jī)在不同電壓下的速度 由圖 可以看出，電機(jī)運(yùn)動(dòng)明顯分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是加速階段；第二個(gè)階段為恒速階段。 車(chē)模速度控制 車(chē)模運(yùn)行速度是通過(guò)控制車(chē)輪速度實(shí)現(xiàn)的，車(chē)輪通過(guò)車(chē)模兩個(gè)后輪電機(jī)經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)，因此通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)控制。這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為 F = mg sinθ ma ≈ mgθ mk1θ (21) 式中，假設(shè)控制車(chē)輪加速度與偏角 θ成正比，比例為 k1。阻尼力過(guò)?。ㄇ纷枘幔?huì)使得單擺產(chǎn)生震蕩，阻尼力過(guò)大（過(guò)阻尼）會(huì)使得單擺到達(dá)平衡位置時(shí)間拉長(zhǎng)。這個(gè)力稱之為回復(fù)力，其大小為 F = mg sinθ ≈ mgθ 在此回復(fù)力作用下，單擺便進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)。如圖 所示。這需要兩個(gè)條件：一個(gè)是托著木棒的手掌可以移動(dòng)；另一個(gè)是眼睛可以 觀察到木棒的傾斜角度和傾斜趨勢(shì)（角加速度）。因此在速度、方向控制的時(shí)候，應(yīng)該盡量平滑，以減少對(duì)于直立控制的干擾。因此從控制角度來(lái)看，由控制車(chē)模兩個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及速度實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)模的控制。車(chē)內(nèi)的環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出道路狀況，測(cè)量前方車(chē)輛的距離和相對(duì)速度，相當(dāng)于駕駛員的眼睛；車(chē)載主控計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)提供的道路信息、車(chē)前車(chē)輛情況以及自身的安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 行駛狀態(tài)，決定是沿道路前進(jìn)還是換道準(zhǔn)備超車(chē)，相當(dāng)于駕駛員的大腦；接著，自動(dòng)駕駛控制軟件按 照需要跟蹤的路徑和汽車(chē)行駛動(dòng)力學(xué)，向方向盤(pán)控制器、油門(mén)控制器和剎車(chē)控制器發(fā)出動(dòng)作指令，操縱汽車(chē)按規(guī)劃好的路徑前進(jìn)，起到駕駛員的手和腳的作用。智能車(chē)輛駕駛是一種通用性術(shù)語(yǔ)，指全部或部分完成一項(xiàng)或多項(xiàng)駕駛?cè)蝿?wù)的綜合車(chē)輛技術(shù)。 本科畢業(yè)論文 基于飛思卡爾 16 位單片機(jī)電磁型智能小車(chē)的設(shè)計(jì) BASED ON FREESCALE 16BITMICROCONTROLLER SMART CAR DESIGN 學(xué)院（部）： 機(jī)械工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 機(jī)設(shè) 0912 20xx 年 月 日 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于飛思卡爾 16 位單片機(jī)電磁型智能小車(chē)的設(shè)計(jì) 摘要 本文是以飛思卡爾智能車(chē)競(jìng)賽為背景設(shè)計(jì)的一個(gè)智能小車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)。 課題研究現(xiàn)狀 智能車(chē)輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。 轎車(chē)自主駕駛的基本原理是仿人駕駛。 為了分析方便，根據(jù)比賽規(guī)則，假設(shè)維持車(chē)模直立、 運(yùn)行的動(dòng)力都來(lái)自于車(chē)模的兩個(gè)后車(chē)輪，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于車(chē)模同時(shí)受到三種控制的影響，從車(chē)模直立控制的角度，其它兩個(gè)控制就成為它的干擾。一般的人通過(guò)簡(jiǎn)單練習(xí)就可以讓一個(gè)直木棒在手指尖上保持直立?？刂戚喿愚D(zhuǎn)動(dòng)，抵消傾斜的趨勢(shì)便可以保持車(chē)體直立了。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 圖 車(chē)模可以簡(jiǎn)化成倒立的單擺 普通的單擺受力分析如圖 所示 圖 普通單擺受力分析 當(dāng)物體離開(kāi)垂直的平衡位置之后，便會(huì)受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動(dòng)重物回復(fù)平衡位置。阻尼力會(huì)使得單擺最終停止在垂直位置。這樣站在小車(chē)上（非慣性系）看安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 倒立擺，它就會(huì)受到額外的力 (慣性力 )，該力與車(chē)輪的加速度方向相反，大小成正比。 因此控制車(chē)模穩(wěn)定，需要下列兩個(gè)條件： （ 1）能夠精確測(cè)量車(chē)模傾角 θ 的大小和角速度 θ’的大?。? （ 2）可以控制車(chē)輪的加速度。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 對(duì)應(yīng)不同的電壓，電機(jī)的速度變化曲線如圖 所示。如圖 所示。 圖 通過(guò)差動(dòng)控制左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓控制車(chē)模方向 通過(guò)左右電機(jī)速度差驅(qū)動(dòng)車(chē)模轉(zhuǎn)向消除車(chē)模偏差，這個(gè)過(guò)程是一個(gè)積分過(guò)程。基本原理如圖 圖 加速度傳感器 通過(guò)微機(jī)械加工技術(shù)在硅片上加工形成了一個(gè)機(jī)械懸臂。當(dāng)車(chē) 模發(fā)生傾斜時(shí)，重力加速度 g 便會(huì)在 Z 軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出電壓變化。 角速度傳感器 陀螺儀 陀螺儀可以用來(lái)測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。車(chē)模的角度又是通過(guò)對(duì)角速度積分而得，這可進(jìn)一步平滑信號(hào)，從而使得角度信號(hào)更加穩(wěn)定。由于加速度計(jì)獲得的角度信息不會(huì)存在積累誤差，所以最終將輸出角度 θ中的積累誤差消除了。 車(chē)模直立行走控制算法總圖 將車(chē)模直立行走主要的控制算法集中起來(lái)，形成控制算法總框圖，如圖 圖 車(chē)模運(yùn)動(dòng)控制總框圖 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 為了實(shí)現(xiàn)車(chē)模直立行走，需要采集如下信號(hào)： （ 1） 車(chē)模陀螺儀信號(hào)； （ 2） 車(chē)模加速度計(jì)信號(hào)（ z 軸信號(hào)）； （ 3） 車(chē)模電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)； （ 4） 車(chē)模電磁偏差信號(hào)（兩路）。在此同時(shí)，車(chē)模直立控制會(huì)迅速進(jìn)行調(diào)整，使得車(chē)模往前傾斜，車(chē)模開(kāi)始加速。 b) 陀 螺儀：一路，測(cè)量陀螺儀輸出電壓。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)選擇 MC9S12XS128。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 沒(méi)有使用的 IO 和模擬量口作狀態(tài)顯示、運(yùn)行設(shè)置以及輔助調(diào)試作用。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖 傳感器電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 車(chē)模有兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要兩組電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋電路。 速度傳感器 電機(jī)速度傳感器使用了固定在電機(jī)輸出軸上的光碼盤(pán)以及相互 配合的光電對(duì)管器件，如圖 。電機(jī)的轉(zhuǎn)向是通過(guò)施加在電機(jī)上的電壓正負(fù)進(jìn)行判斷的。它的執(zhí)行不需要精確的時(shí)間周期。該程序通過(guò)讀取加速度計(jì)的數(shù)值判斷車(chē)模是否處于直立狀態(tài)。 車(chē)模的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中斷程序中完成。累積電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。 （ 4）車(chē)模速度控制：在這個(gè)時(shí)間片段中，又進(jìn)行 019 計(jì)數(shù)。 取值范圍： 0x8000 至 0x7fff：代表定點(diǎn)小數(shù) 至 。} else {nLeftVol = nLeftVol。 nRightVol = nRightVol。 該程序 主要功能為包括： （ 1 ） 在 輸 出 數(shù) 值 上 添 加 克 服 死 區(qū) 的 數(shù) 值 ， 利 用 宏 定 義MOTOR_OUT_DEAD_VAL（缺省為 1000）表示。 nLeftVal = g_nLeftMotorOut。 if(nRightVal MOTOR_OUT_MAX) nRightVal = MOTOR_OUT_MAX。這個(gè)數(shù)值需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。與 1000 相比較，便可以得到歸一化的比例系數(shù)。 lnDeltaValue = (int)CV_ACCE_VAL。 //..... lnDeltaValue = g_nCarAcceVal g_nCarAngle。然后逐步增加這兩個(gè)數(shù)值，直到車(chē)模開(kāi)始抖動(dòng)，然后略減少這兩個(gè)數(shù)值即可。 nD = g_nCarGyroVal 5。 g_nRightMotorOut = nRight 6。 對(duì)于 PI 調(diào)節(jié)算法中的參數(shù)整定可以參照一般 PI 參數(shù)整定的方法進(jìn)行。 int nDeltaValue, nP, nI。 g_nMotorOutSpeedOld = g_nMotorOutSpeedNew。 g_nLeftMotorOutSpeed = g_nRightMotorOutSpeed = nValue。 CMA_P_MAX 可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)逐步確定一個(gè)合適的取值。 g_nMotorLeftRightDiff = nP。 g_nLeftMotorSpeed = (int)nLeftMotorSpeed。 } else if(g_nCarSpeedCount == 1) { ADC_Measure(0)。 CalculateMotorLeftRightDiff()。 以下為程序參數(shù)調(diào)試步驟： （ 1）電機(jī) PWM 輸出調(diào)試：程序給出兩個(gè)電機(jī)固定的 PWM 輸出。一般情況下，車(chē)模直立要求，車(chē)模傾角在正負(fù) 10 度之內(nèi)，保持 2 秒鐘。 （ 6） 車(chē)模方向控制調(diào)試：?jiǎn)?dòng)車(chē)模的直立控制、速度控制和方向控制。圖 所示為熱熔膠粘接的位置。此時(shí)可以使用熱熔膠將光電對(duì)管固定在后輪支架上固定光電對(duì)管，使得光電 碼盤(pán)在對(duì)管的中間縫隙中通過(guò)。 車(chē)模傾角傳感器 車(chē)模傾角傳感器包括陀螺儀和加速度計(jì)。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 40 結(jié)論 本文基于飛思卡爾 MC9S12XS128 為控制核心設(shè)計(jì)了以傳感器識(shí)別路線的智能車(chē)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能小車(chē)按給定速度沿黑色引導(dǎo)線行走。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 41 附錄 程序代碼 void SetMotorVoltage(int nLeftVol,