【文章內(nèi)容簡介】 載，從而影響到最終成績。調(diào)整的原則是：兩傳動齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會增加傳動阻力，浪費動力，增加噪音；傳動部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動是否良好的依據(jù)是，聽一下電機帶動后輪空轉(zhuǎn)時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機負載變大。調(diào)整好的齒輪傳動噪音很小，并且不會有碰撞類的雜音，后輪減速齒輪機構就基本上調(diào)整好了，動力傳遞十分流暢。 車體重心調(diào)整 車體重心位置對賽車加減速性能、轉(zhuǎn)向性能和穩(wěn)定性都有較大影響。重心調(diào)整主要包括重心高度和前后位置的調(diào)整。理論上，賽車重心越低穩(wěn)定性越好。因此賽車各部件的安裝高度都盡量貼近底盤。除此之外，車輛重心前后方向的調(diào)整，對賽車行駛性能也有很大的影響。根據(jù)車輛運動學理論，車身重心前移，會增加轉(zhuǎn)向，但降低轉(zhuǎn)向的靈敏度（因為大部分重量壓在前輪，轉(zhuǎn)向負載增大），同時降低后輪的抓地力，影響加減速性能；重心后移，會減少轉(zhuǎn)向，但增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會增加，提高加減速性能，通過多次調(diào)試證明車輛重心盡量靠前，因此，我們?yōu)榱藢⒅匦谋M量前移改變了舵機的安裝位置， 編碼盤安裝本次設計中速度傳感器采用的是上海遠征公司生產(chǎn)的YZ30D4S2NA100編碼器。它由524V的直流供電。速度傳感器用螺釘固定在鋁片上，鋁片固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。 安裝效果如圖 傳感器支架安裝與固定 傳感器固定采用一字型的固定方式，支架可升降，因而可根據(jù)需要隨時對傳感器的高度進行調(diào)整，從而達到最佳效果，給平時的調(diào)試工作帶來了很大的方便。 傳感器固定方式 主控電路板結構調(diào)節(jié) 為了降低車子重心，電路板安裝在小車的靠近前輪的底板上，同時使小車整體比較簡潔、美觀。 主控電路板第四章 硬件系統(tǒng)設計根據(jù)本次大賽的特點，智能車的電路設計方案主要包括：電源模塊，道路信息檢測模塊，測速模塊，電機驅(qū)動模塊，舵機驅(qū)動模塊，遙控器紅外接收等。此次電磁組是第一次出現(xiàn)在比賽中，而以往的只有光電組與攝像頭組，因此在傳感器的選型與設計是重點應解決的。在比賽之初，通過分析研究往屆優(yōu)秀隊伍的技術報告，并結合自身的實際情況，設計提出了自己的硬件電路設計方案。 信號源模塊根據(jù)組委會要求，競賽車模需要能夠通過自動識別賽道中心線位置處由通有100mA 交變電流的導線所產(chǎn)生的電磁場進行路徑檢測。信號源電路包括振蕩電路、功率輸出電路、恒流控制電路以及電源等組成。根據(jù)技術要求， 震蕩電路 產(chǎn)生中心頻率為 20KHz 的對稱方波信號。為了滿足功率輸出電路的需要，一般輸出極性相反的信號?？梢允褂闷胀ǖ?55 時基電路產(chǎn)生振蕩信號，也可以使用簡易的單片機產(chǎn)生振蕩信號。為了方便調(diào)試，信號頻率能夠在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整。 功率輸出電路由于輸出驅(qū)動信號電壓、電流、頻率較大，需要一定輸出功率驅(qū)動跑道線圈，因此最后需要功率輸出電路。可以采用分立大功率晶體管搭建輸出電路，也可以使用的電機驅(qū)動橋電路集成模塊。選擇時需要注意電路的頻率響應應該大于20KHz，輸出功率大于2W，在制作時需要注意電路的散熱。 恒流控制恒流電路控制輸出電流在 100mA 左右穩(wěn)定，不隨著電源的變化而發(fā)生波動。根據(jù)比賽規(guī)則的要求，恒流輸出控制不需要特別的精確。一般要求不高的情況下可以使用限流電阻控制電流的穩(wěn)定，也可以利用晶體管的在放大區(qū)集電極的恒流特性進行控制。 電源模塊電源模塊為系統(tǒng)其它各個模塊提供所需要的電源，可靠的電源方案是整個硬件電路能夠穩(wěn)定可靠運行的基礎。設計中，除了要考慮到額定電壓和額定電流等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、低噪聲、抗干擾等方面進行優(yōu)化處理。電源模塊容易造成相互干擾，尤其是電機在啟動時需要較大的電流，很容易對其它模塊，特別是傳感器檢測方面造成一定干擾。因此，在設計中需要注意將各個模塊供電電源分開。為了減小各模塊見的相互干擾，我們采用了三片LM2940 供電，其中一片LM2940 為單片機單獨提供一個5V 的電源，以絕對保證單片機的穩(wěn)定，一片LM2940為舵機單獨提供一個5V的電源，另一片為傳感器單獨提供一個5v的電源。常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源(LM297805 等)和開關型穩(wěn)壓電源(LM259LM2575 等)兩大類。串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源具有紋波小、電路結構簡單的優(yōu)點,但是效率較低,功耗大。 開關型穩(wěn)壓電源功耗小,效率高,但電路卻比較復雜,電路的紋波大。傳感器根據(jù)型號選擇適當?shù)姆€(wěn)壓芯片，這里同樣選擇了用LM2940 穩(wěn)壓，提供5V 電源。： S12 單片機最小系統(tǒng)因為在電路設計過程中發(fā)現(xiàn)xs128單片機（80引腳）的所有的引腳不是都會被用到，所以使用了汽車及芯片MAA（64引腳），而且這塊板子的大小可以減小很多，所以質(zhì)量更為輕便。 HC9S12XS128MAA實物圖 HC9S12XS128MAA 原理圖 道路信息檢測的方式大賽根據(jù)車模檢測路徑方案不同分為電磁、光電與攝像頭三個賽題組。車模通過感應由賽道中心電線產(chǎn)生的交變磁場進行路徑檢測的屬于電磁組；車模通過采集賽道圖像（一維、二維）進行路徑檢測的屬于攝像頭組；車模通集賽道上少數(shù)孤立點反射亮度進行路徑檢測的屬于光電組。CCD（攝像頭）的優(yōu)點是檢測前瞻距離大、檢測范圍寬、檢測道路參數(shù)多，缺點是電路設計復雜，要視頻信號同步分離，且工作電壓高于電池電壓，需要升壓電路，增加了車身的重量。光電組通過紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線照射跑道，跑道表面與黑線具有不同的反射強度，落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強度比白色的賽道的要弱，由此判斷黑線的位置。這種檢測方法具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，且電路計比較簡單，檢測信息快，信號處理速度快。但這種方法對道路參數(shù)檢測精度低，易受到外界光線的干擾，且檢測距離有限。此次我們參加的是電磁組，根據(jù)比賽技術要求，電磁組競賽，需要選手設計的智能車能夠檢測到道路中心線下電線中20KHz 交表電流產(chǎn)生的磁場來導引小車沿著道路行駛。在平時調(diào)試和比賽過程中需要能夠滿足比賽技術要求的20KHz 的交流電源驅(qū)動賽道中心線下的線圈。而我們的首要任務就是做出交流電源，根據(jù)秘書處提供的參考方案我們使用555 產(chǎn)生20KHz 振蕩信號，電機驅(qū)動橋電路集成模塊L298 組成功率輸出電路，成功的制作出了100mA20KHz 的交流電源。 傳感器的選擇及電路設計根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產(chǎn)生交變的電磁場。導線周圍的電場和磁場，按照一定規(guī)律分布。通過檢測相應的電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導線的空間位置，從而達到控制小車的目的?，F(xiàn)在我們有很多測量磁場的方法，磁場傳感器利用了物質(zhì)與磁場之間的各種物理效應：磁電效應（電磁感應、霍爾效應、磁致電阻效應）、磁機械效應、磁光效應、核磁共振、超導體與電子自旋量子力學效應。下面列出了一些測量原理以及相應的傳感器：（1） 電磁感應磁場測量方法：電磁線磁場傳感器，磁通門磁場傳感器，磁阻抗磁場傳感器。（2） 霍爾效應磁場測量方法：半導體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。（3） 各向異性電阻效應（AMR）磁場測量方法。（4） 載流子自旋相互作用磁場測量方法：自旋閥巨磁效應磁敏電阻、自旋閥三極管磁場傳感器、隧道磁致電阻效應磁敏電阻。（5） 超導量子干涉（SQUID）磁場測量方法：SQUID 薄膜磁敏元件。（6） 光泵磁場測量方法：光泵磁場傳感器。（7） 質(zhì)子磁進動磁場測量方法。（8） 光導纖維磁場測量方法。以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同，測量的磁場精度和范圍相差也很大。為了選擇合適檢測方法，除了檢測磁場的精度之外，還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應、尺寸、價格、功耗以及實現(xiàn)的難易程度進行考慮?？紤]到成本、精度等因素后我們決定選擇組委會推薦的最為傳統(tǒng)的電磁感應線圈的方案。它具有原理簡單、價格便宜、體積小（相對?。?、頻率響應快、電路實現(xiàn)簡單等特點，適合于初學者快速實現(xiàn)路經(jīng)檢測的方案。按照組委會推薦方案，我們同樣選擇了10mH 工字型電感，比賽選擇 20kHz的交變磁場作為路徑導航信號，在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場的干擾，因此信號放大需要進行選頻放大，使得20kHz 的信號能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號的影響。 可以使用 LC 并聯(lián)電路來實現(xiàn)選頻電路，電路諧振頻率為20KHz，由此可計算出諧振電容為：：由于實驗環(huán)境不同，為了適應我們放置傳感器的的高度，經(jīng)過不斷實驗調(diào)整， 重新選定了部分參數(shù)，但是三極管放大電路的放大倍數(shù)任然是個難以解決的問題，一級放大的倍數(shù)較小，輸出電壓可能達不到單片機檢測的要求，兩級放大又會存在信號失真的現(xiàn)象，經(jīng)過一段時間的測試我們還是選定了一級放大， 所示。 傳感器電路 檢測方案的選擇通過實驗發(fā)現(xiàn)磁芯電感比色環(huán)電感的靈敏度高，內(nèi)阻小的電感比內(nèi)阻大的電感靈敏度高。但并不是內(nèi)阻越小的電感越好，因為小內(nèi)阻電感通常使用更粗的漆包線，勢必會增加電感的重量，從而影響小車的性能。最終我們選用了第二種電感，該電感重量較輕且性能令人滿意。諧振電容的選擇： 的電容種類較少，經(jīng)過比較后我們使用了校正電容。通過實驗發(fā)現(xiàn)該種電容在20Khz諧振時具有不錯的性能，下圖為實測的LC 諧振產(chǎn)生的波形（H=10cm）： LC 諧振波形放大電路方案的選擇：我們使用NPN 三極管C1815 搭建了單管共射極放大電路，該方案電路簡潔且能夠取得令人滿意的效果。該方案原理圖如下所示： 三極管放大電路整流電路：三極管集電極輸出的是交流信號，需要將它轉(zhuǎn)為直流信號送入單片機AD 轉(zhuǎn)換接口。我們利用濾波電容的儲能特性采用峰值檢波電路，如圖下所示： 倍壓檢波電路我們采用干簧管檢測起跑線，當干簧管靠近磁鐵時便會吸合，我們使用4個干簧管呈H 型排列，以提高檢測的可靠性。經(jīng)驗證此種檢測方法簡單可靠。電機驅(qū)動模塊采用4 片BTS7960 并聯(lián)的驅(qū)動方案。BTS7960 芯片開頭頻率可以達到25kHz，可以很好地解決MC33886 和VNH3SP30 驅(qū)動芯片使電機噪聲大和發(fā)熱的問題，同時驅(qū)動能力有了明顯的提高，響應速度快。同時該芯片價格相對低廉，有不錯的性價比。其在較小的電路板空間占用的情況下為大電流保護的PWM 電機驅(qū)動提供了一種成本優(yōu)化的解決方案。完全符合本速度控制系統(tǒng)的要求。按照官方資料推薦的電路參數(shù)設計了如下BTS7960 驅(qū)動電路，該電路由兩片BTS7960 并聯(lián)組成，兩個電路在并聯(lián)，外圍電路十分簡單只需要一些電阻和電容，這大大簡化設計過程。 所示。 BTS7960 電路圖 電池電源供電，由單片機輸入的兩路PWM 控制信號和兩路芯片使能信號，在該電池電壓下大約能輸出高達20A 的電流供給電機，驅(qū)動能力十分強勁。據(jù)此電路制作出了PCB 電路板，經(jīng)過實車測試，驗證了改驅(qū)動方案的是完全優(yōu)秀可靠的。速度檢測使用100 線的光電編碼器，每旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)100 個脈沖，實測脈沖波形如圖所示。 編碼器脈沖波形該光電編碼器傳動齒輪與電機的具有相同的齒數(shù)，也就是電機每轉(zhuǎn)動一圈，該編碼器也旋轉(zhuǎn)一圈，根據(jù)它和后輪的傳動比，后輪每轉(zhuǎn)動一圈編碼器就輸出一定的脈沖數(shù)，通過單片機檢測此脈沖數(shù)即可以獲知某個時刻的小車的速度值。第五章 軟件結構設計 軟件處理流程系統(tǒng)初始化讀取道路信息處理道路信息并得到相關參數(shù)根據(jù)參數(shù)選擇算法執(zhí)行舵機與電機 軟件設計總流程圖模型車在直道上的速度相差不是很大，在彎道上的比拼才是整個比賽的重點，因此如何優(yōu)化彎道的算法才是整個控制算法的關鍵。 模塊初始化我們處理器初始化如下模塊：鎖相環(huán)模塊、基本輸入輸出模塊、ECT中斷捕獲、PWM模塊、PTI實時時鐘模塊、脈沖計數(shù)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、中斷優(yōu)先級管理模塊和定時器部分。鎖相環(huán)設置，我們采用的是MC9S12XS128核心，這個核心的標準總線工作頻率是40Mhz，但是在測試發(fā)現(xiàn)這個芯片能比較安全超頻工作在88Mhz的頻率上。考慮到我們所有的處理基本都是采用軟件實現(xiàn)，處理器同一時間要完成采集、處理、控制三個任務，并且這三個任務使用中斷并行工作，故將芯片的總線頻率設定在了64Mhz?；据斎胼敵瞿K，串行通信模塊，ECT中斷捕獲初的設置，我們使用PA、PH兩個接口作為了策略設置接口接撥碼開關，設置包括速度設定，傳感器測試，閥值設定以及一些賽場控制策略。PB接口用于狀態(tài)指示燈。PWM模塊用于產(chǎn)生電機驅(qū)動，和舵機驅(qū)動信號，電動機PWM工作頻率為10Khz,舵機的更新頻率為300Hz。ECT具有8個輸入（IC）/輸出(OC)比較通道，可以通過設置TIOS寄存器選擇輸入或輸出比較功能。ECT既可以作為一個時基定時產(chǎn)生中斷，也可以用來產(chǎn)生控制信號。 通過ECT模塊，我們實現(xiàn)了對脈沖進行計數(shù)，檢測智能車的速度，對速度進行閉環(huán)控制。 模型車平穩(wěn)地行駛是本次比賽的基本要求，但這并不意味著這是最簡單的要求，因為速度控制的好壞直接影響整車的許多方面，比如直