【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 種器件獲得，那就是角速度傳感器 陀螺儀。 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。選用 EN03 系列的加速度傳感器。它利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體 會(huì)受到克里利奧力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動(dòng)單元。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時(shí)會(huì)改變振動(dòng)頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 在車(chē)模上安裝陀螺儀，可以測(cè)量車(chē)模傾斜的角速度，將角速度信號(hào)進(jìn)行積分便可以得到車(chē)模的傾角。如圖 。 圖 測(cè)量車(chē)模角速度和角度 由于陀螺儀輸出的是車(chē)模的角速度，不會(huì)受到車(chē)體振動(dòng)影響。因此該信號(hào)中噪聲很小。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。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)。 由于從陀螺儀的角速度獲得角度信 息，需要經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算。如果角速度信號(hào)存在微小的偏差，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算之后，變化形成積累誤差。這個(gè)誤差會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無(wú)法形成正確的角度信號(hào)，如圖 所示。 圖 角度積分漂移 對(duì)于積累誤差的消除，可以通過(guò)上面的加速度傳感器獲得的角度信息對(duì)此進(jìn)行校正，如圖 。 圖 角度積分漂移校正 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 利用加速度計(jì)所獲得的角度信息 θg與陀螺儀積分后的角度 θ進(jìn)行比較，將比較的誤 差信號(hào)經(jīng)過(guò)比例 Tg放大之后與陀螺儀輸出的角速度信號(hào)疊加之后再進(jìn)行積分。從圖 ，對(duì)于加速度計(jì)給定的角度 θg，經(jīng)過(guò)比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度 θ必然最終等于 θg 。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。 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)。為了避免該信號(hào)對(duì)于角度 θ的影響，因此比例系數(shù) Tg應(yīng)該非常小。這樣，加速度的噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)比例、積分后，在輸出角度信息中就會(huì)非常小了。由于存在積分環(huán)節(jié)，所以無(wú)論比例 Tg多么小，最終輸出角度 θ必然與加速度計(jì)測(cè)量的角度θg相等，只是這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)隨著 Tg的減小而延 長(zhǎng)。 為了避免輸出角度 θ跟著 θg過(guò)長(zhǎng)，可以采取以下兩個(gè)方面的措施： （ 1）仔細(xì)調(diào)整陀螺儀的放大電路，使得它的零點(diǎn)偏置盡量接近于設(shè)定值，并且穩(wěn)定。 （ 2）在控制電路和程序運(yùn)行的開(kāi)始，盡量保持車(chē)模處于直立狀態(tài)，這樣一開(kāi)始就使得輸出角度 θ與 θg相等。此后，加速度計(jì)的輸出只是消除積分的偏移，輸出角度不會(huì)出現(xiàn)很大的偏差。 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）。 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。 可通過(guò)單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)上述控制算法。 車(chē)模的三種控制（直立、速度、方向）最終是將控制量疊加在一起作為電機(jī)輸出電壓控制量。直立控制是基礎(chǔ)，它的調(diào)整速度非?？?，速度和方向控制相對(duì)調(diào)整速度慢。速度 和方向控制的輸出量是直接疊加在電機(jī)控制電壓上。它們假定直立控制會(huì)始終保持車(chē)模不跌倒，直立控制會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)模的傾角以適應(yīng)車(chē)模的加速、減速和轉(zhuǎn)彎的需要。 車(chē)模加速前進(jìn)時(shí)，由速度控制算法給出電機(jī)增加的正向電壓，電機(jī)開(kāi)始逐步加速旋轉(zhuǎn)。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。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。此時(shí)車(chē)模直立控制算法也會(huì)相應(yīng)調(diào)整車(chē)模出于直立狀態(tài)，車(chē)模恒速運(yùn)行。車(chē)模減速過(guò)程與此類(lèi)似，由速度控制算法減少了電機(jī)的電壓，電機(jī)開(kāi)始減速運(yùn)行。直立控制算法會(huì)自動(dòng) 調(diào)整車(chē)模往后傾斜，使得車(chē)模減速。車(chē)模轉(zhuǎn)向控制是在車(chē)速控制基礎(chǔ)之上，調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓差使得電機(jī)運(yùn)行速度出現(xiàn)差動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整車(chē)模的方向。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 智能車(chē)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì) 智能車(chē)硬件設(shè)計(jì) 整體電路框圖 設(shè)計(jì)車(chē)模控制系統(tǒng)的電路，首先需要分析系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)，然后選擇合適的核心控制嵌入式計(jì)算機(jī)（單片機(jī)），逐步設(shè)計(jì)各個(gè)電路子模塊，最后形成完整的控制電路。 系統(tǒng)的輸入輸出包括： （ 1） AD 轉(zhuǎn)換接口（至少 4 路） a) 電磁監(jiān)測(cè)：左右兩路，用于測(cè)量左右兩個(gè)感應(yīng)線圈電壓。 b) 陀 螺儀：一路，測(cè)量陀螺儀輸出電壓。 c) 加速度計(jì)：一路，測(cè)量加速度 Z 軸輸出電壓。 d) 輔助調(diào)試：（備用） 1 到 3 路，用于車(chē)模調(diào)試、設(shè)置作用。 （ 2） PWM 接口（ 4 路） a) 控制左右兩個(gè)電極雙方向運(yùn)行，需要四路 PWM 接口。 （ 3） 定時(shí)器接口（ 2 路） a) 測(cè)量?jī)蓚€(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，需要兩個(gè)定時(shí)器脈沖輸入端口。 （ 4） 通訊接口（備用） a) SCI（ UART）：一路，用于程序下載和調(diào)試接口； b) I2C：（備用）如果選擇飛思卡爾公司的數(shù)字加速度 計(jì)，可以通過(guò) I2C 接口直接讀取加速度值。 （ 5） IO 接口（備用） 4 到 8 路輸入輸出，應(yīng)用車(chē)模運(yùn)行狀態(tài)顯示，功能設(shè)置等。 整體電路框圖如圖 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 圖 整體電路框圖 根據(jù)圖 ，控制電路劃分為如下子模塊： （ 1） 單片機(jī)最小系統(tǒng)：包括 DSC 處理器，程序下載調(diào)試接口等； （ 2） 電磁線檢測(cè)：包括兩路相同的電磁感應(yīng)信號(hào)放大與檢波電路； （ 3） 陀螺儀與加速度計(jì)：包括兩個(gè)姿態(tài)傳感器信號(hào)放大濾波電路； （ 4） 速度檢測(cè)：檢測(cè)電機(jī)光電碼盤(pán)脈沖頻率； （ 5） 電機(jī)驅(qū)動(dòng) ：驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電極運(yùn)行電路； （ 6） 電源：電源電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、濾波電路； （ 7） 設(shè)置與調(diào)試：顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、速度設(shè)定、程序下載與監(jiān)控。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)選擇 MC9S12XS128。 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。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路如圖 所示。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 （ 1） 模擬量檢測(cè)接口 a) ANA0（ PIN12）：陀螺儀電壓； b) ANA1（ PIN11）：加速度計(jì)電壓； c) ANB0（ PIN5）：右側(cè)電感檢波電壓； d) ANB1（ PIN6）：左側(cè)電感檢波電壓。 （ 2） 電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖接口 a) T0（ PIN19）：右側(cè)電機(jī)光電碼盤(pán)脈沖； b) T2（ PIN22）：左側(cè)電機(jī)光電碼盤(pán)脈沖。 （ 3） 電機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)接口 a) PWM03（ PIN23,24,28,29）：電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （ 4） 程序下載調(diào)試 JTEG 接口 a) TDI（ PIN30）； b) TDO（ PIN32）； c) TMS（ PIN31）； d) TCK（ PIN14）； e) /RESET(PIN15)。 （ 5） 串口監(jiān)控 UART 接口： a) RXD（ PIN1）； b) TXD（ PIN3）。 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。 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。由于加速度傳感器采用是低 g 值的傳感器 MMA7260，它 的輸出信號(hào)非常大，不需要再進(jìn)行放大。電路圖如圖 所示。 圖 陀螺計(jì)、加速度計(jì)電路 圖 中，將陀螺儀的輸出信號(hào)放大了 10 倍左右，并將零點(diǎn)偏置電壓調(diào)整到工作電源的一半（ ）左右。放大倍數(shù)需要根據(jù)選取的傳感器輸出靈敏度設(shè)計(jì)。 將上述電路單獨(dú)制作成小的電路板，可以比較方便放置在車(chē)模的最穩(wěn)定的位置。實(shí)際的電路圖如圖 。 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。圖 33886芯片 組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 為提高電源的應(yīng)用效率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 PWM 波形采用單極性的驅(qū)動(dòng)方式。如圖 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 圖 單極性 PWM、雙極性 PWM 因此每一路電機(jī)為了能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，都需要兩個(gè) PWM 信號(hào)。兩個(gè)電機(jī)總共需 4路 PWM 信號(hào)。具體實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。 圖 兩片 33886 組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 為了防止電機(jī)輸出電流對(duì)于電源的沖擊，在電路板的電源輸入（ ） 端口并聯(lián)了一個(gè) 1000 微法的電容。 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 。 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。 每個(gè)光電管輸出兩個(gè)脈沖信號(hào)，它們波形相同，只是相位相差 90176。如果電機(jī)正轉(zhuǎn)，第二個(gè)脈沖落后 90176。；如果電機(jī)反轉(zhuǎn)，第二個(gè)脈沖超前 90176?？梢酝ㄟ^(guò)這個(gè)關(guān)系判斷電機(jī)是否正反轉(zhuǎn)。在實(shí)際電路中，只檢測(cè)了一路脈沖信號(hào)。通過(guò)他的頻率測(cè)量得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。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。通過(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。 電磁線檢測(cè)電路 道路中心線的電磁線檢測(cè)是保證車(chē)模能夠運(yùn)行在賽道上。電池檢測(cè)電路圖如圖 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 電磁檢測(cè)電路 按該電路制作電路如圖 圖 電機(jī)檢測(cè)電路板 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 智能車(chē)軟件設(shè)計(jì) 車(chē)模是否能夠正常高速穩(wěn)定運(yùn)行，需要通過(guò)軟件編寫(xiě)和調(diào)試來(lái)完成。軟件編寫(xiě)與調(diào)試主要任務(wù)包括： （ 1）建立軟件工程，配置 單片機(jī) 資源； （ 2）編寫(xiě)單片機(jī)軟件程序框架，編寫(xiě)上位機(jī)監(jiān)控軟件，建立軟件編譯、下載、調(diào)試的環(huán)境； （ 3）實(shí)現(xiàn)并測(cè)試各個(gè)子模塊的功能正確性； （ 3）逐步完成車(chē)模閉環(huán)控制，整定各個(gè)待定 參數(shù)； （ 4）進(jìn)行車(chē)模整體運(yùn)行性能測(cè)試與提高。 軟件功能與框架 軟件的主要功能包括有： （ 1）車(chē)模運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)； （ 2）電機(jī) PWM 輸出； （ 3）車(chē)模運(yùn)行控制：直立控制、速度控制、方向控制； （ 4）車(chē)模運(yùn)行流程控制：程序初始化、車(chē)模啟動(dòng)與結(jié)束； （ 5）系統(tǒng)界面：狀態(tài)顯示、上位機(jī)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定等。 上述功能可以分成兩大類(lèi)： 第一類(lèi)包括 13 功能，它們屬于需要精確時(shí)間周期執(zhí)行，因此可以在一個(gè)周期定時(shí)中斷里完成。第二類(lèi)包括 45 功能。它的執(zhí)行不需要精確的時(shí)間周期?？梢苑旁诔绦虻闹鞒绦蛑型瓿?。這兩 類(lèi)任務(wù)之間可以通過(guò)全局變量實(shí)現(xiàn)相互的通訊。 主程序框架如圖 所示 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 主程序框架 圖 中，程序上電運(yùn)行后，便進(jìn)行單片機(jī)的初始化。初始化的工作包括有兩部分，一部分是對(duì)于單片機(jī)各個(gè)應(yīng)用到的模塊進(jìn)行初始化。這部分的代碼由CodeWarrior 集成環(huán)境的 ProcessorExpert 工具生成。第二部分是應(yīng)用程序初始化，是對(duì)于車(chē)?？刂瞥绦蛑袘?yīng)用到的變量值進(jìn)行初始化。 初始化完成后，首先進(jìn)入車(chē)模直立檢測(cè)子程序。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)。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。 程序在主循環(huán)中不停發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)檢查車(chē)模是否跌倒。跌倒判斷可以通過(guò)車(chē)模傾角是否超過(guò)一定范圍進(jìn)行確定，或者通過(guò)安裝在車(chē)模前后防撞支架上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)判斷。一定車(chē)模跌倒，則停止車(chē)模運(yùn)行。包括車(chē)模直立控制、速度控制以及方向控制。然后重新進(jìn)入車(chē)模直立判斷過(guò)程。 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。通過(guò)全局標(biāo)志變量確定是否進(jìn)行這些閉環(huán)控制。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 中斷程序框架如圖 所示。 圖 中斷服務(wù)程序框架 圖 中，使用一個(gè)定時(shí)器，產(chǎn)生一毫秒的周期中斷。中斷服務(wù)程序的任務(wù)被均勻分配在 04 的中斷片段中。因此每個(gè)中斷片段中的任務(wù)執(zhí)行的頻率為200Hz。 將任務(wù)分配到不同的中斷片段中，一方面防止這些任務(wù)累積執(zhí)行時(shí)間超過(guò) 1 毫秒，擾亂一