【正文】 ， （*0x7fff）k2:CAR_AA_D_INT：角速度比例，（*0x7fff）這兩個系數(shù)是通過實驗調(diào)試逐步確定的。g_lnCarAngleSigma += (g_nCarGyroVal + lnDeltaValue)。 //.....lnDeltaValue = g_nCarAcceVal g_nCarAngle。g_nCarGyroVal = mult_r(g_nCarGyroVal, CAR_GYRO_RATIO_INT)。g_nCarGyroVal = (int)CV_GYRO_VAL。g_nCarAcceVal = (int)lnDeltaValue。lnDeltaValue = (int)CV_ACCE_VAL。所以在下面程序中，所有的常量定義都是根據(jù)這個范圍確定的.程序 代碼：void CarVoltageGet(void) {long lnDeltaValue。因此前面的CAR_GYRO_RATIO_INT 也是需要考慮到這個比例的。為了不損失積分的精度，使用一個長整型數(shù)字(g_lnCarAngleSigma)進行積分。與1000 相比較，便可以得到歸一化的比例系數(shù)。這個數(shù)值也是通過實驗確定的。對于加速度計所得到的數(shù)值，通過比例系數(shù)(CV_ACCE_ANGLE_RATIO)將它歸一化到1000 至1000 之間。這個數(shù)值會帶有一定的誤差，往往會使得車模往一個方向加速行駛。這個數(shù)值需要通過實驗確定。模擬電壓采集及車模傾角計算子程序本程序讀取AD 采用數(shù)值，然后計算車模的傾角。MOTOR_SET(nLeftVal, nRightVal)。nLeftVal = nLeftVal 4。if(nRightVal MOTOR_OUT_MAX) nRightVal = MOTOR_OUT_MAX。if(nLeftVal MOTOR_OUT_MAX) nLeftVal = MOTOR_OUT_MAX。if(nRightVal 0) nRightVal += MOTOR_OUT_DEAD_VAL。if(nLeftVal 0) nLeftVal += MOTOR_OUT_DEAD_VAL。nLeftVal = g_nLeftMotorOut。 程序 代碼。 所示。對于電機施加比較小的電壓時，由于存在靜摩擦力，車模實際上是不運動的。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。取值范圍： 0x7ff 至 0x7ff。第二個子程序：MotorSpeedOut()它的輸入?yún)?shù)為兩個全局變量：g_nLeftMotorOut, g_nRightMotorOut。setReg(PWM_PWMVAL3, nRightVol)。nRightVol = nRightVol。setReg(PWM_PWMVAL2, nRightVol)。}if(nRightVol 0) {setReg(PWM_PWMVAL3, 0)。nLeftVol = mult(nLeftVol, nPeriod)。} else {nLeftVol = nLeftVol。nLeftVol = mult(nLeftVol, nPeriod)。nPeriod = (short)getReg(PWM_PWMCM)。 所示。取值范圍：0x8000 至 0x7fff：代表定點小數(shù) 。 單片機資源配置1）毫秒定時中斷：TI1硬件模塊：TMR2_Compare中短周期：Period:1ms觸發(fā)事件：Event:Interrupt2）電機ＰＷＭ輸出控制：PWMC1硬件模塊：PWM_Timer輸出頻率：Frequence:10Khz輸出模式：PWM0,1,2,3 Independent死區(qū)時間：Dead Time:0 3）ADC 采集通道：ADC硬件模塊：ANA0,1,ANB0,1數(shù)值范圍：Range:0 0x7ff0轉(zhuǎn)換時間：Conversion Time:采集模式：Mode: Sequency轉(zhuǎn)換分辨率：Resolution:12bit4）電機測速脈沖計數(shù)器：Counter1硬件模塊：TMR0計數(shù)范圍：16bit信號觸發(fā)沿：Rising Edge5）電機測速脈沖計數(shù)器：Counter2硬件模塊：TMR1計數(shù)范圍：16bit信號觸發(fā)沿：Rising Edge6） 監(jiān)控 UART 串口硬件模塊 SCI通訊速率：Baud:117647（實際值）7）讀取MMA8452Q 的I2C 總線（備用）硬件模塊：I2C中斷模式：Interrupt Service:DisableI2C 地址：Address:4c 通訊速率：SCL Frequency:200kHz 主要算法及其實現(xiàn)主程序框架、中斷程序框架中的各個主要子程序功能及其程序電機 PWM 輸出子程序包括兩個子程序：第一個程序：SetMotorVoltage設(shè)置四個PWM 輸出數(shù)值。（5）車模方向控制：根據(jù)前面讀取的電磁場檢波數(shù)值，計算偏差數(shù)值。因此，速度調(diào)節(jié)的周期為100 毫秒。（4）車模速度控制：在這個時間片段中，又進行019 計數(shù)。讀取完畢之后，便進行車模直立控制過程。（3）讀取AD 轉(zhuǎn)換值。由于AD 轉(zhuǎn)換啟動到完成需要一定時間。累積電機轉(zhuǎn)動角度。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)行時間超過 1 毫秒，擾亂一毫秒中斷的時序，同時也考慮到這些任務(wù)之間的時間先后順序。中斷服務(wù)程序的任務(wù)被均勻分配在04 的中斷片段中。中斷程序框架如圖 所示。車模的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中斷程序中完成。包括車模直立控制、速度控制以及方向控制。跌倒判斷可以通過車模傾角是否超過一定范圍進行確定，或者通過安裝在車模前后防撞支架上的微動開關(guān)來判斷。程序在主循環(huán)中不停發(fā)送監(jiān)控數(shù)據(jù)，在通過串口發(fā)送到上位機進行監(jiān)控。該程序通過讀取加速度計的數(shù)值判斷車模是否處于直立狀態(tài)。第二部分是應(yīng)用程序初始化，是對于車?？刂瞥绦蛑袘?yīng)用到的變量值進行初始化。初始化的工作包括有兩部分，一部分是對于單片機各個應(yīng)用到的模塊進行初始化。這兩類任務(wù)之間可以通過全局變量實現(xiàn)相互的通訊。它的執(zhí)行不需要精確的時間周期。上述功能可以分成兩大類：第一類包括 13 功能，它們屬于需要精確時間周期執(zhí)行，因此可以在一個周期定時中斷里完成。軟件編寫與調(diào)試主要任務(wù)包括：（1）建立軟件工程，配置單片機資源；（2）編寫單片機軟件程序框架，編寫上位機監(jiān)控軟件，建立軟件編譯、下載、調(diào)試的環(huán)境；（3）實現(xiàn)并測試各個子模塊的功能正確性；（3）逐步完成車模閉環(huán)控制，整定各個待定參數(shù)；（4）進行車模整體運行性能測試與提高。 電磁線檢測電路道路中心線的電磁線檢測是保證車模能夠運行在賽道上。電機的轉(zhuǎn)向是通過施加在電機上的電壓正負進行判斷的。在實際電路中，只檢測了一路脈沖信號。；如果電機反轉(zhuǎn)，第二個脈沖超前90176。每個光電管輸出兩個脈沖信號，它們波形相同，只是相位相差90176。 速度傳感器電機速度傳感器使用了固定在電機輸出軸上的光碼盤以及相互配合的光電對管器件。兩個電機總共需4路PWM 信號。 電機驅(qū)動電路為提高電源的應(yīng)用效率，驅(qū)動電機的PWM 波形采用單極性的驅(qū)動方式。將上述電路單獨制作成小的電路板，可以比較方便放置在車模的最穩(wěn)定的位置。 陀螺計、加速度計電路圖 中，將陀螺儀的輸出信號放大了10 倍左右，并將零點偏置電壓調(diào)整到工作電源的一半（）左右。 傾角傳感器電路車模傾角傳感器電路主要是將陀螺儀信號進行放大濾波。（5） 串口監(jiān)控UART 接口： a) RXD（PIN1）； b) TXD（PIN3）。（3） 電機PWM 驅(qū)動接口 a) PWM03（PIN23,24,28,29）：電機驅(qū)動。 單片機最小系統(tǒng)電路（1） 模擬量檢測接口 a) ANA0（PIN12）：陀螺儀電壓； b) ANA1（PIN11）：加速度計電壓； c) ANB0（PIN5）：右側(cè)電感檢波電壓； d) ANB1（PIN6）：左側(cè)電感檢波電壓。主要外設(shè)包括（1）PWM 6 通道；（2）AD 6 通道，12bit；（3）定時器，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。 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：包括兩路相同的電磁感應(yīng)信號放大與檢波電路； （3） 陀螺儀與加速度計：包括兩個姿態(tài)傳感器信號放大濾波電路； （4） 速度檢測：檢測電機光電碼盤脈沖頻率； （5） 電機驅(qū)動：驅(qū)動兩個電極運行電路； （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)運行狀態(tài)、速度設(shè)定、程序下載與監(jiān)控。（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，可以通過I2C 接口直接讀取加速度值。（2） PWM 接口（4 路） a) 控制左右兩個電極雙方向運行，需要四路 PWM 接口。 c) 加速度計：一路，測量加速度 Z 軸輸出電壓。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：左右兩路，用于測量左右兩個感應(yīng)線圈電壓。車模轉(zhuǎn)向控制是在車速控制基礎(chǔ)之上，調(diào)節(jié)兩個電機驅(qū)動電壓差使得電機運行速度出現(xiàn)差動，進而調(diào)整車模的方向。車模減速過程與此類似，由速度控制算法減少了電機的電壓，電機開始減速運行。當(dāng)車模速度達到設(shè)定值，由車模速到控制算法使得電機進入恒速運行。車模加速前進時，由速度控制算法給出電機增加的正向電壓，電機開始逐步加速旋轉(zhuǎn)。速度和方向控制的輸出量是直接疊加在電機控制電壓上。車模的三種控制（直立、速度、方向）最終是將控制量疊加在一起作為電機輸出電壓控制量。需要進行如下控制環(huán)節(jié)，控制車模電機轉(zhuǎn)動：（1）車模直立控制：使用車模傾角的PD（比例、微分）控制；（2）車模速度控制：使用PI（比例、積分）控制；（3）車模方向控制：使用P（比例）控制。此后，加速度計的輸出只是消除積分的偏移，輸出角度不會出現(xiàn)很大的偏差。為了避免輸出角度θ跟著θg過長，可以采取以下兩個方面的措施：（1）仔細調(diào)整陀螺儀的放大電路，使得它的零點偏置盡量接近于設(shè)定值，并且穩(wěn)定。這樣，加速度的噪聲信號經(jīng)過比例、積分后，在輸出角度信息中就會非常小了。加速度計所產(chǎn)生的角度信息θg 中會疊加很強的有車模運動加速度噪聲信號。對于加速度計給定的角度θg，經(jīng)過比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度θ必然最終等于θg 。 角度積分漂移 對于積累誤差的消除，可以通過上面的加速度傳感器獲得的角度信息對此進行校正，如圖 。如果角速度信號存在微小的偏差，經(jīng)過積分運算之后，變化形成積累誤差。因此車?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號。因此該信號中噪聲很小。在車模上安裝陀螺儀，可以測量車模傾斜的角速度，將角速度信號進行積分便可以得到車模的傾角。它利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會受到克里利奧力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動單元。 角速度傳感器陀螺儀陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。但是平滑濾波也會使得信號無法實時反映車模傾角的變化，從而減緩對于車模車輪控制，使得車模無法保持平衡。但在實際車模運行過程中，由于車模本身的運動所產(chǎn)生的加速度會產(chǎn)生很大的干擾信號疊加在上述測量信號上，使得輸出信號無法準確反映車模的傾角。當(dāng)傾θ比較小的時候，輸出電壓的變化可以近似與傾角成正比。當(dāng)車模發(fā)生傾斜時，重力加速度g 便會在Z 軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出電壓變化。只需要測量其中一個方向上的加速度值，就可以計算出車模傾角，比如使用Z 軸方向上的加速度信號。MMA7260 是一款三軸低g 半導(dǎo)體加速度計，可以同時輸出三個方向上的加速度模擬信號， 所示。由于加速度使得機械懸臂與兩個電極之間的距離發(fā)生變化，從而改變了兩個電容的參數(shù)。 加速度傳感器通過微機械加工技術(shù)在硅片上加工形成了一個機械懸臂。加速度傳感器采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的加速度傳感器。測量車模傾角和傾角加速度可以通過加速度傳感器和陀螺儀實現(xiàn)。 車模傾角測量通過測量車模的傾角和傾角加速度控制車模車輪的加速度來消除車模的傾角。 通過差動控制左右電機驅(qū)動電壓控制車模方向通過左右電機速度差驅(qū)動車模轉(zhuǎn)向消除車模偏差，這個過程是一個積分過程。線圈一般采用10mH 的工字型電感。 電機PI反饋控制 電機速度控制采用了 PI 調(diào)節(jié)器，具體實現(xiàn)可以通過單片機軟件編程實現(xiàn)。 電機速度監(jiān)測利用控制單片機的計數(shù)器測量在固定時間間隔內(nèi)速度脈沖信號的個數(shù)可以測量電機的轉(zhuǎn)速。電機速度控制需要測量電機的轉(zhuǎn)速，電機旋轉(zhuǎn)速度可以通過安裝在電機輸出軸上的光電編碼盤方便獲得。車模運行速度調(diào)整時間相對很長，此時，電機速度與施加在其上的電壓成正比。調(diào)整車模直立時間常數(shù)很小，此時電機基本上運行在加速階段。 圖 電機在不同電壓下的速度由圖 可以看出，電機運動明顯分為兩個階段：第一個階段是加速階段；第二個階段為恒速階段。施加在電機上一個階躍電壓Eu(t),電機的速度變化曲線為ω(t)=Ekm(1et/T1)u(t) (24)式中，E為電壓；u(t)為單位階躍函數(shù)；T1為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)；km為電機轉(zhuǎn)速常數(shù)。電機運動控制是通過