智能车电磁组设计方案

第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2 智能车电磁组设计方案 第二章、系统整体方案设计 统整体方框图如图 示 图 统整体框图 统硬件方案设计概述 我们参加的是电磁组比赛，主要包含道路信息识别模块、控制决策模块和电机驱动模块。本智能车控制系统采用飞思卡尔公司的 16 位单片机 用电磁感应线圈的方案识别道路信息，使用 4片 以稳定有力的驱动电机。通过 100 线编码器实现速度的闭环控制，使得整车的性能稳定可靠 。使用干簧管作为起始线的检测，效果良好。 统软件设计方案概述 制器 电源模块 传感器模块 编码器测速模块 舵机 驱动模块 转向控制 速度控制 第三章、机械调整 3 通过给 11 个传感器编号，对舵机转向采用 制，系统的快速性好。使用编码器测速对电机进行 用 获停车脉冲方式停车。 第三章、机械调整 要想智能车跑的快，机械调整很重要，主要是前轮，重心的调整。前轮调整包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角以及前轮前束的调整。由于赛道复杂我们将主销后倾角和主销内倾角、前轮外倾角保持 0度。 轮前束的调整 前轮前束是为了改善前轮外倾带来的不良后果，而前轮前束的调整必须与前轮外倾角相 匹配，实际上 ，我们通过多次试验，最后将前束调整到内倾 2度，整车性能比较稳定。改动后的前轮前束如图 轮前束改动图 机的安装位置 将舵机直立安装，并将舵机臂适当加长，可以提高舵机的灵敏性，但是舵机的输出转矩增加，固定比较麻烦。实际证明这样改动舵机灵敏性能高一点。如图 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 4 图 机安装图 码器的安装 采用编码器进行测速，将其安装在车架上，齿轮与后轮转轴啮合，如图 示。 图 码器安装图 第三章、机械调整 5 池位置的改动 小车的重心位置主要影响动力性， 制动性和稳定性，经过反复测试，最后我们将电池在原来位置的基础上向前挪了 1图 示 图 池位置的改动 震的改动 由于我们将电池的位置做了适当改动，故原来的减震位置要改动，我们使用一条钢板，将其弯曲，刚好既能卡紧电池，又能发挥减震的作用。示 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 6 图 震的改动 板的安装 主控板的安装充分利用减震，在改动后的减震上用单根螺丝固定，由于位置有限，无法再安装其他固定螺丝，故我们用热熔胶将主板粘在减震上，既不影响减震，也牢固固定了主板，安装图如图 示 图 板安装图 第三章、机械调整 7 机散热片的安装 在调试的过程中，电机发热比较严重，我们给电机安装了一个散热片，如图 图 机散热片的安装 成后小车的硬件参数 最终小车的硬件参数如表 1 所示，小车如图 示。 表 1、智能车最终参数 项目 参数 车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米） 395 245 100 车模轴距 /轮距（毫米） 138 车模平均电流（匀速行驶） (毫安 ) 1800 电路电容总量（微法） 1300 传感器种类及个数 电磁传感器 11 个，编码器 1个，干簧管 4个 新增加伺服电机个数 0 赛道信息检测空间精度（毫米） 20 赛道信息检测频率（次 /秒） 500 主要集成电路种类 /数量 模重量（带有电池）（千克） 五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 8 图 成后的智能车 第四章、硬件电路设计 源模块设计 电源是一个系统正常工作的基础，电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。模型车系统中接受供电的部分包括：传感器模块、单片机模 块、电机驱动模块、伺服电机模块等。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 全部硬件电路的电源由 2A/h 的可充电镍镉电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。 智能车所需电源如图 图 统所需电源 电源模块由若干相互独 立的稳压电源电路组成。在本系统中，除了电机驱动模块的电源是直接取自电池外，其余各模块的工作电压都需要经电源管理芯片来实现。 由于智能车使用 镉电池供电，在小车行进过程中电池电压会有所下降，故使用低压差电源管理芯片 一款低压稳压芯片，能提供5V 的固定电压输出。 压差稳压芯片克服了早期稳压芯片的缺点。与其舵机 控制器编码器 传感器 5V 5V 7V 电 池 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 10 它的稳压芯片一样， 要外接一个输出电容来保持输出的稳定性。出于稳定性考虑，需要在稳压输出端和地之间接一个 22等效电阻的电容器。 A 型车舵机额定工作 电压是 6V，此时舵机的滞后常数很大，在毫秒级上。我们测量了电机的内阻（不考虑感性因素）为 2 ，综合电机的功率以及电池电压 10%的波动，简单计算了一下在 9V 以下电机都能工作。经过大量的测试，最终发现在电池电压不低于 ，舵机电源使用 7V 时，舵机的滞后常数将大大减小。灵敏性将大大提高，所以舵机使用 7V 电源。使用两片 别向传感器、控制器和编码器供电。使用一片 3 个整流二极管 1电压抬高到 7V 向舵机供电。为了防止电源电压接反，利用二极管 为防反接保护二极管。电路图如图 示 100码器供电 传感器供电 舵机供电 源电路原理图 动电路设计 驱动电路采用英飞凌的 态电阻只有 16驱动电流可达 43A，具有过压、过流、过温保护功能，输入 率可达到 25源电压 半桥驱动，实际使用中要求电机可以正反转，故使用两片接成全桥驱动。实际上使用了 4片 动电流更大，损耗更小，实际证明效果不错。使用中出现过驱动发热的现象，最后查到原因是电池电压过低引起的，使用时要特别注意电池电压不能太低。电路如图 第四章、硬件电路设计 11 图 动电路原理图 速模块 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 12 为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了控制前轮转向外，还需要控制小车的车速，使模型车在急转弯时速度不至于过快而冲出赛道，同时也使小车在直线段时以较快的速度行驶。所以要时刻把握当前小车的速度，并根据小车所处的位置来实时调整小车的速度。通过速度检测，可以消除或降低电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力等的影响，使得小车在赛道上运行得更精确。 本系统最初采用带槽结构的圆盘来实现小车的速度检测。即将具有 槽结构的圆盘固定在后轮驱动电机输出轴上，采用直射式红外传感器读取带槽圆盘转动脉冲。将该脉冲信号经电压比较器输入到 得出相应于脉冲数值。然后通过计算得出当前转速的数字量。将该数字量于期望的转速相比较，来调整小车的速度。 图 示，安装方便，但精度不够， 105 个脉冲左右。对于控制器来讲，传感器的精度决定了控制器的精度，是非常重要的，所以测速模块的精度要比较高，否则控制器的精度就很低。我们最终使用了欧姆龙 100线编码器，达到了 10件电路简单， 用示波器观察编码器输出波形规整，性能可靠，为实现严格闭环控制提供有力保障。如图 示。 第四章、硬件电路设计 13 图 刻光电编码盘 始线的识别 由于电磁组的起始线是直径为 15度为 1表面磁场强度为3000永磁铁，就可以用霍尔元件或干簧管来检测。但是使用霍尔元件需要提供电源，而且霍尔元件是有磁场方向限制的，而且赛道上的磁铁方向的摆放方向是随机的，这就给检测带来了很大的麻烦。而干簧管没有这种限制，使用方便，结果可靠。最终确定使用干簧管检测起始线。具体电路如图 示，实物照片如图 示。 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 14 10簧管检测电路原理图 图 跑线检测实物图 第五章、传感器 我们采用电磁感应线圈的方案测量赛道上 1000流电所产生的磁场。线圈感应到的信号是很微弱的，要放大电路放大。再将放大后的交流信号通过检波得到直流信号，再用比较器量化为数字电平使用。 算放大器放大方案 刚开始做车的时候我们采用运算放大器进行放大，线圈绕成 215 匝，用 漆包线绕。由于信号频率为 20通运放的性能在高频下已经很差了，采用通 用运放已经不能满足要求，最后我们找到了两种性能比较好的运算放大器， 于 使用它传感器会比较重，电路也比较复杂，而且成本较 贵。 双运放，综合考虑我们选择美信公司的 确定放大电路后，我们装了 7个传感器，采用了数字化信号的方法，将传感器信号量化为数字量，电路图如图 示 V+7极管放大方案 由于使用运算放大器价格高，电路复杂，电磁干扰比较严重，而且宽带运放存在一个致命的缺点 ，容易自激。鉴于此，我们采用三极管单管共射放大电路，由于一个三极管的放大能力十分有限，如果依旧使用自己绕的空心线圈来感应磁场，感应到的信号只有几毫伏，一级放大根本不能满足要求，故我们选择带铁芯的电感作为传感器。 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 16 传感器电路我们选择 10用谐振网络 应电压最大的原理，利用公式 1为 10算出的谐振电容为 于没有 电容，故我们选择 电容。 21 公式 1 10感感应到的电压只有几十毫伏，所以放大电路的放大倍数要不小于 100倍，采用 150 的三极管 大，完全满足要求，而且电路简单。 检波电路采用二极管检波，简单可靠，而且检波电路的输入信号已经放大到 3入信号足够强，完全可以使用二极管检波。由于我们采用数字化传感器信号，要求检波后的电压幅值尽量大，这样传感器的安装高度就可以高一些，方便跑坡道。但太高的话又会增加盲区，经过反复试验最终我们确定检波后低通滤波器的电阻选用 33电路原理图如 图 示。整体电路见附录 B。 极管放大电路原理图 传感器信号的量化采用比较器 出通过外部上拉电阻，性能稳定可靠，具体电路如图 示。 第五章、传感器 17 123761传感器信号图 较器电路原理图 第六章、传感器布局 由于磁场分布的特殊性，在载流直导线周围产生的磁场如图 示，磁场的前瞻不好做，只能利用 40车长了，所以传感器的布局对车速的影响相当重要。中间一字型，两边扇形的布局，在跑弯道时稍微好一些，但直道上和单边圆弧上还是一字型排布比较好，盲区比较少，整体考虑我们采用一字型传感器布局，能最 大限度的利用前瞻。传感器布局如图 示。 图 感器的布局 第七章、软件设计 软件设计是整个智能车系统的大脑、灵魂，对小车的速度起到至关重要的作用。主要包括 赛道信息的检测、转向控制、速度检测转速控制、刹车控制和起跑线识别。 件流程图如图 件流程图 道信息检测 我们使用的传感器信号是量化后的数字量，假如传感器信号在最左边，突然最右边有信号，紧接着又是最左边有信号，那么最右 边的信号即为干扰。为了使传回的信息更加可靠，使用了软件限幅滤波算法。具体做法是读 3次传感器信号，两两否 是 开始 赛道信息检测 数据处理 舵机转角计算和速度计算 各个模块初始化 定时 10否到？ 读取赛道信息和编码器脉冲数 控制舵机和电机 停车 停车中断申请 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 20 进行异或，有两次一样的即以这两次中的一个信号作为有用信号。软件流程如图 图 件滤波算法流程图 具体软件滤波算法： /*从三次中选取两次一样的作为采样结果 */ ; ;) ; =(%8)*256+; =(%8)*256+; =(%8)*256+; if(=) ); if(=) ); 否 否 是 是 是 读 3 次分别存放在 A B=0? A C=0? B C=0? 传回 A 的值 传回 C 的值 传回 C 的值 否 第七章、软件设计 21 if(=) ); 向控制算法 制器就是根据系统的误差，利用比例、积分 、微分计算出控制量进行控制的。 P（比例）控制的 控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 。 I（积分）控制的 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系 ， 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零 ，引入积分控制可以消除稳态误差。但系统的响应速度比较慢。 D（微分）控制的 控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系 ， 它能预测误差变化的趋势 。 由于 电磁基本上没有前瞻，而舵机又存在机械上的滞后性，所以速度一快转向就跟不上。因此选择舵机控制算法主要要考虑快速性，所以方向控制采用 法。 我们使用了 11 个传感器，从中间的开始向两边依次编号，根据采集到的信号不同，使用 制。根据给定的传感器编号，根据公式 2计算出的就是控制舵机的 的具体数值。由于舵机机械零位（不加电时的零位）和电零位（输出脉宽为 的零位）不在一起，存在误差。还有舵机的动态偏差，即同样的脉宽向左和向右打得角度不一致。为了克服这些问题，我们在软件上加了一个常数 C。 验得到的。经过反复测试最终的参数如表 2所示。 ) e ( k ) k )( 表 2、转向 制参数 控制对象 d 舵机 直道 50 5 大 S 60 18 小 S 40 18 封闭圆弧 57 6 直角转弯 90 20 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 22 由于转向控制参数是本系统最为关键的一组参数，而赛道的情况有不可知，是复杂多变的，因此采用变参数控制器算法，根据传感器检测到的信号，对不同的赛道元素采用不同的控制器参数。关与如何知道赛道情况依据传感器的信号 ，详见软件程序（附录 A）。实践证明，变参数控制器算法比标准 制算法在舵机转向上更为灵活，流畅，效果更好。 度控制算法 智能车的速度主要取决于速度控制算法， 由于车模系统精确的数字模型难以建立，但是速度控制主要是控制电机，而电机的数字模型建立相对容易，由电机与控制的知识知道，该系统是可以采用 制算法的。 经过多次试验讨论，我们最终确定了一套棒棒和增量式 合控制的算法。在编码器传回的速度与设定速度的偏差 5%时采用 差 5%时采用棒棒控制。这样就能确保车较快的加减速 ，整体上提高车速。 速系统原理框图如图 结合赛道类型识别，我们设置直道， 边封闭圆弧，赛车丢失引导线四档速度。由于小车舵机机械上的滞后性，速度过高会在 致弯道很容易冲出去，如果入弯切入的角度太偏，弯道上也会很不平滑，因此我们设定直道上并不以最高速度行驶，以确保入弯的速度较低和切入的角度合适。经过我们不断地调试，小车在 12速最高达到 s。 赛道类型的识别我们采用数组存储小车前段时间内的传感器状态，根据传感器状态进行赛道类型判断。 直道：传感器信 号如果在一段时间内始终处于中间传感器下，就认为是直道，此时以较高速度行驶。 单边圆弧：如果一段时间之内，传感器信号始终处于中间传感器一侧，就认为是单边圆弧，此时就以稍高速度行驶。 段时间之内，传感器信号在中间传感器左右振荡，则可认为是 化较快则可认为是小 S，变化较慢就认为是大 S，此时就以较低速度行驶。 第七章、软件设计 23 赛车偏离赛道：如果传感器在一段时间之内检测不到信号，就判断为盲区，此时舵机保持上一时刻的方向，智能车以最低速行驶，以确保智能车可以重新回到赛道上。 图 速系统原理框图 增量式 算式 为： 1 2 1 2P I Du k e k e k e k e k e k e K 公式 3 在增量式 理的过程中，有一个步骤需要注意， 输出限幅。 即在算完 u (k)后，需要把它赋值给电机控制对应的 道信号，这时要判断该 u (k)的值，如果它小于 0，则把 号赋值为 0，如果它大于 号的最大值，即大于个周期所对应的数值时，要把 号赋值为该最大值。然后，再存储本次 u (k)，和上次 u (k)。 由于不能严格的算出 制算法的参数，所以 数的整定只能采用工程整定法中试探的方法来解决此问题。 经过反复试验，最终确定的参数如表 3。 表 3、 控制对象 i 机 .2 u(o) + u(k) e(k) r(k) + 驱动模块 比例 积分 微分 速度反馈 电机 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 24 表 4、在这组 设定速度（ m/s） 实际速度（ m/s） 误差 由于速度一高，小车相对滑动， 加之参数调节不是很合适，引起误差较高。 车控制 刹车采用现在主流的 刹 止车轮抱死侧翻。反转刹车方便紧急刹车，但是容易损坏电机，控制要十分小心合理，因此我们采用点刹。 跑线检测 采用 4个干簧管检测起跑线，通过与门形成起始信号，连接到 于硬件上干簧管装的有前有后，所以停车信号会有误信号，若用检测两次起跑线信号后停车，有时会在出发线停车。所以软件上设定小车跑够 20m 以后，只要停车信号一有效立即停车。 第八章、软件调试 发环境 开发工具使用的是大赛组委会提高的 发环境，如图 示。它能够为单片机 目标程序的下载方面，通过 单片机之间的连接下载程序。 使用参考了清华大学的新款三合一 试器说明书。在调试方面，使用了 用串口线将 C 的串口相连，使用串口调试工具或 超级终端进行程序的调试。使用 为设计硬件电路的软件工具，如图 图 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 26 图 位机调试 为了方便小车的调试，我们使用了上位机调试软件，观察我们的速度闭环是否符合自动控制理论，上位机软件如图 示，实际调试结果如图 示。 图 位机软件 第八章、软件调试 27 图 位机实际调试结果 线模块调试 为了实时观察传感器信号，我们使用无线模块辅助调试，将小车的传感器信号传回来分析。我们使用的无线通 信模块是 块，工作电压 5V， 传输距离 300 米 ， 工作频率在 433 435默认 。 驱动简单，性能可靠。 可以直接在原来的有线连接上升级为无线 连 接，无需额外编程，完全兼容有线通讯串口协议，使用简单方便灵活。 模块如图 示。 图 线模块实物照片 第九章、总结 本文详细介绍了基于 过电磁线圈感应方式识别赛道上 10020流电产生的磁场作为路径检测，获取赛道信息，采用 式对舵机转向进行反馈控制。 通过编码器测速对速度进行 成了智能车的自主巡线，速度控制功能。 本智能车有以下几个特点： （ 1）、所以电路板均是手工焊接，焊接过程中我们对布线的要求有了更深的认识，提高了队员的动手能力。 （ 2）、 11 个传感器采用一字型排列，采集回来的赛道信息经过比较器量化成为数字信号，通过对传感器布局的探讨使量化后的信号盲区更小。 （ 3）、采用编码器测速，使速度反馈更精确。 （ 4）、停车检测使用干簧管，电路简单，性能可靠。 （ 5）、软件上舵机转向使用 馈控制，速度调节使用 棒控制。 存在的不足； （ 1）、舵机反应速度慢，提高电源电压会有相应提高，但过高的电压又可能会使舵机损坏，因此要想办法从机械和电路上提高舵机的反应速度。 （ 2）、研究小 及小 相对就不太好之间的协调方法。 （ 3）、更深入的研究电磁感应线圈与磁场之间的关系，讨论是否能做到一定的前瞻性。 致谢 本次参加飞思卡尔全国大学生智能车竞赛，我们从一月份组队，历时 7个月的准备过程，回想起来有快乐，也有辛酸，在整个备赛的过程中，我们学到了很多书本上学不到的知识。在整个过程中，我们的指导老师刘沛教授始终陪伴着我们，我们 遇到的很多难题，都在刘老师的指导帮助下迎刃而解。同时也感谢学校对我们参加比赛的支持，感谢电工实验中心，电信系，机械工程训练中心以及电气系的老师们对我们的支持。 参考文献 1 卓晴，黄开胜，邵贝贝学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯 M北京：北京航空航天大出版社， 2 谭浩强 M，北京：清华大学出版社 . 2005 年 7 月第三版 3 邵贝贝单片机嵌入式应用的在线开发方法 M，北京：清华大学出版社， 2004 4 竞赛秘书处 电磁组竞赛车模路径检测设计参考方 案 J 2010本 5 6 J 7 第四届全国大学生智能车竞赛官方网站： 、源程序 # /* # /* # # 21 /方向数组长度 #9 /速度数组长度 #128 /路况记忆数组长度 # /限幅滤波限幅值 /*函数声明 */ 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 *全局变量声明 */ 附录 A =40,42,44,46; =44,46,48,50; =48,50,52,54; =52,54,56,58; =56,58,61,63; =60,61,62,66; =64,65,66,67; =66,67,68,69; =67,68,69,70; =68,69,70,70; =69,70,71,72; =70,71,72,73; =71,72,73,74; /1 /2 /比例常数 /积分常数 /微分常数 五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 IV /制动目标 *时钟初始化程序 */ / LL to ; / 0 0 / *1+(1+64 0 _ / 2M _ (1); /is 1; /LL to /*始化程序 */ ; / 禁止 ; / 禁止 ; / 禁止 / 0011 0011 A=B=24M/64=时钟预分频寄存器设置 ; / ,1, 时钟设置 ; / ,3,6,7 时钟设置 / no 控制寄存器设置 不级联 / 冻结允许计数 许输入时钟到预分频器 附录 A V ;