江苏大学一江队创意组技术报告.doc

第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告 智能独球车的设计与实现参赛学校： 江苏大学 队伍名称： 一江队 参赛队员： 王坤 叶召 刘丹 张千 宋涛 指导教师： 孙智权 关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关于保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名：王坤，叶召，刘丹，张千，宋涛带队教师签名：孙智权日 期：2015-7-23智能独球车的设计与实现摘要：本文介绍了第十届“飞思卡尔”杯智能车竞赛江苏大学创意组一江队的单球轮移动智能车（独球车）的设计与实现。独球车主体平台通过加速度陀螺仪测量车身的倾角，依靠三个万向球提供动力补偿车体的倾角变化并由万向球的转速差实现独球车的前进与转向，通过连接万向球的编码器记录车体的移动距离。结合陀螺仪记录的车体转向角，推算出独轮球的移动姿态角和移动的位置信息。独轮球由3个万向轮和3个万向球和支撑的保龄球组成，以加速度陀螺仪提供姿态调整和移动位置信息，在2*2m2的场地外。独轮球不断推算走过的路径，调整前进方向绕场地一周。本文从独轮球的整体设计思路、设计方案、车身平衡姿态调整、惯性导航、系统硬件设计以及软件设计等进行了详细的介绍。关键词：智能车，陀螺仪，自平衡，惯性导航窗体顶端窗体底端窗体顶端Abstract:This paper introduces the design and implementation of a single ball round Tenth mobile smart car Freescale Cup smart car competition,under the Creative Group team of Jiangsu University.Body platform as measured by the gyroscope body angle,relies on three universal ball angle changes to provide power to compensate the body by the speed difference to achieve universal ball forward and turned wheelbarrow,moving away from the body of the recording by the encoder.Combined gyroscope record vehicle steering angle,calculate the location information of the mobile unicycle ball azimuth and mobile.Unicycle kick taken by three casters and three universal ball and bowling,composed in 2*2m2 venue,the unicycle ball constantly projected path traversed,adjust the forward direction circling to week.In this paper,the optimal adjustment of the system hardware and software design unicycle ball from the overall design concept,design,auto body balance,posture for a detailed description.Key words:Smart car,Gyroscope,Self-balancing,Inertial navigation窗体底端第一章 引言1.1设计目的未来互联网将是一个万物互联的世界，第一波物联网浪潮正在逐步消耗由网络互联所带来着前进的动力。所显现出来的真正为物联网提供可持续发展的技术特点应该是：高性能的嵌入式处理芯片、可靠多样的传感器技术、高效能源控制转换、丰富的互操作模式以及信息安全处理能力。基于这些技术的支撑，充分挖掘智能体本身的环境信息感知与处理能力。创意比赛的主题将不再比拼移动车模硬件的速度，而是考察车模本身运动信息感知、姿态控制、路径惯性定位能力，以及通过网络通信实现信息实时交互的能力。设计智能车要求实现：（1）智能车可自平衡直立，单接触点以球体为驱动轮。（2）按给定2*2m正方形路线，智能车可多自由度全方位移动调整移动姿势。（3）在规定时间3min实现智能车出发点和终点尽量重合，且不会进入正方形区域内。1.2研究内容通过对创意赛规则的解读和思考，总结了以下几个需要研究设计的内容：（1）动态平衡，独轮球要在动态下保持平衡，而在没有人为外力的辅助下不能维持平衡。独轮球的倾斜失衡是随机的过程，不确定时间不确定方向。要实现独轮球的平衡需要此过程时刻采集车体的倾角信息，及时调整移动姿态维持平衡。 （2）前进与转向，要完成对规定场地绕场一周，需要用万向球驱动球体定向前进与转向。独轮球采用转速差的方法，在保持球体平衡的状态下，万向球驱动球体直线前进。在需要转向的位置，使转向的万向球减速，转向对应的其余两个万向球加速，通过改变三个万向轮的转速调整前进方向。（3）惯性导航，为保证独轮球从设定起点位置绕场地一周后回到起始位置，需要记录独轮球走过的路径。推算移动的位移，修正移动方向避免犯规。独轮球所走的范围尽可能大不至于进入赛道内，而且保证在规定的时间内完成要求。需要将陀螺仪的行驶偏角信息与编码器记录的行驶距离推算独轮球移动的有效位移。当推算出独轮球移动的过程为一个完整的大圆，确定独轮球回到起始位置。独轮球需要完成上述几个研究内容和方向，在此方向上进行方式方法的创新设计和研究，使得独轮球以最短的时间绕场地一周而不犯规。1.3 设计理念系统的设计理念，以加速度陀螺仪、惯性导航技术、自平衡技术、智能车技术以及自动控制技术等为基础，以独球车的方式完成创意赛的设计要求。通过本设计制作达到开拓思想，提高理论与实践结合的能力，提高创新科研能力的目的。第二章 系统总体结构设计2.1 系统总体结构设计系统总体结构如图1所示，本系统主要由独轮球主体和驱动球两大部分，主体底部有三个直流电机，直流电机与驱动球之间通过全向轮接触，通过全向轮的转动带动驱动球移动，从而保持主体在驱动球上达到动态平衡。总体设计主要包括五大部分：机械结构设计、控制器设计、主体姿态解算、惯性导航和控制算法研究。 惯性导航机械结构 控制算法 控制器 独轮球 主体姿态图1 系统总体结构图2.2 独球车结构设计系统主要有三部分组成：驱动球、驱动系统和控制主体，其中控制主体包含了所有的电气装置。设计以球体为支撑，不需要改变方向便可以灵活移动的智能车，通过三个对称的直流电机带动三个万向伦敦的运动，可以任意半径改变车体的运动方向。智能车控制器电机驱动器亚克力板万向轮直流电机图2 独球车主体机构设计图如图2所示，智能车的器材，安装采用中心对称的结构，保证重心过球心，有利于保持装置的自平衡。装置采用亚克力板结构分层，便于放置控制器和驱动器等硬件，装置采用铝合金方管固定万向轮，铜轴连接双层亚克力板。智能车主体部分主要有两层圆形的亚克力板，所有的电路装置以及电源等模块都放置在隔板上。三个铝合金支架连接在底层亚克力板的低三分之一处，可以让智能车万向轮紧贴驱动球。YX电机1电机2电机3底板直流电机万向轮=120=45底盘孔洞图3 驱动机构万向轮安装图 图3为三个驱动机构的安装图，以平面120夹角对称的安装三个万向轮驱动机构，使得机构的重心通过驱动球心。为了更好的在驱动球上保持平衡，对于机械结构的第一个要求就是中心对称，以保证主体的重心通过驱动球的球心。万向轮与直流电机通过铝合金方管固定，电动机驱动三个全向轮，每个电机都与一个编码器相连，竖直方向45角连接到底层亚克力板。机械结构还需要做到结构分层，以便于放置所需的各种硬件。顶层放置硬件控制器，底层的上面互成120放置三个直流电机控制器，每个直流电机连接一个全向轮。2.3 主体姿态信息采集主体姿态信息采集主要有有两个，一个是测量主体偏离平衡位置的角度，另一个就是测量主体在空间移动的角速度，为了达到这两个功能，需要分别对加速度计和陀螺仪的数据进行处理，然后将二者的数据进行融合，二者进行互补滤波融合得到所需俯仰角和翻转角。惯性测量单元和编码器提供了状态反馈控制所需的所有数据。其中惯性测量单元采用的是陀螺仪、加速度传感器和编码器，陀螺仪用来测量智能车在各轴上的倾斜角度，编码器测量电机轴的位置，用电机轴的位置来推算航程。进而求出球轮移动的距离。三轴加速度传感器可以用来对独球车位移信息的辅助测量。三轴加速度和陀螺仪传感器结合使用用于智能车的姿态的检测。三轴加速度传感器不直接测量倾斜角度，而是通过测量静止状态下X、Y、Z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的X、Y、Z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度的夹角，从而得出系统倾角。由于其测量的是惯性力，这个力可由重力引起也能由设备的加速度引起，因此就算加速度计处于一个相对比较平稳的状态，它对一般的震动和机械噪声也会很敏感，所以姿态测量还需要配合陀螺仪。陀螺仪通过使用一种类似于人在一个旋转平台移出或移入的谐振元件，来测量角速度，虽然陀螺仪也有噪声，但是它检测的是旋转，对线性机械运动敏感，所以对于三轴加速度计的角度测量值可以进行校准。2.4 系统模型分析将用于驱动球轮运动设置为三个直径为75mm，空间上按120度间隔对称分布全向轮，因为这种类型的全向轮与球之间只有一个接触线，这使得它在波状的表面上驱动球智能车行走。车体的每个全向轮都通过一个传动轴固定，与球的切平面相垂直。图4 独球车倒立摆模型机械结构上，将智能车等效为前后、左右两个方向的倒立摆和一个全方向的球驱动装置，控制上，两个方向的独立控制方程可以看作两个一维倒立摆，倒立摆模型如图4所示，而输出即球体运动的加减速命令可以转化为对三个全向轮的转速命令。采用动力学分析建模，最终经过线性化和拉普拉斯变换后的两个传递函数分别如式（2.1）、（2.2）所示。 （2.1） （2.2） 式中：、惯性力矩主体质量球体质量球体直径摆杆质心到球心的长度摆杆倾角摆杆与球的相对角度作用在球上的力矩重力加速度智能车的控制问题本质上是对三个全向轮的控制问题，拟将模型分为三个坐标系x、y、z，如图5所示。图5 定义三维坐标通过在x轴、y轴上安装的加速度计和陀螺仪来检测两个轴上的角度和加速度变化，进而计算出等效的两个虚拟轮上的速度、，、由相应的加速度、积分求得，、分别如式（2.3）、（2.4）所示。 （2.3） （2.4）由虚拟轮的速度、最终推导出三个全向轮的转速、分别如式（2.5）、（2.6）、（2.7）所示。 （2.5） （2.6） （2.7）其中，是绕垂直轴旋转运动的系数。由此实现对三个全向轮的转速控制。2.5 独球车控制算法建模 系统的输入为三个直流电机的转矩、，输出为智能车主体的偏转角、角速度和驱动球的偏转角、角速度。机械结构上，将智能车等效为前后、左右两个方向的倒立摆和一个全方向的球驱动装置，控制上，两个方向的独立控制方程可以看作两个一维倒立摆，而输出即球体运动的加减速命令可以转化为对三个全向轮的转速命令。在进行系统建模时，为了简化分析，将三维系统等效为三个独立的二维平面模型，如图6所示，三个平面模型之间不存在耦合关系，且均可以用以下两个自由度描述：1）球体旋转/平移自由度；2）主体旋转自由度。同时将推进系统中的三个全向轮等效为每个平面上驱动球体的虚拟球轮。图6 三个等效的二维平面模型等效的三个二维平面模型中的两个模型（xz平面和yz平面）的模型是相同的，并且与倒立摆模型十分相似，第三个模型（xy平面）描述的是主体参考坐标系中绕z轴的旋转也即是围绕智能车自己的轴线旋转。在对系统进行一系列的理想假设如没有相对滑动、没有摩擦、没有接触变形、快速电机动态响应以及球体水平移动后，对智能车使用拉格朗日方程进行动力学建模。建立的二维平面系统坐标系，如图7所示。其中代表主体的方向，代表球体的方向，代表虚拟驱动轮的角度。系统描述如式（2.8）所示。 （2.8） (a) yz和xz平面模型坐标系与参数 (b) xy平面模型坐标系与参数图7 平面模型坐标与参数建立的拉格朗日方程如式（2.9）所示。 （2.9）其中T和V分别代表系统全部的动能和势能，如式（2.10）所示。 （2.10）其中和、和、和分别代表球体、驱动轮、主体的动能和势能，三个部分的动能和势能可由三个等效二维平面模型计算出来，而yz和xz平面模型相同，所以只需要计算出yz和xy平面模型的动能和势能即可，xy平面由于在z轴原点只进行转动，故势能为0。yz平面的球体、驱动轮、主体的动能和势能分别如式（2.11）、（2.12）所示，xy平面的球体、驱动轮、主体的动能如式（2.13）所示，广义力在yz平面和xy平面的分量如式（2.14）所示。 (2.11) (2.12) （2.13） （2.14）式中的参数含义如下：球体质量虚拟驱动轮质量主体质量球体直径万向轮直径球体惯量yz，xz平面虚拟驱动轮惯量xy平面虚拟驱动轮惯量主体惯量xy平面主体惯量当球体旋转时作用在上的附加摩擦力g重力加速度之后，将yz平面的动力学方程写为矩阵形式，得式（2.15），即为yz平面和xz平面的拉格朗日方程。 （2.15）式中： （2.16） （2.17） （2.18）式（2.16）到（2.18）中的、的表达式分别如下：xy平面的拉格朗日方程解决了、的动态方程，如式（2.19）、（2.20）所示。 （2.19） （2.20）系统的输入为三个直流电机的转矩、，输出为智能车主体的偏转角、角速度和驱动球的偏转角、角速度。三个平面根据各自的控制器及等效平面模型的运算后，建立了T与和的关系式，由于生成的、为等效二维平面中的转矩，与实际系统的转矩存在很大差异，所以又通过转矩变换将、转化为三个直流电机驱动轮的输出转矩、，从而控制智能车的平衡与移动，产生系统的输出和，其中主体的偏移角通过三轴加速度传感器和陀螺仪传感器进行检测并反馈，而由于系统采用的驱动电机为直流电机，可以进行开环控制，所以不需要进行检测反馈，计算后直接反馈给控制器即可。控制器均以各自平面的、作为输入信号。将加速度传感器和陀螺仪传感器转换为智能车位置信息，在每前进2米时顺时针调整前进姿态90，使得智能车顺时针绕赛道一周回到起点。第三章 硬件设计与调试3.1 概述 对于系统的硬件电路分为信号采集和小车两部分组成。信号采集的电路包括加速度陀螺仪侧倾角、编码器测万向球移动位置，小车包括各种模块电路：电源模块、调试接口模块、电机驱动模块，还包括很多外加创意的辅助电路，用于辅助转向优化路径和现场调试使用。整个系统电路相互配合调试，最终满足完成系统功能的要求。3.2 主控芯片本系统采用freescale公司的Kinetis家族的ARM Cortex-M4作为主控制器，对整个系统进行控制和数据处理。K60系列MCU具有IEEE1588以太网、全速和高速USB2.0OTG、硬件解码能力和干预发现能力。芯片从带有256KBflash的100引脚的LQFP封装到1MBflash的256引脚的MAPBGA封装，具有丰富的电路、通信、定时器和控制外围电路。高容量的K60系列带有一个可选择的单精度浮点处理单元、NAND控制单元和DRAM控制器。K60的模块结构如图8所示，在独球车自平衡和小车的自前进与转向控制过程中，使用到了大部分K60的功能模块，包括ARM Cortex-M4内核、系统部分、存储、时钟、及人机交互接口等模块。图8 K60的模块结构图3.3 小车电路板小车电路板由两部分组成，主控制板电机驱动板。如图9和图10所示，主控制板上包括了连接主控芯片的串口、电机接口、电源以及编码器等部分组成。图9主控制板K60核心部分图10主控制板电源部分由于电机需要较大的驱动电流，因此增加了电机驱动模块，其电机驱动电路原理图如图11所示，其中电机驱动芯片采用的是大电流半桥高集成芯片BTS7960B，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动Ic。集成的驱动Ic具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。图11 电机驱动电路原理图整个电路系统由核心控制器K60进行控制，通过控制电机实现独球车的动态平衡与移动。第四章 软件设计与算法4.1 软件开发工具控制器使用的软件开发平台是嵌入式IAR Embedded Workbench IDE，它提供了一个框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，这些工具包括：高度优化的IAR AVR C/C+编译器，AVR IAR汇编器，通用IAR XLINK Linker，IAR XAR库创建器和 IAR XLIB Librarian，编辑器，工程管理器以及IAR C-SPYTM调试器。嵌入式IAR Embedded Workbench适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器，使我们在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行。它为我们提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持。嵌入式IAR Embedded Workbench有效提高工作效率，通过IAR工具，可以大大节省工作时间。 4.2 软件设计独球车的软件总体流程图如图12所示：图12 小车软件流程图 获得、的设定值后调用控制算法程序控制机器人作出相应的响应，同时通过传感器数据采集及滤波程序采集三轴加速度和陀螺仪传感器中的数据，并分析获得实际的机器人偏转角，如果则说明机器人的控制已完成，继续读取下一指令，如果，则将返回至控制算法中，继续进行控制调节直至机器人的姿态达到给定要求。图12 控制算法子程序流程图控制算法子程序的主要功能是将机器人系统动力学模型以程序的形式表示出来，并根据给定值、产生相应的输出信号，传输给步进电机控制器，对机器人的姿态进行调整。第5章 结束语5.1 结论与心得独球车是我们在得到第十届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛创意赛的题目与要求之后，经过一定的思考、社会调研以及资料查找之后提出的设计方案。在确定了方案之后，我们开始了创意赛的旅程，从资料搜集、资料学习、方案设计到小车组装、机械设计、硬件设计以及软件设计等，都一步步认认真真的做好，合理分配工作，相互配合合作，相互鼓励支持，最终完成了最初目标，达到了比赛要求，完成独球车系统的设计与实现。在技术报告中，分章节从不同的方向详细介绍了独球车的设计与调试。包括小车的改装、机械结构的调整和优化、各个硬件模块的主要参数和工作原理以及软件模块的流程和算法等。在机械结构方面，我们尽量调整小车的重心，保证小车在行进时的稳定性；尽量调整传感器、驱动器的安装位置，保证在机械上满足各个参数和测量要求。在软件设计方面，针对不同模块设计不同的算法，通过反复调试设计合适的算法与程序，最终完成大赛要求的功能。5.2 不足与展望设计的独球车自平衡，导航移动与转向等功能已经实现，但是仍然存在一些不足之处。拐弯时稳定性不够，不能够稳定的拐弯。直道行走时不能够走一段很精确的直线，整体晃动的比较厉害。设计采用的减速电机对驱动球的摩擦阻力，影响了驱动球的稳定性。调研了步进电机扭矩大，阻力小可以提高系统的稳定性。但是需要配套的驱动模块，价格比较高，准备在后续的调试中使用步进电机。随着飞思卡尔智能车竞赛的发展，会有越来越多的人关注智能车比赛，加入智能车比赛。能参加这次比赛，我们感到非常荣幸。在对系统进行设计、制作和调试过程中，我们的创新思维、动手能力以及团队合作能力等都得到了很大的提高和锻炼，为以后的发展奠定了基础。附录：部分程序int area_judge(float x,float y);void area1_deal(float x,float y);void area2_deal(float x,float y);void area3_deal(float x,float y);void area4_deal(float x,float y);void area5_deal(float x,float y);void area6_deal(float x,float y);void area7_deal(float x,float y);void area8_deal(float x,float y);void area9_deal(float x,float y);void area10_deal(float x,float y);float f1=0,f2=0,f3=0;void main(void) FTM_PWM_init(FTM0, FTM_CH0,100, 10); /f1_n FTM_PWM_init(FTM0, FTM_CH1,100, 10); /f1_p FTM_PWM_init(FTM0, FTM_CH2,100, 10); /f2_n FTM_PWM_init(FTM0, FTM_CH3,100, 10); /f2_p FTM_PWM_init(FTM0, FTM_CH4,100, 10); /f3_n FTM_PWM_init(FTM0, FTM_CH5,100, 10); /f3_p FTM_PWM_Duty(FTM0, FTM_CH0, 0); FTM_PWM_Duty(FTM0, FTM_CH1, 0); FTM_PWM_Duty(FTM0, FTM_CH2, 0); FTM_PWM_Duty(FTM0, FTM_CH3, 0); FTM_PWM_Duty(FTM0, FTM_CH4, 0); FTM_PWM_Duty(FTM0, FTM_CH5, 0); for(int i=0;i6;i+) acc_speedi=0; angle_speedi=0; anglei=0; for(int i=0;i3;i+) acc_si=0; angle_si=0; angi=0; int i; char ch; pit_init_ms(PIT0, 800); set_vector_handler(PIT0_VECTORn ,PIT0_IRQHandler); uart_init (UART3, 115200); enable_irq (PIT0_IRQn