大学生科技创新项目研究报告-电车车身安全系统研究报告.doc

科技创新项目研究报告佳木斯大学大学生科技创新项目研究报告题 目： 电车车身安全系统的研究 学 院： 机械工程学院专 业： 机械电子工程 姓 名： 指导教师： 完成日期： 佳木斯大学机械工程学院2016年6月目录摘要- 3 -Abstract- 3 -第1章 绪论- 3 -1.1 项目背景- 5 -1.2电车车身安全系统研究现状- 5 -1.3电车车身安全系统工作原理- 3 -第2章 电车车身安全系统总体方案设计- 5 -2.1 系统实验平台选择- 3 -2.1.1 模型车比例的选择- 3 -2.1.2 模型车的结构配置- 5 -2.2本章小结- 3 -第3章 系统控制算法设计- 3 -3.1 控制流程的要求- 3 -3.2 控制算法流程图- 3 -3.3 控制算法分析- 3 -3.4 本章小结- 3 -第4章 控制系统硬件设计- 3 -4.1 系统硬件选择- 3 -4.1.1 MCU的选择- 3 -4.1.2测距传感器选择- 3 -4.1.3测速传感器选择- 3 -4.1.4控制信号反馈电路设计- 3 -4.2 系统硬件电路图- 3 -4.3 本章小结- 3 -第5章 控制系统软件设计- 3 -5.1 测距传感器信号的读取- 3 -5.2 测速传感器信号的读取- 3 -5.3 反馈控制信号的读取- 3 -5.4 电机控制信号输出- 3 -5.5 算法的软件实现- 3 -5.6 本章小结- 3 -结论- 3 - 2 -科技创新项目研究报告摘要本课题研究报告重点介绍了一种用于电动汽车的辅助驾驶控制系统的研究流程，该辅助驾驶控制系统目的即在纠正驾驶者错误，保证车身安全。辅助驾驶控制系统通过传感器测量车辆距离周围各个方向障碍物的距离以及自身速度，并通过反馈回的驾驶控制信号读取对应驾驶者的操作状态，最终通过一定算法解算出系统应对驱动电机和转向电机的干预控制量，进而达到辅助控制的目的。AbstractThis research report focuses on a research process of auxiliary driving control system for electric vehicles, which owns a purpose of correcting drivers errors and ensuring the vehicle safety. It reads the drivers operating status relying on the distance from the obstacles around measured by the sensors and the velocity of itself, and eventually calculates the system response to the driving motor and turning motor to control the amount of intervention and achieve the purpose of control.第1章 绪论1.1 项目背景随着社会进步和人员移动性增强，全球汽车需求量不断增加，迄今世界上汽车数量保有量达到创纪录的10亿且持续大幅增加，基于传统内燃机的燃油汽车难以降低燃料消耗量和污染物的排放，因而新兴的混合动力电动汽车和燃料电池汽车快速发展，已经得到国内外高度重视。随着电动汽车的快速发展，随之而来的问题就是如何解决汽车行驶安全，而维持汽车行驶安全的电子系统也在不断更新和完善，传统的安全系统如车身电子稳定系统（牵引力控制系统 ESP），ESP除用到了ABS和TCS的车轮速度传感器和液压调节器之外，还包含了一个集成有侧向加速度传感器的横摆角速度传感器和方向传感器，这两只传感器主要负责测量汽车围绕其纵轴的回转运动和记录驾驶员的转向意图。这一系统主要是测量汽车自身的状态与预测驾驶者的操作意图，能达到提高汽车自身运动状态安全性的目的，而其不足之处则是不能根据外部路况辅助控制车辆运行。因此要弥补以上介绍的ESP系统的不足之处，就要在原有安全控制系统的功能基础上设计新的功能，也即开发出能通过车身传感器测量的外部信息结合读取到的驾驶者操作意图的信息，进而辅助控制车辆的安全系统，这就是本项目要实现的系统功能。1.2 电车车身安全系统研究现状现具备类似于上述安全系统功能的车辆辅助控制系统的研究最早于日本开展，日产汽车公司使用超声波传感器技术开发出了防止车辆在距离障碍物过近时驾驶者误踩油门的系统，该方案在车辆前后保险杠处各安装四个超声波传感器，能判别驾驶员在停车场等场合误踩油门并强制刹车，保证汽车在与障碍物距离20cm内可以停下来。防止因踩错刹车而造成事故的步骤分两步实施。当驾驶员要在停车场停车时，如果踩成了油门，则首先将车速减至蠕滑速度，用仪表板的图标来提示危险，并响起警报声。如果驾驶员仍继续踩油门而即将撞上墙壁等物体时（距障碍物距离过小），则强制刹车。该技术预定在23年内实用化。1.3 电车车身安全系统工作原理本项目作品是一种微控制器根据测距传感器和测速传感器的数据，在危机情境下且驾驶者误操作时干预人对电车驱动电机以及转向电机的控制，能够纠正驾驶者错误操作的车身安全系统，可实现控制系统辅助驾驶者控制车辆，达到提高行车安全系数的目的。该系统的传感器系统包括八方向超声波测距传感器和霍尔测速传感器以及主轴感应磁铁，反馈系统功能由微控制器测量驾驶者控制系统的两路电机信号脉宽来实现（以本项目研究过程中使用的实验平台的硬件为研究对象）。在车辆运行期间，测距传感器测量对应时刻车辆距离各个方向障碍物的距离，测速传感器测量自身车速，同时反馈系统测得当前的驾驶者控制各路电机的信号脉宽。控制系统按照驱动电机转速和转向电机转角与其各路控制信号脉宽的关系，以当前的两路信号脉宽值及其变化规律来判断驾驶者当前的操作状态。同时系统根据测得的距离和车速数据，按照一定的算法进行数据处理来评判驾驶者操作是否合理。而其中的算法优劣决定着整车的安全性，算法的确定将是本项目的研究的重点和难点。该系统的设计是基于当前道路的多种路况，适用于中低车速的电动汽车，能够满足中短距离的多方向避障的需求。第2章 电车车身安全系统总体方案设计2.1 系统实验平台选择该系统的控制过程基于传感器测得的各项数据，控制对象为驱动电机和转向电机，受控结果前提需要保证车辆行驶的安全。而本研究项目为实验性项目，为保证实验结果的可靠性，本项目选择各项构件与真车等比例缩小的RC遥控车作为系统的实验平台。选用RC遥控车作为系统的被控对象主要有以下几点原因，第一，RC遥控车后轮安装有差速器，满足车辆转弯时需调整内外驱动轮的转速差的要求；第二，RC遥控车整车动力来源于无刷直流电机，这同现今的电动汽车的驱动电机（交流异步电动机，包含无刷直流电机）类型相同，其控制方法类似，且该遥控车最高车速能接近实际车辆的时速。其次，RC遥控车使用舵机作为前轮转向架的转向电机，因此能保证前轮转向角度被精确控制，这与实际的电动汽车对转向功能的要求相同。因此最终选择RC遥控车作为模型车实验平台。2.1.1模型车比例的选择在模型车电机和基本结构确定的前提下，为提高实验结果的可靠性，模型车与真车的比例的确定也成为保证本项目研究质量的一个关键点。由现有电动汽车的长宽分别为4.5m和1.5m，实际车辆行驶时其左右两侧的障碍物距车身边缘的安全距离为30cm,而模型车行驶时其两侧边与障碍物的安全距离可以小至2cm。按照模型车与实际车辆的距障碍物安全距离的比例来确定模型车的比例，也即模型车与实际车辆的车身比例约为1：15，并由实际车辆的大约长宽尺寸可估算出模型车的实际尺寸，也即30cm和10cm。现有的RC遥控车比例分别有1：8，1：10，1：16和1：18，按照约1：15的尺寸比例，我们在各系列的RC遥控车中选择接近该比例的车型，在保证价格合理的情况下我们选择与预期车型比例最接近的1：16。该模型车车架如图2-1所示，其中不含驱动电机，转向电机以及驱动电路。图2-1.模型车车架2.1.2模型车的结构配置模型车搭载直流无刷电动机作前后轮驱动电机，舵机作为前轮转向架驱动舵机，后轮安装差速器且车轮采用独立悬挂系统。无刷电机按照能够与模型车架尺寸配合的原则，选用型号为2440的电机，选择可输入PWM数字信号的驱动器为无刷电机调速，即无刷电调，图2-2所示。无刷电调供电电压为7.4-14.8V，可由外部电源供电，且该电调可由BEC电压端输出5V电压（最大供电电流2A），此5V电压可为整车的系统供电。 图2-2.无刷电机和电调 图2-3.模型车舵机转向电机采用4.3g舵机，扭力足够克服整车重量下产生的与地面间的摩擦力。其供电电压为4.0-5.5V，可由电调的BEC电源供电。车架所用舵机见图2-3。模型车架每个车轮都配有独立悬挂系统，其结构如图2-4所示。独立悬挂系统核心部件为弹簧和万向联轴器，各个车轮都有独立的车轮轴，每对车轮采用万向联轴器连接，车轮可独立上下摆动，弹簧的作用即减小行驶过程中由这种随机摆动产生的震动。图2-4.车轮独立悬挂系统结构2.2本章小结本章主要从电车车身安全系统的实验平台的选择，以及其车身结构配置和电机的参数及选择两大方面对系统的总体方案进行了设计，为后续实现预期功能的电路系统的搭建及软件系统的设计提供了铺垫。第3章 系统控制算法设计3.1 控制流程的要求安全系统对车辆辅助控制的基本原则为在车速一定的情况下，当距障碍物的距离小于一定值且检测到驾驶者未能降速或转向时，才能触发安全系统的保护机制，即优先强制减速，必要时再干预驾驶者对车辆的转向操作。同时，反馈测量系统要对驾驶者控制系统产生的两路电机信号进行测量和并返回给控制系统处理。作为对预期功能的验证性实验，本项目在系统控制流程中使用了一组预先设定的数据，具体数据见3.2节流程图。3.2 控制算法流程图在系统的算法流程图中，我们通过对车辆驱动电机和转向电机的控制信号的脉宽与车辆转速和前轮转角的关系的研究，最终确定出根据信号脉宽值判断出参考车速和前轮转向状态的方法，进而对车辆的运动状态进行了划分。按照车身前后运动的状态分为前进（G）和后退（B），并对每种方向细分为直行（GST）和转弯（GTN），又将转弯状态分为左转（LT）和右转（RT）。流程图中使用了英文字符或与数字的组合来表示流程图对车辆状态的划分和传感器测得的数据，其具体含义及作用如下：PWW和PWD分别为反馈测量系统对驾驶者控制电路产生的驱动电机和转向电机控制信号的脉宽，用于作为判断车辆运行状态的参考。d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7,d8为传感器系统测得的八方向障碍物的距离值，本项目规定其单位为cm，1-8号超声波测距传感器在模型车车身安装状态为由前向传感器开始，按照顺时针方向排布传感器的位置。LE和RE分别表示车身左边和右边障碍物距离过小的标志。EKEY_W和EKEY_D分别表示控制系统通过两路继电器对驱动电机和转向电机控制信号的切换信号，其值为0也即继电器启动，由常闭状态（常闭状态即默认状态，为驾驶者控制系统的信号直达两路电机）切换到常开状态，即两路电机控制信号将来自控制系统，车辆将由控制系统辅助控制。MPWM1和MPWM4表示当车身安全系统的控制系统取代驾驶者的控制操作后，分别为驱动电机和转向电机产生的控制信号的脉宽，该脉宽值与PWW和PWD同样具有作为车辆运行状态参考标识的效力。在流程图中，MPWM1和MPWM4常常同EKEY_W和EKEY_D一起出现，作为对车辆辅助控制的一对操作。在整个流程中，v为霍尔传感器测得的车身速度，单位为m/s。图3-1.流程图开始系统启动后，程序会根据实际测得的电机控制信号脉宽与其运行状态的关系对反馈控制信号脉宽值判断，首先判断车身直行的状态，若PWW（单位：us）大于1335，则车辆处于前进状态，否则视为后退状态。其次，再判断车辆处于转弯状态还是处于直行状态，若PWD处于1022与1386之间则车辆处于直行状态，否则处于转弯状态。实际上，流程和软件的设计中考虑到驾驶者控制车辆微转向的情况，我们将此类情况视为车辆直行，为此给PWD设置一个跳动范围（1022，1386），若超出此范围，则判断车辆正在转向。该部分流程图见图3-1。下面将以车辆后退状态的算法流程为例，对其中具体的判断和决策方法进行解释，具体的算法执行程序见5.5节算法的软件实现。图3-2.后退直行流程图3-3.后退转弯流程3.3 控制算法分析沿着图3-1的流程，当判断出车辆处于后退直行状态时，如图3-2，接着判断车身是否处于微转向状态，即判断PWD是否处于区间（1022，1265）内，若是则车身正向左微转向，否则为向右微转向。微转向状态下要保证车身安全，就要在车身向左（右）微转向时判断车身距左（右）侧障碍物距离大小是否小于设定的安全距离，因此，在向右微转向状态下，要判断车身3号传感器测得的距离d3（单位：cm）是否小于5（安全距离），若是则安全系统启动干涉操作，即通过将EKEY_W置零来切换无刷电机的控制信号，接着MCU便将其输出的无刷电机控制信号脉宽相对于上一刻的PWW减小50（us），也就是执行了直行减速的操作。如此，若d3仍小于5，则仍执行该减速操作，直至检测到驾驶者产生的控制信号有减小这种危害的趋势时，才将驾驶权交给驾驶者。另一方面，为消除直行方向上障碍物可能产生的威胁，就要判断车速与直行方向上车辆与障碍物距离的比值是否大于某一安全系数。因此，该部分流程中要判断v/d5是否大于0.1（安全系数），若是则表明车身较危险，安全系统应辅助操作，MCU将启动无刷电机信号继电器，接着将其产生的无刷电机控制信号脉宽相对于上一刻的PWW减小一个与d5成反比的数值，作为一次减速的程度。若MCU在执行过程中检测到驾驶者产生的控制信号有减小这种危害的趋势，则将驾驶权交给驾驶者，即将EKEY_W置为1（常闭状态）。若MCU未检测到驾驶者产生的控制信号有减小这种危害的趋势，则在每个流程执行周期内都将执行该部分的减速程序，直至不满足v/d50.1这一条件，也即车速已降低到安全速度内。当车辆处于后退转弯状态时，一方面要测量PWD是否处于区间（1386，1630）内，即判断车辆是否正在右转，若是则判断d3是否小于5，即判断车身右侧与障碍物之间的距离是否小于安全距离；若不是则判断d7是否小于5，即判断车身左侧与障碍物之间的距离是否小于安全距离。若d3小于安全距离，MCU将启动无刷电机信号切换继电器，并将输出的MPWM1相对于PWW减小一定值，若此条件成立，将不断执行该部分减速操作。若d7小于安全距离，MCU则执行上述相同的操作。另一方面，系统同样要判断车速v与d5的比值是否小于安全系数，若是则将无刷电机控制信号切换到MCU控制器，然后将其产生的控制信号脉宽相对于上一刻的PWW减小一个与d5成反比的数值，即此刻d5值越小则车身更危险，减速的幅度应更大。至此，本项目已完成对车身处于后退状态下的控制算法流程的分析，流程图见图3-2和图3-3，后面将根据算法流程来编程。3.4 本章小结本章经过对车身安全系统的控制流程的基本原则的解释，进一步引入了控制算法的流程，并对其中的简写标志的含义进行了解释。经过对控制算法流程图的分析，我们清楚了流程中算法对数据流的处理过程，但是流程中算法的结构仍不够完善，其中的结构参数可能仍需经过实际情况的检验和纠正，才能满足对系统的实际要求。第4章 控制系统硬件设计4.1 系统硬件选择经过上述研究过程的分析，我们可最初确定出车身安全系统的整个控制系统的硬件的组成，即至少要包含微型计算机（MCU），测距传感器，测速传感器和两路继电器模块，以及其他必要的组成元件。下面将介绍本项研究对主要组成元件和传感器的选择和实现特定功能的电路的设计过程，主要是控制系统的MCU型号的选择，测距传感器和测速传感器的选择，以及驾驶者控制系统的两路电机控制型号脉宽测量电路的设计。4.1.1 MCU的选择控制系统的微型计算机的性能和速度应该满足功能要求，即MCU要能尽可能快速地读取测距传感器和测速传感器的数据，系统共包括九个传感器，要能读取所有传感器的数据，则MCU需要一次捕获9路PWM脉宽。同时，控制信号反馈电路要读取到驾驶者控制系统产生的两路电机PWM信号，也需要测量这两路PWM信号的脉宽，因此一次测量周期内需要测量11路信号。如果触发辅助控制机制，则控制系统还需要产生两路PWM信号来控制电机。因此要根据这些具体的性能需求来选择MCU。当今常用的高性能微型处理器主要有STC增强型单片机（STC15W系列），AVR单片机（Xmega AVR）以及ARM系列的stm32单片机（M3系列）。下面将通过片内有效资源的对比分析来选择适合本项目的MCU。STC系列单片机以STC15W4K32S4型号为例，该型号单片机含5各16位定时器，因此可片内输出5路PWM信号，含3各PCA比较/捕获寄存器，因此可捕获3路外部PWM信号，显然，该型号单片机不满足一次捕获9路PWM脉宽的需求。Xmega系列AVR最多输出4路PWM信号，即OC0和OC2两路8位的PWM分别由定时器0和定时器2控制输出，OC1A和OC1B两路16位的PWM由定时器1控制输出。当被用于对外部PWM信号脉宽计数时，每路信号要占用一个定时器，则不能满足对高达11路信号脉宽计数的要求。以stm32单片机中的f103系列的型号为例，其中的stm32f103zet6拥有8个16位定时器，其中有6个定时器每一个可同时输出最多4路PWM信号，或轮流捕获4路PWM信号，显然满足本项目功能需求。而该型号单片机配置较高，片内资源利用率低且成本较高，而同系列的stm32f103c8t6芯片内可用的定时器为TIM1-4，也可满足项目需求，例如可用其中的3个定时器对11路PWM脉宽计数，剩余的一个输出两路电机的控制信号。将常用单片机片内有效资源与功能需求对比，最终选择stm32f103c8t6单片机作为系统的控制芯片。4.1.2 测距传感器的选择以模型车为平台的实验系统需要测距传感器能对车身某方向障碍物全面探测，且最低测距能力要达到5米左右。而考虑到实际汽车车身尺寸，惯性和刹车能力等方面的问题，应用于实际车身安全系统的测距传感器测距能力更要达到车速（m/s）的1.5倍，以电动汽车最高车速为30m/s为例，车身前端测距传感器要能探测到45米范围内的障碍物。测距传感器按照原理有激光测距传感器，红外传感器，超声波测距传感器等。下面根据各种测距传感器的功能适用性，输出信号类型以及成本等方面展开对比分析，以确定出最合适本项目系统的测距传感器。激光测距传感器以LDM301型号为例，测量距离范围0.5-300米，误差为20毫米，但是激光传感器对微处理器的计数频率要求很高，且造价昂贵，只能实现单线程测距，不能满足本项目车身安全系统对车身某方向障碍物全面探测的要求。以日本SHARP公司的GP2D12的红外距离传感器为例，该型号红外测距传感器测距范围为10-80厘米，且红外传感器测距范围都很有限，且红外测距传感器同样对微处理器的计数频率要求很高，不能满足项目要求。超声波传感器发射探头辐射范围大，可以满足对车身某方向障碍物全面探测的要求，以小功率的超声波测距模块HC-SR04为例，其发射探头发射超声波的声波开阔角可达30度，示意图见图4-1，该模块可探测距离为450cm，探测距离与模块的供电电压有关。作为小功率的超声波探测模块，其性能满足本项目系统的实验要求。且该模块供电电压为3.3-5V，输入输出接口为标准的数字脉冲信号，故该信号与系统电路的电平兼容。因此，本项目中超声波测距传感器选择该超声波测距模块。图4-1.超声波辐射范围超声波测距原理即通过微处理器的定时器对超声波在传感器与障碍物之间的空间内传播的时间精心测量，便可根据声速计算出传感器与障碍物间的距离。本项目所用的超声波测距模块控制方式简单，输入输出引脚分别为TRIG和ECHO，直接与MCU的IO管脚连接，见图4-2。准备测距时，由MCU给TRIG端输出一个约20us宽度的脉冲，ECHO引脚电平由默认的低电平跳变为高电平，当接收探头检测到超声波时，ECHO端变为低电平，在此过程中，MCU的定时器要对ECHO端高电平时间进行计时，该时间即为超声波在传感器与障碍物之间的空间内传播的时间，最终可测出该次距离值。图4-2.超声波测距模块4.1.3 测速传感器的选择本系统所用测速传感器模块应能安装于模型车身上，测量对后轮主轴的转速，因此要求测速传感器模块体积较小，且其整体的部件不能干涉转轴的转动。常用测转速的传感器主要有光电编码盘测速模块，磁电式传感器和霍尔测速传感器，下面是各类传感器的原理以及相对于模型车车身系统的优缺点，并确定出适用于模型车车身系统的传感器类型以及其安装方法。光电编码测速模块常用于对转速测量分辨率较高或被测转轴转速较低的场合，其工作正常工作需要附加一片刻有均匀栅格孔的码盘，该码盘需要安装于被测转轴上。光电编码测速模块含有一副光电对管，码盘需要放入两对管中间的位置，当码盘上的栅格孔转到光电对管光线通道的位置时，接受管便能接收到信号，该模块输出引脚OUT端输出低电平，否则输出高电平。MCU的IO端口接至模块的OUT端，即可对相邻两个下降沿之间的时间计时，该次测量时间t (单位：s)即为码盘转过相邻两栅格孔之间角度的时间, 则转轴转速为2*/N/t（单位：rad/s）。图4-3.光电编码测速模块磁电式传感器是利用电磁感应原理，将转轴转动速度转换成线圈中的感应电势输出。这一功能需要测速发电机（磁电式传感器）连接转轴来实现，它直接将被测物体的机械能转换成电信号输出，工作不需要外加电源，是一种典型的有源传感器。测速发动机两端电压即与转速成正比，实际安装时需要传动元件如带轮或齿轮将车轮转轴动力引出，因此车轮转轴需要安装传动元件，这将需要模型车后轮轴处能提供足够空间，并需要为测速发动机提供安装位置，且整体结构较复杂，因此该方案不宜选择。霍尔测速传感器模块是基于霍尔元件通电后在磁场中两侧边会有电压差的原理而设计的，以图4-4图示的霍尔测速传感器模块为例，其设有两个输出信号端DO和AO，分别为数字信号和模拟信号输出端，且模块供电电压为3.3-5V，同样与系统电路的电平兼容。正常工作时要将磁铁片安装于后轮转轴或车轮，以便为霍尔元件提供信号。该传感器与光电编码测速传感器相比，将转速调制为电路可测量信号的方式简单，所占空间小，且磁铁安装位置易于确定。因此本系统优先选用该类型测速传感器。图4-4.霍尔测速传感器模块4.1.4 控制信号反馈电路设计图4-5.控制信号反馈电路车身安全系统的控制系统要获取驾驶者控制系统产生的两路电机信号，就需要将这两路信号引回控制系统的MCU的输入捕获引脚。尽管这两路电机控制信号为与控制系统电平兼容的PWM信号，但是却不能直接输入给MCU管脚，因为这两路信号同时是与无刷电调的信号输入端和舵机信号输入端相连的，而电机在接受信号控制而运行时其驱动电路会在信号线上随机产生瞬间的高压波动，这瞬间的高压来源于电机线圈断电瞬间的自感效应。因此，为避免这种随机的高压信号被引入MCU，就需要为该部分电路提供保护措施，也即添加隔离元件，例如三极管或光耦。另一方面，在MCU输出控制信号控制电机时，也不能直接将该信号直接加在电机驱动器的信号线上，同样需要附加隔离电路。以光耦作为信号隔离元件为例，本系统将光耦隔离电路设计为输出信号与输入信号同相，光耦隔离电路见图4-5。图中左侧上部的接收机信号电源引入端口是将驾驶者控制电路产生的两路电机信号和电源引入安全系统的电路，这两路电机控制信号为XW与XD，通过光耦隔离电路输出同相的PWM信号，输出信号端与MCU的TIM3CH1和CH2输入捕获引脚相连。4.2 系统硬件电路图系统的硬件电路的整体结构以及组成将根据对功能的要求来确定，首先引入系统硬件框图，便于从整体上理解各部分硬件结构的作用，系统硬件结构框图见图4-6。图4-6.系统硬件结构框图车身安全系统是在原有的驾驶者控制系统基础上建立起来的，在实验平台上，以接收机的两路电机信号作为输入，经过安全系统的电路和程序处理，作为输出信号控制电机，系统硬件电路图见图4-7。系统电路图中不包含超声波传感器模块和霍尔传感器模块的电路，而用P1和P2两个输出接口作为系统电路与传感器电路信息交换的接口。两路继电器为EKEY1和EKEY2，NC和NO引脚为常闭和常开端，分别在继电器断开和接通时与COM端连接。其中，两继电器NC端分别与来自驾驶者控制电路的两路电机信号相连，COM端分别与最终需要控制的两电机驱动器的信号线相连，NO端则分别与MCU产生的两路电机控制信号引脚连接。两继电器的COM端则在P4端口引出，该端口作为两电机信号源输入端的接口。图4-7.系统硬件电路图4.3 本章小结本章主要以整体功能的要求为基础来确定电路的硬件，首先根据传感器数据处理的需求选择合适的MCU，对同类中各种传感器的适用性能进行比较，并根据实验平台的条件合理选择传感器类型。最后对系统的控制信号反馈电路的设计进行了分析，并根据系统硬件结构框图分析了系统硬件电路的设计过程。第5章 控制系统软件设计5.1 测距传感器信号的读取在一个测距周期内，控制系统要完成对八个超声波测距传感器ECHO端高电平时间的计数，stm32单片机每个通用定时器可通过对应四个输入捕获引脚对四路信号脉宽计时，因此需要使用两个通用定时器对八路信号捕获。我们按照传感器探测障碍物的方向将八路传感器分为两组，一组为直向安装方向，编号分别为1，3，5，7，另一组为斜向安装方向，编号分别为2，4，6，8。要用一个定时器对四路信号脉宽计时，考虑到四个传感器工作不同步，即输出脉宽起始点不在同一时刻，就必须要轮流对脉宽计时。以读取1，3，5，7号传感器数据为例，要读取数据就要先触发传感器，这四路传感器都要经过触发和接收信号才算完成一个方向的测距。为此，程序中定义一个标志变量flag，初始值为1，表示系统初始化后先启动1号传感器，启动程序如图5-1。接着MCU输入捕获上升沿中断被触发并对脉宽计时，捕获结束后将执行图5-3所示的程序，该段程序包含距离计算和状态标志位清零以及flag赋值的操作。flag的值被置为下一次要启动传感器的编号，同时，MCU执行到图5-2的传感器轮流触发程序时，将给对应的TRIG端发送触发信号。如此轮流启动四路传感器测距，测得的距离值将参与系统算法的输入数据流，被用于后续处理。图5-1.超声波传感器触发程序 图5-2.轮流触发程序图5-3.脉宽计时程序5.2 测速传感器信号的读取在一个转速测量周期内，控制系统要对霍尔传感器模块的DO端输出信号的相邻两个下降沿的时间计时，即当磁铁到达霍尔元件感应区时，DO端产生下降沿，MCU输入捕获端口产生下降沿中断，定时器开始计时，下一次磁铁到达霍尔元件感应区时，定时器停止计时，该段时间即为磁铁转动一周所用的时间。用图5-4所示的测速计时乘程序测量最终的转过一周的时间temp_V，其中包含定时器溢出次数与一次最大计数长度乘积与最后一次计数长度之和（时间单位：us），程序预先为D_circle设置了宏定义，其表示磁铁回转圆的直径，单位为毫米，若磁铁固定于车轮边缘，则由此可计算出车轮边缘的线速度，进一步估算出模型车前进速度。其中，程序里面同样定义了标志变量flagDWV，其作用与MCU轮流对超声波传感器数据读取类似，该变量用作 TIM3轮流对驾驶者控制电路的两路电机信号脉宽以及测速传感器DO端口两相邻下降沿间时间宽度计时的标志，如本部分程序所示，flagDWV被置为6时才能执行测速程序，完成后再把其置为2，用于下一个周期轮流对两路电机控制信号脉宽计时。图5-4.测速计时程序5.3 反馈控制信号的读取本部分程序用于获取反馈控制信号，即对驾驶者控制电路的两路电机信号脉宽进行测量，以判断出驾驶者操作车辆时车辆的运动状态。程序中的temp_W与temp_D用于存放测得的反馈控制信号脉宽值，后续的算法控制程序将对其值进行判断并得出当前车身的运动状态。其中使用TIM3的通道1和2分别对两路反馈控制信号脉宽计时，同样使用f