基于电磁传感器的智能车控制毕业论文.doc

毕毕 业业 设设 计计 基于电磁传感器的智能车控制 摘 要 随着智能交通系统 ITS 的研究在各国越来越被重视 智能车的控制技术 也成为一项新兴技术 教育部决定举办基于高速发展的智能车技术为背景的 飞思卡尔杯 全国大学生智能车大赛 本设计以第六届飞思卡尔杯全国智能车大赛为背景 系统以飞思卡尔公司的 16 位微控制器 MC9S12XS128 作为核心处理器 并综合了传感器技术 自动控制 技术 信号处理技术 单片机技术 采用LC 谐振回路感应电磁信号寻迹方案 同时配合编码器 电机 舵机 电池以及相关驱动电路来进行信息的处理 使车 模能够以最合适的速度自主循线 并通过PID 方式对电机和舵机进行相关调节 最终以闭合回路的形式控制模型车高速稳定地在跑道上行驶 使车具有更强的稳 定性与瞬时提速性能 在文中详细介绍电磁智能车的设计方案 其中包括机械结构的安装与调整 硬件电路的设计与制作 信号采样策略 舵机的转向控制 速度的闭环控制 以 及与此次竞赛相关的各类调试方法的思路和用到的相关调试工具 关键词 微控制器 电磁感应 PID 自主循线 闭环控制 Abstract With the study of the intelligent Transportation System ITS in the States are being taken seriously Intelligent vehicle control technology has become an emerging technology With the fast development of the intelligent vehicle technology The Ministry of Education holds the Freescale Cup National University Smart car Competition This design builds an intelligent vehicle control system based on the MC9S12X S128 microcontroller and combines sensor technology automatic control technology signal processing technology microprocessor technology And determine the route by signal from oscillation circuits due to electromagnetic wave from the alternating curr ent in the guiding wire After processing the signal CPU drives the car by controlling motor and steer engine and stops the car by distinguishing the termination by read switches Throughout the race the algorithm of PID contributes to tracing route and controlling pace It also can monitor car s performance and timely modify the drive parameter The model system syncretizes intelligence and humanity and shows outstanding security and stability The system provides valuable experiences for further researches in coming future Key Word Microcontroller Electromagnetic induction PID Self through the line Closed loop control 目录 1 绪论 1 2 智能汽车控制系统总体设计 1 2 1 总体设计思路 1 2 2 系统硬件结构 2 2 3 系统软件结构 3 3 智能汽车机械系统调整与安装 4 3 1 前轮参数调整 4 3 1 1 主销内倾角 4 3 1 2 主销后倾角 4 3 1 3 前轮外倾角 5 3 1 4 前轮前束 5 3 2 后轮差速机构调整 5 3 3 齿轮传动机构调整 6 3 4 舵机安装调整 6 3 4 1 平躺式固定 7 3 4 2 站立式固定 7 3 5 电路板的安装 8 3 6 速度传感器的安装 8 3 7 传感器的安装 9 4 智能汽车硬件电路设计 10 4 1 电源模块 10 4 2 传感器模块 10 4 3 单片机模块 11 4 3 1 时钟电路 11 4 3 2 复位电路 12 4 3 3 串口电路 12 4 4 驱动模块 14 4 5 起跑线检测模块 14 5 智能汽车控制算法与软件设计 15 5 1 系统初始化 15 5 1 1 AD 初始化 15 5 1 2 PWM 初始化 15 5 1 3 串口初始化 16 5 2 磁场信号的提取与处理 17 5 3 PID 控制算法及智能车中的应用 17 5 3 1 PID 控制算法简介 17 5 3 2 转向控制的 PD 调节 20 5 3 3 速度控制策略 20 5 4 起跑线检测 21 6 开发与调试 22 6 1 软件开发环境介绍 22 6 2 智能车整体调试 23 6 2 1 舵机调试 23 6 2 2 电机调试 23 6 2 3 整体调试 24 7 总结 24 参考文献 26 致 谢 27 1 1 绪论绪论 为加强大学生实践 创新能力和团队精神的培养 促进高等教育教学改革 受教育部高等教育司委托 由教育部高等自动化专业教学指导分委员会 以下 简称自动化分教指委 主办全国大学生智能汽车竞赛 该竞赛以智能汽车为研 究对象的创意性科技竞赛 是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动 是教育部倡导的大学生科技竞赛之一 该竞赛以 立足培养 重在参与 鼓励 探索 追求卓越 为指导思想 旨在促进高等学校素质教育 培养大学生的综 合知识运用能力 基本工程实践能力和创新意识 激发大学生从事科学研究与 探索的兴趣和潜能 倡导理论联系实际 求真务实的学风和团队协作的人文精 神 为优秀人才的脱颖而出创造条件 该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供 购置规定范围内的标准硬软件技术平 台 竞赛过程包括理论设计 实际制作 整车调试 现场比赛等环节 要求学 生组成团队 协同工作 初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的 全过程 该竞赛融科学性 趣味性和观赏性为一体 是以迅猛发展 前景广阔 的汽车电子为背景 涵盖自动控制 模式识别 传感技术 电子 电气 计算 机 机械与汽车等多学科专业的创意性比赛 该竞赛规则透明 评价标准客观 坚持公开 公平 公正的原则 保证竞赛向健康 普及 持续的方向发展 本文以第六届全国大学生智能汽车竞赛为背景 为了保证智能汽车能够具 有迅捷的速度 远而清晰的前瞻以及较高的灵敏度与稳定性 从软硬件方面对 系统进行了优化 2 2 智能汽车控制系统总体设计智能汽车控制系统总体设计 2 1 总体设计思路 全国智能车比赛过程核心是速度与稳定性权衡的过程 在保证赛车冲 不出跑道的情况下追求速度最快 用时最短 因此 获取有效 可靠的赛 道信息以及实施合理的控制策略是保证比赛取得好成绩的先决条件 该电磁智能车 是以黑线通有 100mA 左右 20K 的交流信号线为引导 线 依据电磁感应的原理我们用 LC 谐振回路为传感器来采集信号 这样 采集到的信号是 20K 的交流信号 但是信号强度很小 最后用三极管对采 集到的信号进行放大 最终将此信号送给单片机进行处理 电磁感应传感 器与以往的光电和摄像头组的传感器相比较 消耗的功率小了 但是其前 瞻受到了明显的限制 在控制策略方面 主要包括转向控制和速度控制 对于舵机的转向控 制 我们采取经典的位置式 PD 算法 通过判断传感器检测到的直道或弯 道信号给不同的 PD 参数 以达到不同的效果 对于电机的速度控制策略 采用 PID 调节的同时引入反转制动刹车电路 使得小车在直道可以尽快加 速并能保证在过弯时迅速减到过弯的速度 使得小车可以快速行驶 对于机械结构方面 根据比赛情况的需要 对小车的机械结构进行合 理安装和调整 比如说重心的前后高低 两只前轮的倾角 编码盘的安装 舵机的安装 悬挂的松紧 主板的放置等 以保证小车稳定 快速的行驶 各个方面的之间的联系如下图所示 图 2 1 智能车总体结构图 2 2 系统硬件结构 1 MC9S12XS128处理器 该模块是整个系统的核心和大脑部件 所有的信 息都要由它处理 结合该处理器 我们使用了最小系统 2 采集模块 采集模块主要有赛道信息采集和速度采集 我们经过比较在 赛道信息采集方面 我们用了电感 而在速度采集方面 我们选用了编码器 3 驱动模块 主要有电机驱动和舵机驱动 该系统采用的是自行搭建的由 场效应管组成的H桥 效果很好 我们使用单独一个稳压芯片给舵机供电 4 电源模块 主要用到的5V LM294 5 调试模块 调试模块主要用到 BDM 2 3 系统软件结构 系统硬件是整个系统的基础 系统软件结构则根据硬件和控制需求来 制定 系统的基本软件流程为 首先 对各功能模块和控制参数进行初始 化 然后 通过电磁传感器采集到的数据获取前方赛道的情况 同时通过 速度传感器模块获取赛车的速度 采用 PD 对舵机进行反馈控制 另外根 据检测到的速度 结合速度控制策略 对赛车速度不断进行适当调整 使 赛车在符合比赛规则的前提下 沿赛道快速行驶 图 2 2 软件系统框图 3 3 智能汽车机械系统调整与安装智能汽车机械系统调整与安装 车模的机械部分是影响其行驶性能最直接的部分 其重要性不言而喻 一 个不良的机械系统会增加控制的难度 会为车模的速度提升带来障碍 因此 车模的机械性能应该是优先考虑的问题 3 1 前轮参数调整 调试中发现 在赛车过弯时 转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而 增大 为了尽可能降低转向舵机负载 对前轮的安装角度 即前轮定位进行了 调整 前轮定位包括主销后倾角 主销内倾角 前轮外倾角和前轮前束四个内容 车 轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶和转向轻便 并减少汽车在行驶中 轮胎和转向机件的磨损 3 1 1 主销内倾角 从车前后方向看轮胎时 主销轴向车身内侧倾斜 该角度称为主销内倾角 当车轮以主销为中心回转时 车轮的最低点将陷入路面以下 但实际上车轮下 边缘不可能陷入路面以下 而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相 应的高度 这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的效应 因 而舵机复位容易 此外 主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平 面与地面交线的距离减小 从而减小转向时舵机的拉力 使转向操纵轻便 同 时也可减少从转向轮传到舵机上的冲击力 但主销内倾角也不宜过大 否则加 速了轮胎的磨损 在调整时可以近似调整为0 3 左右 不宜太大 3 1 2 主销后倾角 从侧面看车轮 转向主销 车轮转向时的旋转中心 向后倾倒 称为主销后 倾角 设置主销后倾角后 主销中心线的接地点与车轮中心的地面投影点之间 产生距离 称作主销纵倾移距 与自行车的前轮叉梁向后倾斜的原理相同 使 车轮的接地点位于转向主销延长线的后端 车轮就靠行驶中的滚动阻力被向后 拉 使车轮的方向自然朝向行驶方向 设定很大的主销后倾角可提高直线行驶 性能 同时主销纵倾移距也增大 主销纵倾移距过大 会使舵机沉重 而且由 于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸 通常主销后倾角值设定在1 到3 模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的 由于竞赛所用的转 向舵机力矩不大 过大的主销后倾角会使转向变得沉重 转弯反应迟滞 所以 设置为0 以便增加其转向的灵活性 主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正 保持直线行驶的功能 不 同之处是主销内倾的回正与车速无关 主销后倾的回正与车速有关 因此高速 时主销后倾的回正作用大 低速时主销内倾的回正作用大 3 1 3 前轮外倾角 从前后方向看车轮时 轮胎并非垂直安装 而是稍微倾倒呈现 八 字形 张开 称为负外倾 而朝反方向张开时称正外倾 前轮外倾角对汽车的转弯性 能有直接影响 它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性 前轮 外倾角俗称 外八字 如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形 可能引起 车轮上部向内倾侧 导致车轮联接件损坏 所以事先将车轮校偏一个外八字角 度 这个角度约在1 左右 模型车提供了专门的外倾角调整配件 近似调节其外倾角 由于竞赛中模 型主要用于竞速 所以要求尽量减轻重量 其底盘和前桥上承受的载荷不大 所以外倾角调整为0 即可 并且要与前轮前束匹配 3 1 4 前轮前束 脚尖向内 所谓 内八字脚 的意思 指的是左右前轮分别向内 采用这 种结构目的是修正上述前轮外倾角引起的车轮向外侧转动 如前所述 由于有 外倾 舵机转向变得容易 另一方面 由于车轮倾斜 左右前轮分别向外侧转 动 为了修正这个问题 如果左右两轮带有向内的角度 则正负为零 左右两 轮可保持直线行进 减少轮胎磨损 如图下图所示 图 3 1 轮前束示意图 3 2 后轮差速机构调整 差速机构的作用是在车模转弯的时候 降低后轮与地面之间的滑动 并且 还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机 当车辆在正常的过弯行进中 假设 无转向不足亦无转向过度 此时4 个轮子 的转速 轮速 皆不相同 依序为 外侧前轮 外侧后轮 内侧前轮 内侧后轮 此次所使用车模配备的是后轮差速机构 差速器的特性是 阻力越大的一侧 驱动齿轮的转速越低 而阻力越小的一侧 驱动齿轮的转速越高 以此次使用的 后轮差速器为例 在过弯时 因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小 轮速便较高 而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大 轮速便较低 差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙 过松过紧都会使差速器性能降低 转弯时阻力小的车轮会打滑 从而影响车模的过弯性能 好的差速机构 在电 机不转的情况下 右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小 不会有迟滞或者过转动情况发生 3 3 齿轮传动机构调整 车模后轮采用BTS7970电机驱动 电机轴与后轮轴之间的传动比为 18 76 电机轴齿轮齿数为18 后轮轴传动轮齿数为76 齿轮传动机构对车 模的驱动能力有很大的影响 齿轮传动部分安装位置的不恰当 会大大增加电 机 驱动后轮的负载 从而影响到最终成绩 调整的原则是 两传动齿轮轴保持 平行 齿轮间的配合间隙要合适 过松容易打坏齿轮 过紧又会增加传动阻力 浪费动力 传动部分要轻松 顺畅 不能有迟滞或周期性振动的现象 判断齿 轮传动是否良好的依据是 听一下电机带动后轮空转时的声音 声音刺耳响亮 说明齿轮间的配合间隙过大 传动中有撞齿现象 声音闷而且有迟滞 则说明 齿轮间的配合间隙过小 或者两齿轮轴不平行 电机负载变大 调整好的齿轮 传动噪音很小 并且不会有碰撞类的杂音 后轮减速齿轮机构就基本上调整好 了 动力传递十分流畅 3 4 舵机安装调整 舵机是赛车转向的驱动装置 其性能的好坏直接关系到赛车的转向性能和 弯道的极限速度 而舵机的固定方式也在一定程度上决定了比赛的成败 舵机 转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节 为了减小此时间常数 通过改变 舵机的安装位置 而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度 下面介绍两种方案 分别分析其性能 3 4 1 平躺式固定 这种固定方式是车模上舵机的原安装方式 优点 1 重心底 接近地盘 有利于车模的稳定 2 两臂前轮不等长 有利于车模的转弯 这里纠正一点误区 很多人 认为前轮的两臂等长最好 其实不然 如果你是汽车专业的话 你就会明白他的 原理 汽车上的转向都是一边长一边短的 转向时内侧是要比外侧的转角要大 才有助于转向的 缺点 1 在舵机和角度调节头之间有介子作为受力缓冲作用的 但这在比赛中会 延缓前轮的反应时间 最好用AB胶将其固定死 2 舵机的力臂太短 相比后两种固定方式 舵机在相同的转角下 前轮转 角会小得多 这在比赛中是很不利的 因为舵机转角是需要时间的 这样就延 缓了前轮的转动效率 3 4 2 站立式固定 这种固定方式是舵机竖立在车身中间位置 用两等长的前轮拉杆住链接前 轮 优点 1 力臂长 前轮的反应速度是平躺式的三倍左右 由于力臂的长度会有所 不同 力臂越长 反应越快 这里请注意一点 力臂过长可能导致力矩不足 反而导致前轮转不到位 因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力 矩之间的关系 通过优化得到一个最佳的转向效果 建议力臂在3 5 4cm之间 2 两拉杆轴是等长的 所以车的左右转是相同的 这里说明一点 两拉杆 轴是等长并不和上述 转向都是一边长一边短 相矛盾 因为我们的最终目地 是使车模在转向时 内侧前轮要比外侧的转角要大 当舵机转动力臂时 由于 力臂的尾端是按曲线运动的 导致两前轮的转角不同 内侧前轮要比外侧的转 角要大 缺点 1 使车模车头整体重心过高 影响车模的稳定性 经测试 由于舵机固定 的比较稳定 此方案对小车的稳定性影响几乎为零 分析舵机控制转向轮转向的原理可以发现 在相同的舵机转向条件下 转 向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远 转向轮转向变化越快 这相 当于增大力臂长度 提高线速度 针对上述特性 我们改变了舵机的安装方式 选择了站立式安装 将舵机立起来安装在车的中轴线上 使得左右两轮的力臂 一样大 有利于转向 3 5 电路板的安装 电路板是模型车上的核心部分 在安装时 考虑到电路板的稳定性和 模型车的重心等问题 我们把电路板做的比较小 图 3 2 智能车整体 3 6 速度传感器的安装 为了不影响加速性能 编码器的传动齿轮选择相对较小 齿轮之间呈水平 状态 这样安装齿轮咬合很好 即避免由于齿轮咬合太紧以致加重负载 同时 也避免了因过松而出现的在转动中齿轮撞击的现象 并减少电机的摩擦损耗和 噪音 图 3 3 速度传感器 3 7 传感器的安装 传感器的安装 为了获得尽可能大的前瞻 我们将传感器装在车的最前端 传感器的稳定性直接关系到小车行驶状况的好坏 所以 必须将其固定牢固 图 3 4 电磁传感器 4 4 智能汽车硬件电路设计智能汽车硬件电路设计 电磁组智能车的硬件系统主要有以下几个模块组成 传感器模块 单片机 模块 电源模块和驱动模块 以及调试模块 为了调整整体车重心的稳定 我 们将各个模块分散布局 下面将各个模块详细介绍 4 1 电源模块 电源模块为整个系统提供电力供应 其工作的稳定性直接关系 着小车其他电路模块的正常工作 重要性不言而喻 在设计电源模 块时 首先应综合考虑各模块电路对电源功率的需求 然后根据需 求选择相应的稳压芯片 集体原理图如下 图 4 1 电源模块 4 2 传感器模块 电磁组的赛道信息是由 20kHz 100mA 的交流电源流经导线产生的交变磁 场 如何将磁场信息检测出来是传感器设计的第一步 在具体的设计过程中 我们选择了最传统的电磁感应线圈方案 这种方案 的原理简单 电路较易实现 并且设计出来的传感器体积小 价格便宜 功耗 低 可以满足小车竞赛循迹的要求 比赛选择 20kHz 的交变磁场作为路径的导航信号 在频谱上可以有效避开 周围其他磁场的干扰 可以利用 LC 并联电路来实现选频电路 对感应信号进 行有效的放大 市场上购买比较方便的是 10mH 的电感 根据 LC 并联谐振公式 可以计算出选频所需的电容容值约为 6 8nf 因此 在实际的电路中 1 0 2LC f 我们选择 10mH 的电感与 6 8nf 的电容并联来实现信号的选频 在查阅了一些参数之后 我们选择 s8050 对选频信号进行放大 从示波器 中 我们看出放大之后的信号较为可观 图 4 2 信号放大模块 4 3 单片机模块 以 MC9S12XS128 为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部 分 时钟电路 复位电路 串口电路 各个部分的功能如下 1 时钟电路给单片机提供一个外接的 16MHz 的无源晶振 2 复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号 3 串口电路使 S12 与 PC 机之间建立连接 4 3 1 时钟电路 本系统采用的是标准的 MC9S12 系列单片机的时钟电路 通过把一个 16MHz 的外部晶振接在单片机的外部晶振输入接口 EXTAL 和 XTAL 上 然后利用 MC9S12XS128 内部的压控振荡器和锁相环 PLL 把这个频率提高 作为单片机 工作的内部总线时钟 原理图如下 图 4 3 外部晶振 4 3 2 复位电路 本系统直接采用一个 0 1uF 的电容提供低电平复位信号 手动复位按钮在 系统调试时的作用很大 原理图如下 图 4 4 复位电路 4 3 3 串口电路 串口电路 S12 上的串口接口 T R G 分别与 PC 机上的 2 3 5 串口相接 使 S12 单片机与 PC 机之间能够通信 通过软件处理将通过传感器采集到的电 压信号又经单片机上 AD 转换的数值在串口精灵界面显示 可以人性化的知道当 前小车所处的状态 串口在调试的过程中发挥着极大的作用 图 4 5 S12 最小系统原理图 4 4 驱动模块 驱动电路采用两片半桥元件 BTS7970B 搭成全桥电路 可以控制电机的正 反转 原理图如下 图 4 6 电机驱动 4 5 起跑线检测模块 通常可以检测恒稳磁场的手段有霍尔元件和干簧管 霍尔元件的优点在于 输出信号连续 干簧管的优点是电路简单 对于定性检测变化明显 干扰小 实际测试后发现 两者对于磁铁的敏感度大致相同 同时霍尔元件产生的模拟 信号对于后续处理不如干簧管的 0 1 跳变直接 因而我们采用了干簧管 图 4 7 起跑线检测电路 5 5 智能汽车控制算法与软件设计智能汽车控制算法与软件设计 5 1 系统初始化 由于我们采集的信号是正弦信号及模拟信号 因此初始化主要包括 AD 初始化 PWM 初始化 SCI 串口初始化 锁相环设置 5 1 1 AD 初始化 MC9S12XS128 单片机的 AD 转换模块主要有以下几个特点 8 10 位的转换 精度 7us 一次的转换时间可编程采样时间 外部触发控制 转换完成中断 连续转换模式 1 到 8 转换序列长度等 AD 初始化 void vADInit void ATD0CTL1 0b00000000 8 位精度 ATD0CTL2 0b01000000 禁止外部触发 标志位快速清零 中断禁止 ATD0CTL3 0b10000000 右对齐无符号 转换序列长度为 1 No FIFO 模式 Freeze 模式下继续转换 ATD0CTL4 0b10100111 4AD 采样周期 ADClock BUSClock 0 5 PRS 1 ATD0CTL5 0b00110000 特殊通道禁止 多通道采样 扫描模式连续采样 ch AN0 ATD0DIEN 0b00000000 禁止数字输入 5 1 2 PWM 初始化 PWM 调制波有 8 个输出通道 每个输出通道都可以独立的输出 每个通道 都有一个精确的计数器来计算脉冲的个数 还有两个可供选择的时钟源 其初 始化的一般步骤是 禁止 PWM 选择时钟 选择极性 选择对其模式 对占空 比和周期进行编程 使能 PWM 通道 在本系统中需要两路 PWM 通道来分别控制舵机和电机的转向和转动 舵机 的 PWM 是将 0 和 1 路的 PWM 合并后进行控制 这样可以是舵机的精度从 1 255 提高到 1 65535 其初始设置如下 PWME 0 x00 关闭所有 PWM PWMCLK 0 x03 PWM45 选用 CLKA PWM01 选用 CLKSA PWM2367 选用 CLKB PWMPRCLK 0 x30 CLKA 0 分频 fBUS 32MHz fCLKA fBUS 0 24MHz CLKB 8 分频 fBUS 32MHz fCLKB fBUS 8 4MHz PWMSCLA 12 CLKSA fCLKSA fCLKA 2 PWMSCLA 1MHz PWMPOL 0 xFF PWM 为正占空 PWMCAE 0 x00 所有 PWM 为左对齐 PWMCTL 0 xF0 所有 PWM 合并端口 PWMPER01 20000 PWM01 为舵机 PWM01 周期为 20 000 则 输出 PWM 频率为 50Hz PWMDTY01 1380 PWM01 占空比 PWME PWME1 1 5 1 3 串口初始化 MC9S12 系列单片机的串口通信接口 Serial Communication Inteface 是一个通用的异步接受 发送器类型的异步通信接口 通过 RS 232 串行通信协 议与主机系统通信 初始化 SCIO void SciInit void SCI0BD 52 SCI0CR1 0 SCI0CR2 0X2C 读 SCI 数据 unsigned char SciRead if SCI0SR1 RDRF 1 SCI0SR1 RDRF 1 return SCI0DRL 写 SCI 数据 void SciWrite unsigned char sendchar while SCI0SR1 SCI0DRH 0 SCI0DRL sendchar 5 1 4 锁相环设置 时钟初始化 void PLL Init void PLLCLK 2 OSCCLK SYNR 1 REFDV 1 锁相环时钟 2 16 2 1 1 1 48MHz REFDV 1 总线时钟 48 2 24MHz SYNR 2 while CRGFLG CLKSEL 0 x80 5 2 磁场信号的提取与处理 在本届新增的电磁组智能车中 所检测的信号是电磁信号 为连续的模拟 量 及在整个跑道的横向范围能都能检测到信号的存在 唯一的差异就是信号 的强弱 将整个跑道中检测到的信号作为模拟量进行处理 这样检测到的 信号离导线越近强度越大 在跑道的边缘则信号越弱 第一排的传感器主要工作是检测当前导线的位置 我们在第一排上放了 4 个传 感器来检测信号 然后根据各自的位置和检测到的信号对得到的值进行加权平 均 这样就得到了当前黑线的位置 这样根据得到的值可以得出当前黑线与车 身之间的夹角 然后将这一数据进行处理转化成 PWM 信号送给舵机 5 3 PID 控制算法及智能车中的应用 5 3 1 PID 控制算法简介 1 比例调节 P 的作用 对偏差瞬间做出作出反应 偏差一旦产生控制 器立即产生控制作用 使控制量向着减少偏差的方向变化 控制作用的强弱取 决于比例系数 比例系数 越大 控制作用越强 则过渡过程越快 控制过程 的静态偏差也就越小 但是 越大 也越容易产生振荡 破坏系统的稳定性 故 而 比例系数 选择必须恰当 才能过渡时间少 静差小而又稳定的效果 2 积分调节 I 的作用 是使系统消除稳态误差 提高无差度 因为 有误差 积分调节就进行 直至无差 一旦停止 积分调节输出异常值 积分 作用的强弱取决于积分时间常数 越小 积分作用就越强 反之则积分作用弱 加入积分调节可使系统稳定性下降 动态响应变慢 积分作用常与另两种调节 规律结合 组成 PI 调节器或 PID 调节器 3 微分调节 D 的作用 阻止偏差的变化 它是根据偏差的变化趋势 变化速度 进行控制 偏差变化的越快 微分控制器的输出就越大 并能在 偏差值变大之前进行修正 微分作用的引入 将有助于减小超调量 克服振荡 使系统趋于稳定 特别对高阶系统非常有利 它加快了系统的跟踪速度 但微 分的作用对输入信号的噪声很敏感 对那些噪声较大的系统一般不用微分 或 在微分起作用之前先对输入信号进行滤波 根据 PID 控制器原理得知 PID 控制器的主要作用是快速平稳地消除系统 产生的偏差 图 5 1 模拟 PID 控制系统原理图 图 5 2 不完全微分 PID 算法的车寻流程图 4 微分先行PID 由于智能车在跑道上行驶时 经常会遇到转弯的情况 所以智能车的速度 设定值和方向设定值都会发生频繁的变化 从而造成系统的振荡 为了解决设 定值的频繁变化给系统带来的不良影响 本文在智能车的速度和方向控制上引 入了微分先行PID 算法 其特点是只对输出量进行微分 即只对速度测量值和 舵机偏转量进行微分 而不对速度和方向的设定值进行微分 这样 在设定值 发生变化时 输出量并不会改变 而被控量的变化相对是比较缓和的 这就很 好地避免了设定值的频繁变化给系统造成的振荡 明显地改善了系统的动态性 能 图 5 3 微分先行 PID 控制结构图 5 前馈控制的应用 由于智能车的跑道宽度有限制 所以在经过急转弯的时候 如果速度和方 向控制不及时 智能车就可能冲出跑道 由于前馈控制是开环控制 所以前馈 控制的响应速度很快 将前馈控制引入到智能车的控制中 能够提高舵机和伺 服电机的反应速度 改善智能车系统的动态性能 6 智能车控制系统结构 智能车的控制主要体现在两个方面 一方面是方向的控制 也就是对舵机 的控制 另一方面是对速度的控制 也就是对伺服电机的控制 舵机的数学模 型较为简单 具有很好的线性特征 只采用前馈控制 智能车的速度控制相对 复杂一些 速度模型无法准确建立 采用前馈 改进 PID 算法进行控制 智能 车的控制系统结构如下图 所示 图 5 4 智能车的控制结构图 图 5 4 中 分别是舵机和伺服电机数学模型 从图中可 以看出 智能车的方向控制和速度控制是相互独立的 而且它们都是由路线偏 差决定的 舵机转角与路线偏差之间的对应关系是根据舵机的数学模型得到的 在速度控制回路中 既包括反馈回路 又包括前馈环节 伺服电机的控制量是 在前馈补偿基础上 再由增量式 PID 算法计算得到 5 3 2 转向控制的 PD 调节 智能车对方向的控制有两点要求 在直道上 方向保持稳定 在转弯处 需要方向变化准确而且迅速 只有这样 才能保证智能车在跑道上高速 稳定 地运行 为了提高方向控制的鲁棒性 本文还对路线偏差进行了模糊化处理 图 5 是智能车方向模糊前馈控制的结构图 图中分别是直道 和弯道两种情况下的前馈控制函数 图 5 5 智能车方向控制系统结构图 5 3 3 速度控制策略 为了使智能车在直道上以较快速度运行 在转弯时 防止智能车冲出跑道 则必须将智能车的速度降低 这就要求智能车的速度控制系统具有很好的加减 速性能 当智能车经过连续转弯的跑道时 路线偏差的频繁变化会造成速度设 定的频繁变化 这会引起速度控制系统的振荡 并且微分环节对误差突变干扰 很敏感 容易造成系统的不稳定 为了解决上述存在的问题 本文对数字 PID 算法进行了改进 将不完全微分和微分先行引入到 PID 算法中 大大改善了速 度控制系统的动态性能 图 5 6 是智能车速度控制系统结构图 由于赛道路况和智能车的姿态会经常变化 所以速度控制系统的模型也是 不定的 为了提高系统的适应性 本文速度控制系统中采用了模糊 PID 算法 将速度设定和实际速度进行模糊分档 通过调试得到不同情况下相对最优的 PID 参数 保证了速度控制系统在不同情况下都有较好的控制效果 5 4 起跑线检测 电磁组智能车的起跑线与光电和摄像头组的竞赛都有所不同 它是以 6 块 磁铁为起跑线的检测 图 5 7 竞赛跑道起跑区示意图 由于是以磁铁为起跑线 如果用检测导线的传感器去检测起跑线是不现实 的 所以我们采用干簧管为起跑线的检测装置 干簧管是一种磁敏的特殊开关 它通常由两个或三个既导磁又导电材料做成的簧片触点 被封装在充有惰性气 体 如氮 氦等 或真空的玻璃管里 玻璃管内平行封装的簧片端部重叠 并留 有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭接点 当永久磁铁靠近干簧管 时 或者由绕在干簧管上面的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时 簧片的接点 就会感应出极性相反的磁极 由于磁极极性相反而相互吸引 当吸引的磁力超 过簧片的抗力时 分开的接点便会吸合 当磁力减小到一定值时 在簧片抗力的 作用下接点又恢复到初始状态 这样便完成了一个开关的作用 6 6 开发与调试开发与调试 6 1 软件开发环境介绍 Codewarrior是Metrowerks公司开发的软件集成开发环境 飞思卡尔所有系 列的微控制器都可以在codewarrior IDE下进行软件开发 本模型车所用的处理 器是MC9S12XS128 程序调试是在codewarrior IDE 3 1环境下实现的 所用语 言为C语言 首先要新建一个基于 Mc9sDG128B 的 HCS12 的工程 选用语言为 C 语言 具 体的过程如图 7 1 到 7 2 所示 建立好新的工程后 就可以在编译器里进行程 序的编写 图 6 1 Codewarrioer 新建工程界面 图 6 2 CW S12 v5 0 Special 工作界面 6 2 智能车整体调试 6 2 1 舵机调试 首先在程序里不断的修改舵机的控制量 确定舵机左转和右转极限的PWM值 记下该值留着在程序里设定左转和右转的极限值 然后用一小段跑道来测试舵 机的转向 用不同的跑道段来测试模型车的转向是否符合要求 当用的是直道 时候要保证模型车的舵机位置绝对的居中 小 S 道时候 模型车给出的转角 应该足够的小 大 S 时候转角应该近似为圆弧弦的角度 弯道时候要给足转 角 6 2 2 电机调试 像测试舵机一样用不同的赛道来测试电机给出的转速是否满足实际控制的 需要 当用的是小 S 道时候 模型车应该保持直道上的速度 大 S 时候 应该适当的减速 以使得通过时候不会产生过大的超调 弯道时候要能够很 的将速度降下来 如果是急转弯时可以不给控制量或者让电机反转以达到刹车 的效果 6 2 3 整体调试 首先以一个较低的速度跑完整个赛道 然后再慢慢的提高速度 直到模型 车在某一个地方出错 然后调整控制算法 如此反复 直到模型车能够以理想 的速度 在理想的路线上运行完为止 7 7 总结总结 本文详细介绍了电磁智能车软件与硬件结构设计 1 硬件部分主要包括车模的调整 电磁信号采集模块 起止线检测模块和 电机驱动模块 1 对于前轮的调整主要影响的是赛车的转向性能 包括前轮的主销内倾 角 主销后倾 前束等几方面 对于后轮的调整主要是差速机构的调整 它的 作用是在车模转弯的时候 降低后轮与地面之间的滑动 并且还可以保证在轮 胎抱死的情况下不会损害到电机 2 信号采集模块主要由电磁探头部分 电磁信号放大部分 霍尔传感器 部分及速度反馈部分组成 3 探头部分用工字型电感作为感应磁场的媒介 这类电感体积小 Q 值 高 具有开放的磁芯 可以感应周围交变的磁场 为了加强探头的选频特性在 电感上根据串联了容值匹配的电容 1 0 2LC f 干簧管是用于起始线检测的传感器 根据大赛在赛道起始线会铺设一排磁钢 用干簧管检测起始线电路简单 4 电机驱动模块采用两片BTS7960B半桥驱动芯片驱动 该芯片负载电流可 以达到43A 而内阻只有16 m 十分适合赛车使用 2 软件部分主要包括舵机控制 电机控制和速度控制 1 速度反馈模块采用的是与电机用齿轮啮合的光电编码器 通过定时读取 光电编码器即可达到测定车速进而实现速度闭环控制的目的 2 舵机转角与输入的PWM之间关系十分稳定 因此采用了直接根据信号给 定PWM的控制方法 即简单的P控制 3 电机转速由于受到电池电压 电机传动摩擦力 道路摩擦力和前轮转向 角度等等很多因素的影响 不能采用直接对应的控制方法 而应采用闭环控制 赛车的速度控制赛用的是 PID 算法 为了加快速度响应 又在期望速度与实际 速度相差较大时预先引入一个预先标定的开环函数 虽然开环函数由于前面说 到的原因不是很准确但如果只作为 PID 算法的初始值的话还是可以极大的加快 逼近速度的 P I 和 D 的系数要根据赛道情况进行调节 调节思路是这样的 当赛车响应不够快时 需要增大 P 项的系数 但是 P 项系数的增大会带来超调 量的增大 当超调量过大时 可以增大 D 项系数来改善稳态性能 I 项可以消 除稳态误差 但是会减慢赛车响应 具体调节时需要根据实际情况来进行参数 调整 参考文献参考文献 1 卓晴 黄开胜 邵贝贝 学做智能车 M 北京航空航天大学出版社 2007 3 2 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 10 3 童诗白 模拟电子技术基础 北京 高等教育出版社 2001 4 谭浩强 C程序设计 北京 清华大学出版社 2001 5 黄开胜 金华民 蒋荻南 韩国智能模型车技术方案分析 电子产品世界 2006 5 150 152 6 沈长生 常用电子元器件使用一读通 M 北京 人民邮电出版社 2004 7 黄惟一 胡生清 控制技术与系统 M 机械工业出版社 2006 2 8 周斌 刘旺 林辛凡 郝杰 黄开胜 智能车赛道记忆算法的研究 J 电子产品世界 2006 8 9 林红 周鑫霞 数字电路与逻辑设计 M 清华大学出版社 2005 11 10 阎石 数字电子技术基础 北京 高等教育出版社 1998 11 朱卫华 一种微机与单片机无线串行通信的设计方法 D 南华大学 2002 年8 月 12 王宜怀 嵌入式系统 使用HCS12微控制器的设计与应用 北京航空航天大学出社 13 徐科军 传感器与检测技术 第二版 电子工业出版社 2008年2月 14 吴晔 张阳 滕勤 基于HCS12嵌入式系统设计 电子工业出版社 15 张睿 Altium Designer 6 0原理图与PCB设计 电子工业出版社 2007年6月 16 肖玲妮 袁增贵 Protel 99SE印刷电路板设计教程 M 清华大学出版社 2004 10 17 张义和 Altium Designer完全电路设计电路板篇 机械工业出版社 18 张国雄 金篆芷 测控电路 M 机械工业出版社 2001 19 陶永华 尹怡欣 葛芦生 新型PID控制及其应用 北京 机械工业出版社 1998 20 张宇河 董宁 计算机控制系统 北京 北京理工大学出版社 2002 21 邓兆祥 褚志刚等 汽车前轮定位参数优化设计 重庆大学机械传动国家重点实 验室 22 李太福 基于在线参数自整定的模糊PID 伺服控制系统 J 交流伺服系统 2005 4 203 215 23 夏克俭 数据结构 算法 M 北京 国防工业出版社 2001 24 尹怡欣 陶永华 新型PID 控制及其应用 北京 机械工业出版社 1998 年 25 Malian Sonka Vaclav Hlavac Roger Boyle Image Processing Analysis and Machine Vision Second Edition M Thomson Learning and PT Press 19 26 Stevens A Safety of driver interaction with in vehicle information systems J Prcoceedings of the Institution of Mechanical engineers Part D Journal of Automobile Engineering 2000 214 6 639 644 致致 谢谢 在本次智能车大赛的准备期间 我们不断遇到问题 同时也不断解决问题 一个个问题的解决见证了我们这支队伍的成长 在此期间离不开老师 同学们 的大力支持 是他们的帮助让我们做得更好 我在这里要感谢院领导的重视和支持 感谢马世杰老师的悉心指导 感谢 学院里很多老师 同学的关怀和帮助 是你们让我们有了最好的展示平台和克 服困难的动力 我还要感谢我们团队 感谢我们彼此长期以来的团结合作 感谢彼此之间 的相互鼓励 我们永远铭记我们用汗水浇注的钢铁友情 袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈 螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅