基于飞思卡尔单片机的智能车设计毕业论文.doc

基于飞思卡尔单片机的智能车设计毕业论文目录0 前言11 概述21.1 智能车国外发展现状21.2 我国的发展现状21.3 本文的研究内容22 汽车模型机械结构的设计42.1 系统总体结构42.2 传感器的安装52.3 前轮定位52.3.1 主销内倾52.3.2 主销后倾52.3.3 前轮外倾62.4 舵机的安装与改进62.5 主控板的连接与固定72.6 重心调整72.7 差速调整82.8 防侧滑理论82.9 轮胎影响因素92.10 本章小结113 系统硬件电路设计123.1 智能车系统整体结构123.2 单片机最小系统设计123.2.1 HCS12X系列单片机简介123.2.2 MC9S12XS128性能概述133.3 电源管理模块173.4 电机驱动模块173.5 速度检测模块183.6 调试模块193.6.1 键盘模块193.6.2 LCD显示模块193.7 路径识别模块203.7.1 导线周围的电磁场203.7.2 双水平线圈方案223.7.3 感应磁场线圈253.7.4 信号选频放大253.7.5 幅度测量263.8 硬件的抗干扰措施273.9 本章小结284 软件设计294.1 总体控制流程图294.2 控制策略分析294.3 控制方法的选择及分析314.3.1 舵机调节324.3.2 模拟式PID调节334.3.3 数字式PID334.4 舵机控制策略354.4.1 赛道信息354.4.2 舵机控制策略354.5 各个模块初始化364.5.1 时钟模块初始化364.5.2 PWM模块初始化374.5.3 A/D模块初始化384.5.4 ECT模块384.6 本章小结395 技术经济分析406 结论416.1 系统调试416.2 总结416.3 展望42致谢44参考文献45附录A 译文46附录B 外文文献50附录C 部分程序56III0 前言 智能运输系统作为未来交通发展趋势之一，为解决城市交通拥挤和堵塞问题提供了有效途径。从八十年代以来，美国、日本、欧洲等发达国家和地区竞相投入巨额资金和大量人力，开始大规模的进行交通运输智能化的研究，取得了许多重要成果。而作为智能车高速系统（Intelligent Vehicle Highway Systems，简称IVHS）的重要一部份，智能车在世界各国的研究也随着计算机技术、网络技术、通讯技术的飞速发展而不断深入。本文以第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景，对智能车控制系统进行了深入的讨论，以作者参与制作的智能模型车为例简要介绍了智能模型车的设计制作全过程,主要涉及到机械、电子、传感器技术、驱动控制技术、自动控制、人工智能等多个领域的研究及技术融合。本系统虽然只是一个模型，但具有充份的科学性、实用性和先进性，对真实智能车控制系统所遇到的问题，都有所研究。1 概述1.1 智能车国外发展现状 韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，跑完整个赛程用时最短且技术报告评分较高的参赛队为获胜者。2000年智能汽车竞赛首先由韩国汉阳大学承办开展起来，每年全韩国大约有100余支大学生队伍报名并准予参赛，至今己成功举办了9届，得到了众多高校和大学生欢迎，也逐渐得到了企业界的极大关注。韩国现代公司自2004年开始免费捐赠了一辆轿车作为赛事的特等奖项。德国宝马公司也提供了不菲的资助，邀请3名获奖学生到德国宝马公司研究所访问，2005年SUNMOON大学的参赛者获得了这一殊荣。美国国防部已经成功举办了五届智能汽车大赛，美国国防部希望智能汽车最终能够用于军事，以使士兵更加安全。汽车制造商认为，人工智能系统将能帮助人们驾驶，最终完全承担驾驶任务；研究者希望他们的技术将有助于减少交通事故。1.2 我国的发展现状 我国于2006年8月举办第一届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛，此次比赛吸引了来自全国59所著名学校的112支代表队的参与，大赛分预赛和决赛两个阶段。每年一届，已成功举办四届，此项比赛吸引了来自全国的100多所著名学校的200多支代表队参与，由于参赛队较多，大赛分为分赛区比赛和全国总决赛。全国共分东北赛区、华北赛区、华东赛区、华南赛区及西南赛区五个分赛区。分赛区的前几名优胜者参加全国的总决赛。本届比赛在前几届比赛的基础上增加了赛道的难度，增加了弯道和蛇形道在整个赛道中的比重，在决赛中还增加了不同角度的坡道，这对参赛选手及智能模型车系统提出了更高的要求。通过比赛促进了高等学校素质教育，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。1.3 本文的研究内容1）查阅相关文献，根据比赛规则要求，设计制定智能模型车系统方案；2）选择及设计关键器件，并进行相应的标定实验及功能模块设计；3）智能模型车系统的整体硬件设计及研究；4）智能模型车系统的整体软件设计及研究；5）开发智能模型车系统开发平台；6）智能模型车系统的调试与优化。2 汽车模型机械结构的设计 智能车的设计涵盖了控制、模式识别、电子、机械等多个学科的知识，但是总的来说归纳为硬件和软件两个方面。对于智能车系统来说拥有稳定而结构合理的硬件是智能车在比赛中取得好成绩的基础。车体结构是硬件中一个很重要的方面，从控制的角度来说，这部分既是系统的执行机构又是被控对象。车模底盘参数优化和前轮参数优化等调整可以保证车体在机械结构方面具有良好的性能，使其拥有较强的执行能力，其重要性丝毫不亚于良好的控制决策，而保证被控对象的轻便与灵活同样有利于提高控制效果。机械结构部分工作主要包含传感器的安装、前轮注销倾向的调节、舵机的安装、主控板的连接与固定，干簧管的安装、驱动模块的安装、编码器的安装以及后轮差速的调整等。2.1 系统总体结构“飞思卡尔” 杯全国智能车竞赛采用了韩国爱得美公司生产的Matiz系列1:10模型车，如图2-1所示:图2-1车体机械图Fig.2-1 Chassiss mechanical drawing 该模型车底盘采用的是等长双横臂式独立悬架。当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，但车距会发生较大变化，故车轮发生侧向滑移的可能性较大。本章对相关的一些汽车理论知识进行研究，并就参数调整对车体性能的影响进行研究。2.2 传感器的安装传感器采用的是2个磁场检测电感一字均匀分布的布局安装，如图2-2所示。 传感器伸出车体一定的距离以获得相应的前瞻性1。图2-2 传感器的安装Fig.2-2 Sensor installation2.3 前轮定位调试中发现，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。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4 个项目决定，所使用的车模中，车轮和主销是平行的，调成了0度左右，适当的正前束可以提高连续转向的反应能力。主销内倾角给了一个适当的值，会更有利于过弯。2.3.1 主销内倾 主销内倾是指主销装在前轴，略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。2.3.2 主销后倾 主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。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，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用小。2.3.3 前轮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2。2.4 舵机的安装与改进 舵机响应速度是整车过弯速度的一个瓶颈。为了加快车轮转向速度，我们设计并安装了舵机转向机构。在并非改变舵机本身结构的条件下，将舵机竖立起来，加大两端的力臂，并使其力臂相等。通过实际测试，力臂的增大的确大大提高了模型车的转弯时的转向。舵机升高之后，直线行驶状态下的车轮定位参数尤其是前束值会发生变化，这时需要稍微调整两根转向拉杆的长度，将前束值调整至合理的范围内。摆臂加长后，舵机空程会明显，但是差别不大，通过程序微调舵机最大转角能够休整，所以可以忽略。图2-3舵机安装图Fig.2-3 Servo Installation Diagram2.5 主控板的连接与固定 采用接插件与焊接结合的方式连接传感器、主控板、编码器、电机驱动电路、电机、赛道起始检测等单元，既考虑可靠性，又兼顾结构调整与安装的便利性。具体安装结构如图2-4所示图2-4 主控板的连接与固定Fig.2-4 Connection with the fixed control board2.6 重心调整 汽车重心的改变会影响汽车的动力性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通用性等重要特性。考虑到赛车和赛道的情况，这里只介绍与动力性、制动性和操纵稳定性相关的理论。 附着力与路面附着系数和驱动轴的轴荷相关，而驱动轴的轴荷取决于重心的水平位置，故重心位置必须保证驱动轮能够提供足够的附着力。模型车为电机前后轮同时驱动，如果仅从此方面考虑，重心应该尽量靠近中心。而汽车制动性要求制动减速大、制动距离短，有良好的制动方向稳定性，不易发生前轮丧失转向、后轴侧滑和跑偏现象。制动方向的稳定性与前后轮的抱死次序有关，而抱死次序则与重心位置有关，若重心靠前，则容易发生后轮侧滑，对高速汽车危险性大；若重心后移，则前轮容易丧失转向能力。对于智能车模型来说，前轮丧失转向能力比后轴侧滑更加危险，故从此方面考虑，重心位置应靠近前轴。对于汽车的操纵性，操纵稳定性好就必须有不足转向特性，并且不足转向不应过大。谓不足转向性，是指转向盘保持一固定转角的情况下，缓慢加速或以不同车速等速行时，随着车速的增加，车辆的转向半径增大。相应的具有中性转向特性的汽车，其半保持不变，具有过多转向特性的汽车其转弯半径越来越小。汽车重心靠前则具备不足向性；重心靠后则具备过多转向特性3。 综合上面的理论可知:重心靠近后轴，对于模型车动力性能有益；重心靠近前轴，于模型车的制动性和操纵稳定性有益。考虑到智能车竞赛对于智能车的动力性高要求有操纵稳定性和制动性的要求高，所以可以在安装电路板、电池位置时，使型车的重心位置靠近前轴，从而提高智能车的整体性能。通过以上理论分析并结合大量实验，我们将汽车模型的重心调整在前后轴之间五分二左右的位置，并使其靠近前轴，这时智能车的行驶比较稳定，转向也比较灵活，行路线平滑。2.7 差速调整 差速机构的作用是在赛车转弯的时候，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。此次所使用赛车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，从而影响赛车的过弯性能。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。2.8 防侧滑理论 汽车侧滑分为前轮侧滑、后轮侧滑和四轮侧滑三种情况。前轮侧滑缓解了车辆转向角速度，路面较宽时危险性不大，其离心力因前轮侧滑而减小，所以一般能自行制止、缓解乃至消失。但后轮侧滑特别是转弯时外侧滑危险性极大，因为它会加大转向角速度，导致越滑越烈，如“抱死”，路面越滑，制动时间越长，侧滑也就越严重，其离心力（惯性侧翻力矩）也因侧滑而加大，当大于车辆重力的稳定力矩时就会翻车。四轮侧滑较少出现4。前轮定位参数、车速、轮胎气压、载荷和驱动方式都是引起前轮侧滑的因素，但前轮定位参数中前束值与外倾角匹配是影响前轮侧滑的最主要因素。基于前轮侧滑机理的分析，考虑轮胎侧偏特性和模型车结构参数的影响，建立前轮前束值与外倾角理论匹配关系： (2-1) 公式(2-1)中d为测量前束处的轮辋直径，L为模型车轴距，轮胎接地印迹长度为前轮外倾角，r为轮胎滚动半径。合理地调节这些参数，是前轮侧滑达到最小。 由前面的分析可知，后轮侧滑在模型车的运行过程中危害极大（尤其在过弯时），对模型车的过弯速度有很大的影响。经过我们的分析，假设模型车匀速过弯，那么它所受到的向心力是不变的，设为F1，将F1分解为平行于模型车的力F2和垂直于模型车的力F3，如图2-5所示： 图2-5转弯受力分析Fig.2-5 Turn stress analysis 其中F2将影响模型车的前滑力，而F3是阻止模型车侧向滑动的力，根据理论分析，我们认为当保持模型车过弯速度不变时（即保持向心力不变），减小F2即能增大模型车的防侧滑力F3，所以我们建立了一套较好的过弯算法，详细算法见软件算法一章。2.9 轮胎影响因素 轮胎对于车辆能够被很好的操控，是非常重要的。因为轮胎是车辆和地面的唯一联系，而这个联系仅仅取决于轮胎和地面的接触面的摩擦力。让我们来看看摩擦力是如何产生的。计算两个物体表面之间所产生的摩擦力的公式是： (2-2)其中是最大摩擦力， N为物体表面所受到的正压力，表示摩擦系数。 对于橡胶轮胎来说，摩擦系数并不是恒定的。它随着温度、压力，还有更重要的是它随着滑动量而改变5。图2-6是滑动量和摩擦力的关系： 在图中的横轴表示滑动量，从0%(没有滑动，轮胎仅仅是向前滚动)，到100%(轮胎垂直于地面且垂直于车辆行进的方向)。而纵轴表示摩擦系数，在图中左边的部分， 发生于轮胎内部的滑动处于支配的地位，就是常说的“轮胎蠕动”。当轮胎在压力下变形，且轮胎接地块偏离其纵轴运动，这种情况就会发生。这也产生了所谓的“测滑角(Slip Angle)”。在图中右边的部分，在两个表面之间的滑动处于支配地位。这时候，轮胎会有一些横向滑动。应该注意的是：当轮胎产生少量的横向滑动(通常在5%到15%之间)时，摩擦系数达到了最大值。这是因为轮胎跟地面接触的方式其实是非常特别的，其中包含两个不同的机械作用：变形力和粘合力。当压在轮胎上的重量或滑动量发生改变的时候，这两个因素的比例就会发生改变。举例说：当滑动量比较大的时候，变形力就会大于粘合力，占支配地位。 当橡胶的复合成分(compound)非常软，而且稳定较高、路面也比较平滑的时候 ，粘合力就会占支配地位4。滑动量0100%摩擦系数图2-6滑动量与摩擦力系数关系Fig.2-6 The relationship of slippage and friction coefficient 在图中的横轴表示滑动量，从0%(没有滑动，轮胎仅仅是向前滚动)，到100%(轮胎垂直于地面且垂直于车辆行进的方向)。而纵轴表示摩擦系数，在图中左边的部分， 发生于轮胎内部的滑动处于支配的地位，就是常说的“轮胎蠕动”。当轮胎在压力下变形，且轮胎接地块偏离其纵轴运动，这种情况就会发生。这也产生了所谓的“测滑角(Slip Angle)”。在图中右边的部分，在两个表面之间的滑动处于支配地位。这时候，轮胎会有一些横向滑动。应该注意的是：当轮胎产生少量的横向滑动(通常在5%到15%之间)时，摩擦系数达到了最大值。这是因为轮胎跟地面接触的方式其实是非常特别的，其中包含两个不同的机械作用：变形力和粘合力。当压在轮胎上的重量或滑动量发生改变的时候，这两个因素的比例就会发生改变。举例说：当滑动量比较大的时候，变形力就会大于粘合力，占支配地位。 当橡胶的复合成分(compound)非常软，而且稳定较高、路面也比较平滑的时候 ，粘合力就会占支配地位4。2.10 本章小结本章对智能车系统机械结构的设计与调试进行了阐述。首先结合汽车理论和大量的实验对智能车前轮主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角、车轮前束等前轮定位参数进行了调整，使智能车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，并减少轮胎的转向零件磨损等。然后介绍了汽车在正常行驶中发生侧滑的原因与减小侧滑的方法，通过调整车体的重心、质量、底盘参数以及前轮定位能够减小了智能车运行过程中发生侧滑的可能性。3 系统硬件电路设计本智能车系统采用“飞思卡尔”单片机MC9S12XS128作为核心控制单元，由安装在智能车前部的电磁传感器获得赛道空间磁场信息并传到核心控制单元单片机中，由智能车“大脑”接收并处理从传感器传回的信息，PWM模块产生相应的PWM波，通过输出不同占空比控制智能车的转向舵机与直流电机，以实现控制智能车按照规定赛道行驶。 为了使智能车能够更加快速稳定的行驶，S12 单片机必须把对赛道路径的判断、转向舵机的角度控制以及对直流电机的控制紧密的联系在一起。不论是某一路采集信号的误判还是单片机对转向伺服电机控制的失当，都会引起智能车在行驶过程中产生抖动甚至偏离赛道。所以，对智能车总系统设计的合理性和科学性就显得尤为重要。本章详细介绍了智能小车系统的整体结构以及其硬件设计。3.1 智能车系统整体结构 智能车控制系统以单片机为核心，包括舵机和为小车提供动力的直流电机两个执行机构、安装在小车前方的寻迹传感器、安装在齿轮上的测速传感器等反馈机构、以及为系统各部分提供电源的电源管理模块等。舵机通过车模的机械装置实现小车的转向控制，直流电机为小车提供动力，通过齿轮啮合直接对前后轮提供驱动力。模型车的硬件结构分为路径识别模块、速度检测模块、电机驱动模块和电源管理模块等几个部分，结构框图如图3-1所示：图3-1 智能车系统整体结构图Fig.3-1 Intelligent car system structure3.2 单片机最小系统设计3.2.1 HCS12X系列单片机简介Freescale 公司的16位单片机主要分为HC12 、HCS12、HCS12X三个系列Freescale公司的16位单片分为HC12、HCS12、HCS12X三个系列。HC12核心是16位高速CPU12核，总线速度8MHZ；HCS12系列单片机以速度更快的CPU12内核为核心，简称S12系列，典型的S12总线速度可以达到25MHZ。HCS12X系列单片机是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增强型产品，基于S12 CPU内核，可以达到25MHz的HCS12的2-5倍性能。总线频率最高可达40 MHz。S12X系列单片机目前又有几个子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XF系列、MC9S12XH系列和MC9S12XS系列。MC9S12XS128就是S12X系列中的一个成员5。3.2.2 MC9S12XS128性能概述 MC9S12XS128作为S12系列的一种，这种单片机的中央处理器CPU12由以下三部分组成：算术逻辑单元ALU、控制单元和寄存器组。CPU外部总线频率为8MHz，内部运算速度为25MHz。寻址方式有16种。内部寄存器组中的寄存器、堆栈指针和变址寄存器均为16位。它具有很强的高级语言支持功能，内部资源非常丰富，主要有以下部分：时钟和复位模块PLL(锁相环模块)COP看门狗时钟监控存储器128KB Flash 2KB EEPROM8KB RAM16通道A/D转换模块 ADC可选8位、10位、12位精度具有外部触发转换功能增强型捕捉定时器16位主计数器，7位分频系数8个输入捕捉通道或输出比较通道2个8位或1个16位脉冲计数器8路PWM通道可编程周期以及占空比8位8路/16位4路PWM独立控制各路PWM的周期和占空比中间对齐和左对齐输出频率范围宽的可编程时钟选择逻辑紧急时刻快速关闭输出串行接口两个异步串行通信接口模块SCI1个IIC总线接口2个同步串行外设接口SPI3个1M/S，CAN2.OA，CAN2.OB兼容模块背景调试模块（BDM）封装：LQFP-112和LQFP-80图3-2 单片机系统Fig.3-2 MCU system 单片机系统电路图如图3-2所示，虽然单片机将CPU、ROM、RAM以及IO统统集成在一个集成电路芯片中，但仍需要一些外部电路的支持，这些外围电路主要为单片机系统提供电源、时钟、IO驱动、通信口等6。MC9S12XS128的最小硬件系统可以分为以下几个部分:1）供电电路：开发板的供电是靠外部+5V电源，通过外部电源提供的。S12单片机片 较高的I/O电平有利于抗外界干扰，所以S12单片机特别适合于那些工作环境恶劣的控制系统。由于S12单片机内部集成了电压调整器模块，电压调整器模块产生单片机内部需要的其他电压，因此只要向S12单片机提供+5V外部电源就可以了。为了稳定这些不同的电压，需要外接一些电容，这些电容有两类，电容值比较大的如luF、10uF等称为储能电容，储能电容消除吞吐数字电路1变0，0变1，即三极管导通、截止时的电流变化；另一类电容值较小的电容如0.luF，0.0luF的称为去藕电容，去掉单片机运行产生的高频躁声。在单片机电源端使用电容和电感进行滤波，保证单片机工作的稳定性7。 2）时钟电路：主要由石英晶体振荡器和一些电容、电阻组成，虽然单片机可以由集成到单片机内部的RC振荡器产生单片机工作需要的时钟，但这种简单的时钟电路频率的稳定性得不到保证，不如使用外部晶振来得稳定。其外部晶振电路有两种接线方式，一种是串联振荡电路，另一种是并联振荡电路。在智能模型车控制系统的主板设计中，我们采用并联振荡电路。 图3-3 晶振电路Fig.3-3 The circuit of crystal oscillator 3）复位电路：虽然单片机片内集成有上电复位电路，单片机上电时可自动产生复位信号，但加上一个手动复位按钮会给调试带来方便。一般的人使用的阻容复位稳定性较差，常常有按了复位没反应，要按一段时间才能复位的经历。而且如果使用上电复位，容易产生复位不成功。电容的温度性比较敏感，在特殊环境中，复位的电平宽度变化十分大，造成芯片不动作，或者在强干扰下误动作。复位监控器件，主要可以大大提高MCU的复位性能，其原理是通过确定的电压值（阈值）启动复位操作，同时排除瞬间干扰的影响，又有防止MCU在电源启动和关闭期间的误操作，保证数据安全。本设计采用专门的复位芯片IMP811S，如图3-4所示：图3-4 复位电路Fig.3-4 The circuit of resett 4）BDM下载线接口电路：当单片机进入BDM模式之后，上位机可以通过BDM接口单片机下载程序，进行在线调试，BDM方式是单片机开发的最根本的调试方式。BDM接口通信示意图如图3-5所示：图3-5 BDM下载电路Fig.3-5 The circuit of BDM download完成这4部分电路，就可以对单片机进行开发，可以向单片机下载程序、调试程序等，可以在此基础之上进行进一步的开发。3.3 电源管理模块 智能车虽以车为主体，但其任何行动完全由其电路控制。模型车通过自身系统，采集赛道信息，获取自身速度信息，加以处理，由芯片给出指令控制其前进转向等动作，各部分都需要由电路支持，电源管理尤为重要。一旦电源出现问题，各部分电路的功能将受到很大的影响。电源系统是整个系统能否稳定工作的关键所在，大赛规定使用6节相同型号的镍镉电池串联起来从而得到7.2V，其标称容量为2000mAh，该电池可在2A的工作电流下持续工作1小时。电源模块整体工作框图如图3-6所示：图3-6 电源管理模块框图Fig.3-6 The module of power management 为了保证各个部件的正常工作，电源的供给是十分重要的，单片机系统、舵机、编码器等电路工作的电压不同，需要想办法来使得电压满足各自的需求，一种是利用升压或者降压的芯片来达到要求，另一种方法是利用双电源供电的方法来实现各模块的不同需要，由于电路模块较多，该方案中仍需要升压或者降压芯片。而且在电路设计中，考虑到由于电机驱动所引起的电源不稳定，在电源输入端各芯片电源引脚多加入滤波电路。因此我们利用AMS1117-5稳压芯片将电源电压稳压到5V。AMS1117-5稳压芯片有两个版本：固定输出版本和可调版本，固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%精度，发热小，稳压需要很小压差；AMS1117-5内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。其电路如图3-7所示：3.4 电机驱动模块 BTS7960的芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平，使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平；IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。IS引脚是电流检测输出引脚。图3-7 AMS1117-5应用电路Fig.3-7 The application circuit of AMS1117-5图3-8 电机驱动模块Fig.3-8 The module of motor driver 3.5 速度检测模块编码器用于电机测速，是电机闭环控制的关键检测反馈元件。电磁编码器的安装精度较高，要求编码器轴与赛车后轴同轴，通过齿轮与赛车差速器相联。采用每转500线的编码器通过齿轮传动安装，固定于赛车尾部。安装部位结构如图图3-9所示：图3-9 实际安装Fig.3-9 The actual installation3.6 调试模块3.6.1 键盘模块 我们采用4个按键构成键盘，四个键用于调试参数。由于单片机IO口内部有上拉电阻，按键可不接上拉电阻，串联一个小的限流电阻接地，输出口接单片机IO口。当没有键按下时，IO读入高电平，有键按下是，IO口读入低电平，电路如3-10所示。图3-10 按键电路Fig.3-10 The circuit of key 3.6.2 LCD显示模块 显示与键盘模块主要做调试用，此模块配合操作系统能发挥很大的功能。LCD采用小巧的手机液晶屏5110，主要用于小车调试时，显示跑道参数，和各可控单元参数等。键盘是4个按键，主要用作各参数的设定，保存等任务。3.7 路径识别模块3.7.1 导线周围的电磁场根据麦克斯韦电磁场理论，交变的电流会在周围产生交变的电磁场。智能汽车竞赛使用路径导航的交流电流频率为20KHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。甚低频率范围处于工频和低频电磁波中间，为3KHz30KHz，波长为100km10km。如下图所示： 图3-11 电流周围的电磁场示意图 Fig.3-11 Electromagnetic field around current schematic导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，这正是我们进行电磁导航的目的。由于赛道导航电线和小车尺寸l远远小于电磁波的波长，电磁场辐射能量很小，所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此，我们将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，从而进行位置检测7。 由毕奥-萨伐尔定律知：通有恒电流I长度L的直导线周围产生磁场，距离导线距离r处p点的磁感应强度为： (3-1) 由此得： (3-2)对于无限长直电流来说，上式中则有： (3-3)由图3-13可见，感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上的磁场强度大小相同，并随着距离导线的半径r增加成反比下降。 图3-12 直线电流的磁场Fig.3-12 Linear Current Magnetic图3-13：无限长导线周围的磁场强度Fig.3-13:Infinite field strength around the wire 导线中的电流按照一定规律变化时，导线周围的磁场也将发生变化，这线圈中将感应出一定的电动势。根据法拉第定律，线圈磁场传感器的内部感应电压E与磁场、电磁线圈的圈数N、截面面积A的关系有： (3-4) 感应电动势方向可以用楞次定律来确定。 由于本设计中导线通过的电流频率较低位20KHz，且线圈较小，令线圈中心到导线的距离为，认为小范围内磁场分布是均匀的。再根据导线磁场分布规律，则线圈中感应电动势可近似为： (3-5) 即线圈中的感应电动势的大小正比于电流的变化率，反比于线圈中心到导线的距离。其中常数k与线圈摆放的方法、线圈面积和一些物理常量有关的一个量，具体的感应电动势常量需要实际测定来确定。3.7.2 双水平线圈方案 人类对于磁场的认识和检测起源很早，我国古代人民很早就通过天然铁来感知地球磁场的方向，从而发明了指南针。但是对于磁场定量精确的测量以及更多测量方法的发现还是在二十一世纪初期才得到了突飞猛进的发展。（电磁感应、霍尔效应、磁滞电阻效应）、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量原理以及相应的传感器：（1）电磁感应磁场测量方法：电磁线磁场传感器，磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器。（2）霍尔效应磁场测量方法：半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。（3）各向异性电阻效应（AMR）磁场测量方法。（4）载流子自旋相互作用磁场测量方法：自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋阀三极管磁场 传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。（5）超导量子干涉（SQUID）磁场测量方法：SQUID薄膜磁敏元件。（6）质子磁进动磁场测量方法。 以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大，G。我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。 通电导线周围的磁场是一个矢量场，场的分布如上图所示。如果在通电直导线两边的周围竖直放置两个轴线相互垂直并位于与导线相垂直平面内的线圈，则可以感应磁场向量的两个垂直分量，进而可以获得磁场的强度和方向。 不同的线圈轴线摆放方向，可以感应不同的磁场分量。我们先讨论一种最简单的线圈设置方案：双水平线圈检测方案。在车模前上方水平方向固定两个相距L的线圈，两个线圈的轴线为水平，高度为h，如下图所示：图3-14 双水平线圈检测方案Fig.3-14 Dual horizontal coil detection scheme为了讨论方便，我们在跑道上建立如下的坐标系，假设沿着跑道前进的方向为z轴，垂直跑道往上为y轴，在跑道平面内垂直于跑到中心线为x轴。xyz轴满足右手方向。 假设在车模前方安装两个水平的线圈。这两个线圈的间隔为L，线圈的高度为h，参见下图3-15所示。左边的线圈的坐标为（x,h,z），右边的线圈的位置(x-L,h,z)。由于磁场分布是以z轴为中心的同心圆，所以在计算磁场强度的时候我们仅仅考虑坐标(x,y)。由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量。根据上面(3-5)公式可以知道感应电动势大小与成正比8。 图3-15 感应线圈的布置方案Fig. 3-15 induction coil arrangement scheme假设h=5cm，x（-15，+15）cm，计算感应电动势随着线圈水平位置x的变化取值，如下图所示： 图3-16 感应电动势与x的函数Fig.3-16 Induced electromotive force as a function of x如果只是用一个线圈，感应电动势E是位置x的偶函数。为此，我们可以使用相距长度为L的两个感应线圈，计算两个线圈感应电动势的差值： (3-6) 下面假设L=30cm，计算两个线圈电动势差值如下图所示： 图3-17 感应电动势差值与x函数Fig.3-17 EMF difference function with x 从上图可以看出，当左边线圈的位置x=15cm的时候，此时两个线圈的中心恰好处于跑道中央，感应电动势差值Ed为0。当线圈往左偏移，x（15,30），感应电动势差值小于零；反之，当线圈往右偏移，x(0,15)，感应电动势大于零。因此在位移030cm之间，电动势差值Ed与位移x是一个单调函数。可以使用这个量对于小车转向进行负反馈控制，从而保证两个线圈的中心位置跟踪赛道的中心线。通过改变线圈高度h，线圈之间距离L可以调整位置检测范围以及感应电动势的大小。我们需要选择合适车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低，价格比较高。因而我们选取最为传统的电磁感应线圈，它具有原理简单、价格便宜、体积小、频率响应快、电路实现简单等特点。感应线圈可以自行绕制，也可以采用市面上的工资电感。3.7.3 感应磁场线圈检测线圈可以自行绕制，也可以使用市场上能够比较方便购买的工字型10mH的电感。如下图所示。图3-18 电感Fig.3-18 Inductance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。如下图所示： 图3-19 工字磁材电感Fig.3-19 The word magnetic inductance3.7.4 信号选频放大使用电感线圈可以对其周围的交变磁场感应出响应感应电动势。这个感应电动势信号具有以下特点：（1）信号弱：感应电压只有几十个毫伏。在检测幅值之前必须进行有效的放大，放大倍数一般要大于100倍（40db）。（2）噪声多：一般环境下，周围存在着不同来源、不同变化频率的磁场。如下表所示：表1 典型的环境磁场强度范围Tab.1 Typical environmental magnetic field intensity range磁场环境家用电器一米范围地表面地球磁场工业电机和电缆十米范围内塞到中心导线周围0.5米磁场性质 50HZ 恒定 50HZ20KHZ磁场强度10-3-10-2 0.2-0.5 1-10010-4-10-2（3） 比赛选择20kHz的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得20kHz的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。 图3-20 为RLC并联谐振Fig.3-20RLC parallel resonant 上述电路中，E是感应线圈中的感应电动势，L是感应线圈的电感量，R0是电感的内阻，C是并联谐振电容。上述电路谐振频率为： 。已知感应电动势的频率感应线圈电感为L=10mH，可以计算出谐振电容的容量为： (3-7)通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为6.8nF所以在实际电路中我们选用6.8nF的电容作为谐振电容。3.7.5 幅度测量测量放大后的感应电动势的幅值E可以有多种方法。最简单的方法就是使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，然后再通过单片机的AD采集获得正比于感应电压幅值的数值。图3-21传感器电路Fig.3-21 Sensor circuit3.8 硬件的抗干扰措施 硬件干扰的基本要素有三个： 1）干扰源：指产生干扰的元件、设备或信号。如雷电、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。 2）传播路径：指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。 3）敏感器件：指容易被干扰的对象。如A/D、D/A变换器、CPU、弱信号放大器等。 因此，抗干扰设计的基本原则就是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。 基于以上抗干扰设计的原则，在控制器的PCB板设计时，应注意以下几点： 1）抑制干扰源 每个IC并联一个0.011高频电容，以减少IC对电源的影响。 布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。2）切断干扰传播途径 在系统各芯片的电源输入端增加滤波电路，减少电源噪声的干扰。 注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。 电路板合理分区。强、弱信号，数字、模拟信号相隔离。尽可能把干扰与敏感元件远离。 在单片机口线，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件，如磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩等，可显著提高电路的抗干扰性能。 3）提高敏感器件的抗干扰性能 布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。 布线时，电源线和地线要尽量粗。可减小压降，并降低耦合噪声。 将各芯片所有未用输入引脚全部接数字地，所有未用输出引脚全部接数字回路的电源。 IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。3.9 本章小结可靠的硬件电路是所有电子系统稳定可靠运行的关键，本章在分析的基础上对智能车系统单片机系统、电源管理模块、电机驱动模块、路径识别模块、以及速度检测模块等部分的硬件电路进行了设计，保证系统的可靠运行。同时分析了系统的抗干扰措施。4 软件设计根据此次我们对于智能车的整体设计方案，我们从传感器得到的外部信息输入有：电磁传感器得到的中心线位置、速度传感器得到的智能车即时速度。要进行的外部控制输出有：舵机转向输出、驱动电机动力输出、以及调试用的状态信息通过LCD显示输出。良好的控制才能提高车子的平均速度，增加智能车的稳定性，因此就要对小车的行驶速度和行驶方向进行控制算法研究，本文采用了PID控制电机速度，PD控制舵机角度。4.1 总体控制流程图整个系统由单片机为主控MCU，对模拟和数字传感器信号进行采集处理，并对输出的PWM分别控制，进行舵机和电机的控制，控制舵机来决定赛车的角度，通过电路驱动来控制电机，决定赛车的速度。另外使用编码器采集速度值，作为辅助速度控制。智能小车的控制软件采用模块化的程序结构。程序整体框架如图 4-1所示。图4-1 总体控制流程图Fig.4-1 The flow chart overall control 4.2 控制策略分析由于赛车在行驶路线上有很多的选择，所以净速度快的赛车在比赛中是有优势的，而在硬件条件成熟之后，赛车在直道上和弯道上的速度都是有极限的。比赛中经常会看到净速度很快的车却不能取得好成绩，甚至不能完成比赛，原因分析如下：如果赛车在通过弯道时路径不合理或者速度过快都容易发生侧滑或者侧翻，这两种现象都会造成赛车的失控，是很危险的。侧翻现象可以通过降低汽车重心的办法来避免。侧滑现象与几个因素有关:汽车的速度、转弯半径以及地面的附着力。在地面附着力一定的情况下，减小汽车行驶速