【第五届智能车技术报告】合肥工业大学电磁队—技术报告

1第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛基于电磁场检测的自主寻迹智能车设计技术报告学校合肥工业大学队伍名称电磁队参赛队员褚向华杨冰刘丹带队教师张阳史久根2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四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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。参赛队员签名带队教师签名日期3目录第一章引言111研究背景介绍112研究内容和意义113章节安排2第二章智能车跑道电源设计2第三章智能车系统硬件设计631硬件设计概述632处理器模块设计733路径探测模块设计8331感应电路设计10332放大电路设计12333滤波电路设计14334二值化电路设计15335电感的选择1634直流电机驱动模块设计1635舵机驱动模块设计1736测速模块设计1837无线通讯模块设计1838电源管理模块设计19第四章智能车系统软件设计2041探测数据处理程序设计2042电机PID控制程序设计21421位置式PID算法22422增量式PID算法2243舵机控制程序设计2644通讯程序设计2645智能车系统流程图27第五章智能车系统调试28451路径探测模块调试2852舵机调试3153直流电机控制及测速调试3154系统调试32第六章模型车的各项参数32第七章结论33附件参考文献34程序351第一章引言11研究背景介绍本课题来源于“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛。“飞思卡尔”杯智能车竞赛是教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养而举办的面向全国大学生的智能汽车比赛。“飞思卡尔”杯智能车大赛从2006年开始举办，今年是第五届。该竞赛是为了提高大学生的动手能力和创新能力而举办的，具有重大的现实意义。在2006年至2009年举办的“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛中，参赛的队伍分光电组和摄像头组两个组别。2010年将要举办的第五届飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛增加了新的组别“电磁组”。根据比赛技术要求，参加电磁组竞赛的选手设计的智能车要能够检测到道路中线下导线中20KHZ交变电流产生的磁场来导引小车沿着道路行驶。12研究内容和意义本系统研究的内容有跑道电源设计、智能车系统硬件设计、智能车系统软件设计和智能车系统调试。在平时调试过程和比赛中，需要能够满足比赛技术要求的可以提供20KHZ的脉冲信号的电源驱动赛道中心线下的导线。本课题要求设计出能够满足比赛技术要求的电源。智能车要能够完成路径识别、舵机驱动、直流电动机驱动、小车行驶速度测量、无线通讯和永磁铁位置探测等功能。本课题要求设计出能够实现这些功能的电路，完成相应程序的编写，完成系统的整体调试。该竞赛与其他全国竞赛的不同之处在于它是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，这对进一步深化高等工程教育改革，培养本科生获2取知识、应用知识的能力及创新意识有重要意义。智能车的研究很有应用前景，对无人驾驶汽车控制的研究能起到引导的作用。同时对提高驾驶安全，提升汽车功能等的研究具有重要意义。为了满足该组别的参赛要求，将对该项课题进行研究，使赛车具备参赛能力。13章节安排本技术报告总共分为七个章节。第一章节是引言，主要介绍研究背景、内容及意义等。第二章节是智能车跑道电源设计说明，主要内容是对跑道路径设计的概述。第三章节是智能车系统硬件设计说明，主要对小车系统的各个模块的设计进行概述，包括处理器、路径探测、直流电机、舵机、测速、无线通信、电源管理等模块，其中重点阐述路径探测模块。第四章节是智能车系统软件设计说明，主要内容是智能模型车设计中探测数据的处理、电机和舵机的控制理论、算法说明和程序的框架等。第五章节智能车系统调试的说明，主要内容是路径探测、电机、舵机、测速的调试，以及系统的整体调试。第六章节是模型车的各项参数，包括车模基本尺寸，电路功耗以电容总容量等。第七章节是结论，对本模型车的特点、存在的问题、可行的改进措施等。第二章智能车跑道电源设计在平时调试的过程和比赛中，需要可以提供20KHZ的方波信号的电源驱动赛道中心线下的导线。接通电源后，赛道中心线下的导线中有交变的电流流过。变化的电流在导线周围产生变化的磁场。小车能够检测到这种磁场来沿着路径行驶。跑道电源的技术要求如下31）驱动赛道中心线下铺设的0103MM直径的导线；2）频率范围20KHZ2KHZ；第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告33）有效电流范围50100MA。跑道电源主要有振荡电路、功率放大电路、恒流控制电路等部分组成，如图21所示。图21跑道电源框图电阻R1、R2共同用于调节振荡电路输出脉冲信号的频率和占空比。调节R1、R2的阻值可以使振荡电路输出20KHZ的方波信号。功率放大电路时被放大。功率放大电路用于放大振荡电路的输出信号。R3用于调节流经输出端所接导线的电流。跑道电源的振荡电路是利用电容充放电原理设计的。振荡电路原理图如图22所示。图22振荡电路原理图当NET0端为低电平时，NET1端为高电平，NET2端为低电平。此时，有电流第二章智能车跑到电源设计4流经R2、D1对电容充电，充电时间与R2、C1的值成正比关系。随着充电过程的进行，NET0端的电压不断升高。当NET0端的电压达到一定值后，NET1端的电压开始降低。NET1端电压降低到一定值后，NET2端电压开始升高。当NET2端的电压升高后，NET0端的电压进一步升高。这又促使NET1端的电压进一步降低，促使NET2端的电压进一步升高。最后NET0、NET2端变为高电平。当NET0端的电压变为高电平后，有电流从NET0端经R1、D2流向NET1，电容开始放电。电容放电时间与R1、C1的值成正比关系。随着放电过程的进行，NET0端的电压不断降低。当NET0端的电压降到一定值后，NET1端的电压开始升高。当NET1端的电压升高到一定值后，NET2端的电压开始降低。NET2端的电压降低，促使NET0端的电压进一步降低。这又促使NET1端的电压进一步升高，促使NET2端的电压进一步降低。最后NET0、NET2端变为低电平。电容C1的充电放电过程是重复进行的，因此NET2端不断有高低电平产生。非门NOT3将NET2端的电平转化为标准的逻辑电平，NET4端有相反的逻辑电平产生。振荡电路产生的信号用L298N驱动集成电路来放大。功率放大原理图如图23所示。INPUT1口、INPUT2口分别接振荡电路的NET3、NET4端。EN_A为使能端，高电平使能。SE_A端接恒流控制电路。OUT1、OUT2端接导线。图23功率放大原理图当INPUT1端为高电平时，INPUT2端为低电平。从图24可以看出，此时第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告5OUT1端输出高电平，OUT2端输出低电平。若用导线连接OUT1和OUT2，将有电流从OUT1流向OUT2。当INPUT1端为低电平时，INPUT2端为高电平。此时，OUT1端输出低电平，OUT2端输出高电平。若用导线连接OUT1端和OUT2端，将有电流从OUT2端流向OUT1端。因此，OUT1端和OUT2端有矩形波信号产生，矩形波频率与振荡电路输出的方波信号频率相同。矩形波信号有正电平和负电平，如图24所示。图24OUT1端和OUT2端输出信号波形对功率放大电路的恒流控制是利用三极管的电流放大特性实现的。恒流控制电路原理图如图25所示。图25恒流控制电路原理图调节电位器R22，可以调节三极管射极输出电流。三极管的MA端接L298N的SE_A端，因此三极管Q21对L298N的输出电流有限制作用。通过调节电位器R22，可以控制L298N的最大输出电流。当赛道的长度发生变化时，赛道中心线下导线的阻值也随之发生变化。当导线的阻值较小时，采用12V直流电源为L298N的VS端供电，可以满足电流要求。当导线的阻值超过200时，适宜采用更高电压直流电源为L298N的VS端供电，例如25V直流电源。6第三章智能车系统硬件设计31硬件设计概述为了实现寻迹的目的，电磁小车应该具备探测路径信息的功能，并根据测得的路径信息进行方向控制。小车的前进动力是直流电机提供的，为了更好的控制行驶速度，小车应具备测量速度的功能。为了更好的了解小车行驶的信息，需要将小车的一些数据通过无线通讯的方式发送到PC机。同时需要对各个模块提供不同的电压。为了实现这些功能，小车应具有处理器模块、路径探测模块、直流电机驱动模块、舵机驱动模块、测速模块、无线通讯模块和电源管理模块等。智能车系统硬件框图如图31所示。电源管理模块直流电机驱动模块测速模块MC9S12XS128路径探测模块舵机驱动模块无线通讯模块PC机图31智能车系统硬件框图处理器芯片选用的是MC9S12XS128单片机，处理器模块主要完成路径探测信号的处理、直流电机和舵机的控制、与PC通讯等功能。路径探测模块通过探测跑道电源的磁场完成路径探测的功能。舵机驱动模块完成改变智能车前进方向的功能。直流电机模块为智能车提供前进动力。测速模块定时测量智能车的7前进速度。无线通讯模块完成将单片机发出的信号转发给PC机并将PC机发出的信号转发给单片机的功能。电源管理模块提供给各个模块所需的电压。32处理器模块设计MC9S12XS128单片机有112引脚和80引脚两种封装。本系统选用的是112引脚LQFP封装的单片机。LQFP112引脚封装MC9S12XS128MCU的特性128KFLASH8KBRAM2KBDATAFLASH16通道、12位ATD8路带有输入捕捉、输出比较功能的定时器8路、8位或4路、16位PWM1路1MBPSCAN20总线模块2路SCI1路SPI最多91个GPIO本系统采用5V电源为单片机供电，采用IMP811LEUST芯片作为电源监控芯片。IMP811是在低功耗微处理器、微控制器和数字系统中用来监视30V、33V和50V电源工作的低功耗监控电路，具有去抖动的手动复位输入。只要电源电压降至预置的复位门限以下时，该电路就发出一个复位信号并在电源已经升高到此复位门限后至少保持这个信号140MS。IMP811具有低电平有效的RESET输出。器件具有紧凑的4引脚SOT143封装，仅占用极小的电路板空间，是便携式及电池供电设备的理想选择。路径识别模块输出的是十二位数字信号。十二位数字信号经单片机的PAD00PAD11I/O口传输给单片机。PAD00PAD11端各接一个滤波电容，用7于第三章智能车系统硬件设计8滤除噪声的干扰，如图32所示。图32PAD00PAD11和PT0接口电路利用拨码开关设定参数，完成对单片机的控制。拨码开关电路如图33所示。拨码开关有八位，每位可以独立开合。PH0PH7端分别接单片机的PH0PH7I/O端口。当开关闭合时，相应端为低电平。当开关断开时，相应端为高电平。改变拨码开关的开合状态，可以改变单片机PH口的值，单片机根据从PH口读到的值进行相应的操作，从而实现了对单片机的控制。图33拨码开关电路33路径探测模块设计赛道中心线下的导线是用可以提供20KHZ的脉冲信号的跑道电源驱动的。导线中有变化的电流流过，从而在跑道周围产生变化的磁场。路径识别模块能够探测到这个变化的磁场，并将探测到的信号转化为数字信号。由于通过漆包线的是脉冲信号，流过漆包线的电流在某一时刻是恒定的。当通过漆包线的电流处于恒定状态时，产生的磁场很小，为107GS（距离漆包线1CM处）。市场上出售的价位较低的磁传感器的分辨率多为103GS；分辨率高的磁传感器价格昂贵不适合用来参与比赛。采用何种方案探测磁场将最终影响第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告9智能车的性能。目前探测磁场的方法主要有A电磁感应法电磁感应法是以法拉第电磁感应定律为基础的磁场测量方法，即使用电感或者线圈进行探测。它的灵敏度取决于铁心材料的磁导率、线圈的面积和匝数。B霍尔效应法霍尔效应是指当外磁场垂直于金属或半导体中流过的电流时,会在金属或半导体中垂直于电流和外磁场方向产生电动势的现象。利用集成霍尔元件可以检测大小103GS的恒定或者交变磁场。C磁阻效应法磁阻效应是指某些金属或半导体材料在磁场中其电阻随磁场增加而升高的现象。而所谓“磁阻”,就是由外磁场的变化而引起的电阻变化。具体测量中,如果进行适当的温度补偿,测量的准确度可以达到001,并有105T的分辨力。D电磁复合效应法电磁复合效应法是利用电磁复合器件在磁场作用下其内阻发生变化的原理来测量磁场的方法。目前,电磁复合器件已经做成磁敏二极管、磁敏三极管和磁敏MOSFET管等多种器件形式。电磁复合效应法主要用于弱磁场的测量,是因为其线性特性好、灵敏度高甚至比霍尔器件还灵敏。B、C、D三种方案不适合用来测量这种强度的磁场。流经导线的电流变化时，导线周围的磁场也随之发生变化。在导线的附近放一个线圈，有磁场穿过线圈。记线圈的磁通量为。电流变化所用的时间十分短。在时间内，磁TDTD通量也发生变化，记变化量为。由法拉第电磁感应定律公式（公式31）TDKE第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告9第三章智能车系统硬件设计10可知，当磁场变化时，在导线附近的线圈中有较大的感应电动势产生。因此可以采用电磁感应法探测磁场来实现路径识别。路径探测模块的信号流经四个部分。线圈感应变化的磁场得到电磁感应信号；放大电路对电磁感应信号进行放大；放大后的信号经过滤波后，变为近似的直流信号；最后，比较电路将信号进行二值化。路径探测模块的信号流程图如图34所示。路径探测模块共有十二路这样的信号通道。电磁感应信号信号放大信号滤波数据二值化图34路径探测模块的信号流程框图331感应电路设计将电感按图35所示的位置放置，当导线接到跑道电源输出端时，电感的两端有感应电动势产生。电感两端的输出信号波形如图36所示图35电感的放置位置第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告11图36电感在两端的输出信号从图36可以看出电感两端输出的信号比较复杂，需要对信号做进一步处理。从示波器观察到的波形可知，这种信号是由多种频率的波形组成的。其中频率为20KHZ的信号强度较大。因此，可以采用电感电容并连组成的选频网络，提取其中频率为20KHZ的信号。当信号频率较低时，电容的容抗很大，选频网络成感性；当信号的频率较高时，电感的感抗很大，选频网络成容性；只有当信号频率F与选频网络的谐振频率相等时，选频网络才成纯阻性，且阻抗无穷大。这时电路产生电流谐振，电容的电场能转化为电感的磁场能，而电感的磁场能转化为电容的电场能，两种能量相互转化。选频网络的谐振频率应为0F20KHZ。根据公式32（公式32）可以选定电感电容的参数。电容容质愈小，电感感值愈大时，选频网络的品质因数Q愈大，选频特性愈好。图37是LC选频网络电路图和示波器显示的OUT端输出的波形。图37LC选频网络电路图和示波器显示的OUT端输出的波形LC21F0第三章智能车系统硬件设计12导线周围的磁场，距导线越远，强度越弱，在电感中产生的感应电动势也越弱。将电感按图37所示的位置放置，15表示五个相同的电感，导线垂直穿过电感所在的平面，其中通有跑道电源的驱动电流。测量每一对电感电容组成的选频网络输出信号的峰峰值。测量得到的数据如表32所示。图38电感的放置位置示意图表32测得的正弦波信号峰峰值电感编号12345峰峰值（MV）3402801801201001号位置的电感在导线的正上方，磁通量变化最大，有最大的峰值电压输出。5号位置的电感磁通变化量最小，输出的电压峰峰值最小。输出电压信号强度从1号电感到5号电感递减。将电感放在导线右侧对称位置进行测量，可以得到相同的数据。332放大电路设计第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告13由表32可以看出，电感输出的电压为几百MV，输出电压比较小，不利于后续电路的处理，需要对信号进行放大。放大电路的原理图如图39所示，图39放大电路原理图INPUT端接电感的输出信号，OUTPUT端为放大后的输出信号。根据公式33可以计算出放大的倍数,公式33放大后的输出波形如图310所示。电感仍按图38所示位置放置，放大后的输出信号峰值如表33所示。表33放大后的信号峰值电感编号12345峰值（V）220150072050010放大后的信号峰值最大值超过了2V，1号电感的输出值与2号电感的输出值的区分度约为07V，2号电感的输出值与3号电感的输出值区分度约为08V。这样的区分度有利于后续电路的处理。1230UR）（第三章智能车系统硬件设计14图310放大后的输出波形表34滤波电路输出的信号强度电感编号12345峰峰值（V）183122056023006333滤波电路设计放大后的信号是半波信号。如果对放大后的信号进行滤波，可以得到近似的直流信号。将直流信号接入比较器输入端进行比较，可以得到二值化的信号。二值化的信号只有逻辑0和逻辑1,单片机可以直接处理这种信号。滤波电路如图311所示。INPUT端接入放大以后的信号，滤波电路OUTPUT端输出的信号强度如表34所示。图311滤波电路原理图第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告15334二值化电路设计二值化电路完成将采集信号数字化的功能。二值化电路原理图如图312所示。图312二值化电路原理图调节S1可以改变设定的阈值。IN端接滤波以后的信号，当IN端的信号大于设定的阈值时，输出为高电平，当IN端的信号小于设定的阈值时，输出为低电平。例如，参照表34测得的数据，若阈值设定为05V时，处于图39所示的1和2位置的电感的二值化电路的输出端为高电平；其他位置的电感的二值化电路的输出端为低电平。第三章智能车系统硬件设计16工字型电感色环电感图313工字型电感和色环电感335电感的选择市场常见的电感主要有两种工字型电感和色环电感，如图313所示。工字型电感磁通面积大，可以产生较大的感应电动势，但是工字型电感重量大，降低了智能车的动态性能，而且不同电感之间有较大的相互干扰。色环电感重量相对来说要轻得多，并且相互之间的干扰较小。虽然色环电感的磁通面积较小，导致输出的感应电动势较小，但可以采用对信号进行放大的方式来弥补这个缺陷。34直流电机驱动模块设计直流电机驱动芯片选用的是MC33887电机驱动芯片。为了增加对直流电机的驱动能力，在MC33887的输出端又增加了IRFZ48N型MOS管。IRFZ48N属于压控器件，控制电压越高，IRFZ48N的导通电阻越低。直流电机驱动模块原理图如图314所示。图314直流电机驱动模块原理图当PWM3端有脉冲输入时，PWM7端接低电平。此时，OUT2端有脉冲信号产第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告17生，OUT1端输出低电平，MOS管Q12、Q13、Q14导通，MOS管Q11、Q15、Q16截止，电流经Q12流向Q13、Q14，直流电机正转。当PWM7端有脉冲输入时，PWM3端接低电平。此时，OUT1端有脉冲信号产生，OUT2端输出低电平，MOSQ11、Q15、Q16管导通，MOS管Q12、Q13、Q14截止，电流经Q11流向Q15、Q16，直流电机反转。35舵机驱动模块设计舵机通常有三条控制线，分别为电源线、地线及控制线。如图315所示，红色的线为电源线，白色的为控制线，黑色的为地线。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源控制线上输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1MS2MS之间，而低电平时间应在5MS20MS之间，并不很严格，和舵机的型号有关。图316表示出一个典型的20MS周期性脉冲的正脉冲宽度与舵机的转的角度的关系。315S3010型舵机照片图316舵机转动角度本系统的舵机驱动电源是由电池电源经过两个二极管分压后得到的，如图317所示。经过实际应用发现，用这种电路驱动S3010型舵机，性能可靠且电路简单，舵机转动15角所用的时间约为25MS。PP5（1端口）接舵机的控制线。在电路中PP5接的是单片机的PWM5通道。单片机通过这一端口，将位置脉冲发送给舵机，实现对舵机的控制。第三章智能车系统硬件设计18图317舵机驱动电路36测速模块设计智能车选用的是NEMICON编码器，图318是编码器的照片。红色的线是电源线，黑色的线是地线，绿色的线是信号线。编码器每转一周输出100个TTL电平脉冲信号。将编码器的信号线接到单片机的PT7口，只需加一个上拉电阻，就可以利用编码器测量小车速度了。编码器接口电路如图319所示。图318本系统所用的编码照片图319编码器接口电路37无线通讯模块设计本系统选用的无线通讯模块是XL02232AP1无线通讯模块。XL02232AP1无线通讯模块具有收发功能，通讯距离为300米，工作频率为42884351MHZ，支持ID设置。XL02232AP1无线通讯模块接口定义如表35所示。按照表35将无线通讯模块与单片机端口连接后，就可以对无线通讯模块进行操作了。无线通讯模块接口见图320，PS0端接单片机RXD口，第三章智能车系统硬件设计18PS1端接单片机TXD口。第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告19这两根线用于完成数据的发送与接收功能。表35XL02232AP1无线通讯模块接口定义管脚定义说明电平备注1VCC电源5V模块的第一个方型焊盘2GND地GND3TXD模块数据输出（接用户的RXDTTL4RXD模块数据输入（接用户的TXDTTL5SET设置时拉低，平时悬空进入设置模式时，请先将此端口拉低，再给模块上电，此时绿灯长亮。6GND地GND7NC不连接借助串口助手软件，可以方便实现智能车与PC的通讯。智能车使用无线通讯模块可以实时地将行驶的状态信息发送到PC机，PC机可以实时发出指令信息控制智能车。图320无线通讯模块的接口38电源管理模块设计智能车电池提供的是72V的电压。为了使智能车正常工作，需要将72V的电压转化为5V的电压。智能车系统用的稳压芯片是UPC24A05。UPC24A05可以提供较大的稳压电流，具有较好的稳压性能。5V稳压电路如图321所示第三章智能车系统硬件设计20图3215V稳压电路SW_72V_IN是电源总开关，用于控制整个系统的电源的通断。电池的电压是72V，经过UPC24A05的稳压作用，OUT端的电压稳定在5V左右。LED灯D_72V是总电源通断指示灯；LED灯D_5V是5V稳压输出指示灯。第四章智能车系统软件设计硬件只是智能车系统的一部分，要实现智能车系统预期的功能，还需对智能车系统进行软件设计。智能车系统软件主要包括路径探测数据处理程序、舵机驱动程序、直流电机驱动程序、通讯程序、智能车行驶速度测量程序。其中包含一些程序算法的设计舵机采用了PD控制算法、直流电机采用了PID控制算法。41探测数据处理程序设计路径识别模块有十二路数据通道，分别接到单片机的PAD00PAD11口上。当小车处于相对于导线不同的位置时，路径识别模块共有二十三组不同的数据输出0X0001、0X0003、0X0002、0X0006、0X0004、0X000C、0X0008、0X0018、0X0010、0X0030、0X0020、0X0060、0X0040、0X00C0、0X0080、0X0180、0X0100、0X0300、0X0200、0X0600、0X0400、0X0C00、0X0800。探测数据处理程序完成依次将这二十三组数据编码为123号的功能。编码后的对应关系表如表41第三章智能车系统硬件设计20所示。第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告21表41编码对应关系表编号12345678PT01AD0口的值00010003000200060004000C00080018编号910111213141516PT01AD0口的值0010003000200060004000C000800180编码17181920212223PT01AD0口的值010003000200060004000C000800这样可以根据从PT01AD0口读到的值，得到一组具有线性关系的数123二十三个数。这便于后续程序的处理。42直流电机PID控制程序设计PID控制是模拟控制中最常用的控制规律。图41是PID控制系统原理图。YT是系统的实际输出值，RT是给定值，ET是给定值与实际输出值的差值。ETRTYT（公式41）ET作为PID控制的输入，UT作为PID控制器的输出和被控对象的输入。PID的控制规律为公式42TEDT0TIPT1EKTU为PID系统比例系数，为PID系统积分系数，为PID系统微分系数。第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告21图41PID控制系统第四章智能车系统软件设计22比例环节的作用是调整瞬间偏差。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使偏差向减少的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数越PKP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。但是过大，容易产生振荡，破坏系统的稳定性。因此，必须恰当选择比例系数PK，才能减少过渡时间，并得到静差小而又稳定的效果。只要有偏差存在，积分部分的控制作用就会不断地增强；只有在偏差0TE时，控制器的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。但是，积分部分也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不一产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差需要较长的时间，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当较小时，则积分的作IT用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定。I实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应，而且还要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在比例积分控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制的。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，它加快了系统的跟踪速度。微分部分的作用由微分时间常数决定。越大时，则它抑制偏差变化的作用DTD越强；越小时，则它反抗偏差变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有DT很大的作用。第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告22第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告23在单片机中，我们可以用软件实现PID控制，即数字PID控制。位置式PID和增量式PID控制算法是常用的数字PID算法。421位置式PID算法单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为以T作为采样周期，K作为采样序号，则离散采样时间KT对应着连续时间T，用求和代替积分，用后向差分代替微分，作如下变化TKT（K0，1，2，3）,（公式43）,（公式KKYRE44）,（公式45T0K0JTETDE）（公式46）D1KTE就可以得到离散的PID表达式1KDK0JIP1KDK0JIPKEKEETEKU（公式47）TKDPDIPI，第四章智能车系统软件设计24图42位置式PID算法程序流程图当采样周期足够小时，数字式PID过程与模拟式PID过程十分相似。位置式PID算法程序流程图如图42所示。422增量式PID算法增量式PID算法只提供控制量的增量。当输出给被控对象的是控制量KU增量，而不是绝对控制量时，可以采用增量式PID控制方式。增量式PID算法涉及到前三个时刻的偏差值、。KE12KEK0QKE1K2QKE，、为调整参数。增量式PID算法程序流程图如图43所示。0Q12初始化返回计算）（）（1KKDDEKKP计算并输出PPPPKDIKKK1,1KPKPKEKEII计算1KPJEKKPIK0JII）（计算KPPEKK计算KKKYRE第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告25初始化返回计算KKYRE计算2K1KEQU求并输出K0）（1K2K1KE,E图43增量式PID算法程序流程图43舵机控制程序设计单片机根据采样得到的路径信息对舵机进行控制。对舵机的控制是定时进行的。对舵机的控制采用的是PD控制算法。用PD算法来控制舵机，可以取得较好的控制效果。增加P的系数可以增加车模的沿线能力。微分项可以增强舵机的动态性能。舵机PD控制算法流程图如图44所示。第四章智能车系统软件设计26初始化返回计算KKYRE计算KPPEK计算）（）（1KDD1KE计算并输出P图44舵机PD控制算法流程图44通讯程序设计使用SCI通讯模块可以实现单片机与PC的信息传递，从而我们可以掌握单片机的运行状态。使用无线通讯模块则可以实时传输智能车行驶的信息，例如探测板探测到的信号、车行驶的速度、某些寄存器的数值等。通过掌握这些信息，有利于进行各个模块以及系统的调试。取两块无线通讯模块，一块通过232芯片与PC机的串口相连，另一块接到智能车系统的无线通讯模块，即完成了通讯模块的连接。MC9S12XS128单片机的SCI模块每次只能传送8位或9位数据，需将16位的数据的高8位和低8位分开传送。45智能车系统流程图第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告27开始初始化拨码开关设定速度拨码开关控制电机开关路径探测是否到定时T1转弯控制是否到定时T2速度控制是否跑完一圈停车结束NYYYNN图45智能车系统流程图28第五章智能车系统调试51路径探测模块调试探测板有十二路相同的信号传输通道。现对信号传输通道的各部分进行调试。信号传输通道的原理图如图51所示。按图39所示的位置放置电感，使用示波器分别测量各通道感应部分输出信号，测得正弦波信号峰峰值如表51所示。1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE10MAY2010SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETINGSADMINISTRATORDA82F18EECB2458二二二二二二二二二二二二PCB二4二22二LCDDBDRAWNYC163NFL110MH二二二二11V32AR2OPAMPAR1OPAMPD1IN5819C168NFR1100KR220KR31KR41KVCRS1100KR4820VCVCOUT二二二二二二二二二二二二二二二二二图51信号传输通道的原理图表51感应部分输出的信号峰峰值位置电感标号0CM1CM2CM3CM4CM13402801801201002340300200150100334028015012010043002501601201005300250160100100628024016012010072802501801401008280240150120100928022018014010010280260180140100第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告291128026016014010012280240180140100注信号峰峰值的单位为MV。使用示波器测量各通道放大部分的输出信号得到的测量值如表52所示。表52信号放大后的峰值位置电感标号0CM1CM2CM3CM4CM12215072050052231708404005320140603005416120602005515120602005619140704005719161006005819151006005915120704005101514070400511161508040051217140603005注测得的信号放大后的峰值单位为V。用万用表测量各通道经过滤波以后的得到的信号电压，测量结果如表53所示，表53滤波以后的信号测量值位置电感标号0CM1CM2CM3CM4CM118312205602300621871450660301131711380490170094140102053018006513210404501100561581150580270067161139087052011第五章智能车系统调试3081601310920620139126099056024011101290980520230061115012205902400812141112053021008注滤波以后的信号测量值的单位为V。从表51、表52给出的数据，可以看出各通道的测量结果存在一定的差异。造成这种差异的原因是多方面的。例如，各通道使用的器件参数存在差异，测量时引入了一些测量误差等。这些误差最后作用在滤波电路上。但是，从表53给出的数据可以看出，各通道在0CM位置时的输出的电压比在1CM位置时的输出电压大03V左右，各通道在1CM位置时的输出的电压比在2CM位置时的输出电压大06V左右。各通道滤波以后的输出信号差异并不显著。当电感距离导线越近时，经过探测部分、放大部分、滤波部分测得的信号越强，越远时测得的信号越弱，并且不同的通道测得的数据存在差异，如图52所示。图52电感在不同位置时，滤波端测得的电压值近似曲线通过调节电位器RS，可以改变阈值。当探测到的信号电压大于阈值时，经过比较器处理后，得到逻辑“1”，小于阈值时，则得到逻辑“0”。分别调节十二路通道的电位器，可以使每个通道得到逻辑“1”的测量范围一样。如图52所示，通道一和通道二的测量信号有差异，分别调整这两个通道的阈值，可以使两个通道得到逻辑“1”的测量范围相同。通过调整各通道的电位计，将每一路得到逻辑“1”的测量范围调得一样大。第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告3152舵机调试模拟舵机的直流电机控制芯片一般可以接受50HZ（20MS）300HZ左右的PWM信号。若给舵机更高频率的PWM信号，舵机就无法正常工作了。若用50HZ的PWM信号控制舵机，那么舵机至少要过20MS以后才能获得发送的位置信号。经测试发现，舵机至少要接受两个位置信号后，才能作出相应。在舵机臂到达新的位置前，要不停地向舵机发送位置脉冲信号，否则舵机将停止不转。换句话说，舵机臂转的角度越大需要的位置脉冲信号越多，所需的时间也就越多。逐步提高驱动舵机的PWM信号的频率，测得当PWM的频率为200HZ时，舵机可以正常工作。采用200HZ（5MS）的PWM信号驱动舵机时，舵机接受位置信号所用的时间比用50HZ（20MS）的PWM信号驱动舵机时用的时间要少得多。因此，提高PWM信号的频率，可以提高舵机的响应速度。但是，当频率超过一定值后，舵机将不能正常工作。逐步提高PWM信号高电平的持续时间，可以测出舵机转动的角度。找出舵机臂摆动区间的中间位置作为机械零点。在中间位置附近的区域，舵机转动的角度与PWM信号高电平的持续时间间的线性关系较好。53直流电机控制与测速调试直流电机的驱动电路是由33887驱动芯片和MOS管组成的H桥电路。参照图315给出的电机驱动电路。通过改变PWM3、PWM7口接的输入的信号占空比，可以达到控制直流电机的目的。当PWM7有一定占空比的信号输入时，MOS管Q11、Q15、Q16导通，电机反传。当PWM3有一定占空比的信号输入时，MOS管Q12、Q13、Q14导通，电机正转。编写相应的直流电机驱动程序。可以观察到电机正传、反转、加速、减速的现象。根据观察道的现象，不断调整PID参数，当PID参数合适时，直流电机有很好的动态响应性能，并有很好的稳定性。将编码器接到图320所示的接口上。编写程序，初始化累加器，计算编码器发出的脉冲信号，并将累加器计得的数值通过通讯模块发到PC机上显示。旋动编码器，可以观察到PC机上显示的数值发生相应的变化。直流电机转动时，带动编码器转动。直流电机转动的速度与编码器单位时第五章智能车系统调试32间内发出的脉冲信号成正比关系。通过读取累加器的值，可以知道直流电动机的转速。读取累加器的值可测得直流电机的转速，然后分析测得的速度，相应地改变PWM3、PWM5的脉冲信号的占空比，可以完成对直流电机的控制。54系统调试完成各个模块的调试后，就可以进入系统调试了。对系统调试时，需要先设计一个跑道。对于电磁组的车，在地上布一根导线就可以作为跑道了。为了增加跑道的难度可以将导线多绕几个弯。在导线交叉时，应注意使导线垂直交叉。当小车穿过小S跑道时，左右摆动可能比较厉害，这时应适当将小舵机PD控制的比例参数。但应注意，如果比例参数过小，小车进入大弯道时，可能冲出跑道。由于本智能车系统没有前瞻量，不能提前预知前方较远处的路径状况，使小车的提升空间受到很大限制。第六章模型车的各项参数车模基本尺寸车长400MM车宽240MM车高90MM车重1050G电路功耗及电容总容量电路功耗约30W电容总容量900UF33传感器及伺服电机数量电感（传感器）12个测速传感器1个干簧管2个总计传感器15个无额外的伺服电机赛道信息检测精度、频率赛道检测精度2CM赛道检测周期10MS第七章结论基于磁场检测的自主寻迹智能车有较强的抗干扰能力，能够很好的适应赛场环境。在地面上布一根导线，就可以作为小车的跑道，简单易行。但是，电磁组的小车有一个严重的缺点，就是不易于提高前瞻量。目前，这辆电磁小车只能探测到小车前方10CM处的路径信息，这使得在保证小车行驶平稳的前提下，提升速度有一定的困难。由于采用了外部二值化方案，小车系统具有较高的处理速度，即使没有对单片机进行超频。系统执行一个周期所用的时间为20US左右。唯一的时间瓶颈是舵机的响应时间。舵机作出响应需要十多毫秒的时间。如果，小车有较大的前瞻，就能够提前探测道较远处的路径信息，提前使舵机的作出响应。如果这辆小车以较快的速度穿越小S弯，小车就会有较大的左右摆动幅度，最后冲出了跑道。究其原因是舵机响应不够快，不能及时调整小车的行驶方向。由于没有较大的前瞻，小车在直道的行驶速度也受到了很大的限制。如果行驶得过快，小车入弯时容易冲出跑道。如何在行驶平稳的前提下提高小车的速度，是我们面临的问题。提升速度33的34方式有两种1）提高程序的执行效率；2）采用新的探测方案提升小车的前瞻量。采用新的探测方案有很好的前景，但是可能要花费很多的时间。提高程序的执行效率是短期内提升小车行驶速度的有效途径。在调试程序的过程中，应建立相应的数学模型。这可以调高调试程序的目的性。数学建模有利于找到合适的参数。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学出版社，20072华成英，童诗白模拟电子技术基础M北京高等教育出版社，200663阎石数字电子技术基础M北京高等教育出版社，200654凌阳科技股份有限公司PID调节控制做电机速度控制200665“飞思卡尔”杯竞赛秘书处电磁组竞赛车模路径检测设计参考方案201016张昊飏，马旭，卓晴基于电磁场检测的寻线智能车设计WWWEEPWCOMCN电子产品世界2009117李仕伯，马旭，卓晴基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究WWWEEPWCOMCN电子产品世界2009128蔡庆楠,蔡兴旺,潘锦洲第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告9黄惟一，胡生清控制技术与系统M北京机械工业出版社2006210吴晔，张阳，腾勤基于HCS12的嵌入式系统设计M北京电子工业出版社2010111赵凯华电磁学M北京高等教育出版社2003412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20041013谭浩强C程序设计M北京清华大学出版社，200514孙同景，陈桂友FREESCALE9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术M北京机械工业出版社200873435程序源代码IFNDEF_INCLUDE_HDEFINE_INCLUDE_HINCLUDE/COMMONDEFINESANDMACROS/INCLUDE“DERIVATIVEH“/DERIVATIVESPECIFICDEFINITIONS/宏定义/全局变量声明/EXTERNUINTLC_NUMBEREXTERNUINTIO_PREEXTERNUINTIO_VALUEEXTERNCHARPATH_R_LEXTERNCHARLINE2EXTERNCHARLINETIMEXTERNCHARLINE_12EXTERNCHARPATHEXTERNCHARPATH1EXTERNUCHARDC_TIMEXTERNUCHARDC_PACNT_CLAREEXTERNUCHARLINETIMCOUNTEXTERNUCHARDC_TIMCOUNTEXTERNUINTDC_PACNT_COUNTEXTERNINTKPEXTERNINTKIEXTERNINTKDEXTERNINTERROREXTERNINTPREERROR36EXTERNINTVALUE_PEXTERNINTVALUE_IEXTERNINTVALUE_DEXTERNUINTSPEEDSET/速度设定EXTERNINTS_KPEXTERNINTS_KIEXTERNINTS_KDEXTERNINTS_ERROREXTERNINTS_PREERROREXTERNINTS_VALUE_PEXTERNINTS_VALUE_IEXTERNINTS_VALUE_DEXTERNUINTSERVOTIMCOUNTEXTERNUCHARSERVOTIMEXTERNINTS_VALUEPIDEXTERNUINTLINESTREXTERNUINTLINESTRCOUNTEXTERNUINTBENDEXTERNUINTBENDCOUNTEXTERNCHARBEND_1EXTERNCHARBEND_2EXTERNCHARBEND_0EXTERNUCHARTIC_NUMEXTERNUCHARDETECTTIMEXTERNUCHARDETECTTIMCOUNTEXTERNUCHARSTOP_SIGNEXTERNUINTSTOPCOUNTEXTERNUCHARSTOP37/函数声明/EXTERNVOIDDELAYUNSIGNEDINTLOOP_TIMES/延时子程序EXTERNVOIDSCI0_INITVOID/SCI0初始化EXTERNVOIDECT_TIM_INITVOID/TIM初始化程序EXTERNVOIDPIT_INITVOID/PIT初始化函数EXTERNVOIDPACA_INITVOID/累加器初始化程序EXTERNVOIDDC_INITVOID/直流电机初始化程序EXTERNVOIDSERVO_INITVOID/舵机驱动初始化程序EXTERNVOIDSERVOINTP,INTI,INTDEXTERNVOIDMAGNETDATAVOID/采样程序EXTERNVOIDDATAPROCESSVOID/数据处理程序EXTERNVOIDSPEEDCONTROLUINTSPEEDS/速度PID控制程序EXTERNVOIDINIT_TICVOID/输入捕捉初始化函数E