电磁直立循迹智能汽车毕业论文

摘要本文详细叙述了对两轮电磁寻迹直立智能车的运动控制设计过程。随着科技技术迅猛发展和生活水平的提高，人们对于汽车的安全性、方便性要求也越来越高。智能车辆的使用可以改善道路安全状况，提高道路的利用率。对于智能汽车的传感技术和数据分析技术的研究能够有效地提高智能汽车对于复杂环境道路的通过性，从而让智能车的运用能够更加方便、快捷、安全的为我们服务。“飞思卡尔智能车竞赛”是由教育部主办的全国大学生智能汽车竞赛，目前已经成功举办了六届。该竞赛根据传感器的不同分别设立了光电组，电磁车组和电磁组。本文主要研究的是两轮寻迹电磁智能车。两轮电磁寻迹直立智能车的原理是通过电磁传感器采集赛道信息，同时电子陀螺仪和加速度传感器采集直立智能车的当前车身信息，再交由单片机对路况信息进行识别、分析和信息处理，最后再交由单片机给出控制信号来控制车的双电机让小车在保证直立的状态下沿着指定路线行驶。在工作中主要用到的编程环境使比赛组委会提供的CODEWARRIOR。设计过程主要运用了汇编语言和单片机的相关知识以及PID控制算法。关键词智能车单片机两轮循迹直立电磁车PID陀螺仪加速度传感器ABSTRACTTHISPAPERILLUSTRATEDETAILSOFTHEDESIGNPROCESSOFTHEUPRIGHTTWOELECTROMAGNETICTRACINGSMARTCARSMOTIONCONTROLWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGYANDTHEIMPROVEMENTOFLIVINGSTANDARDS,PEOPLESREQUIREMENTSOFVEHICLESAFETY,CONVENIENCEBECOMEHIGHERANDHIGHERTHEUSEOFINTELLIGENTVEHICLESCANIMPROVEROADSAFETYCONDITIONSANDTHEUTILIZATIONOFTHEROADTOSTUDYTHESMARTCARBYTESTINGSENSINGTECHNOLOGYANDDATAANALYSISTECHNIQUESCANEFFECTIVELYIMPROVEITSABILITYFORPASSINGCOMPLEXENVIRONMENTOFTHEROAD,SOTHATTHEUSEOFSMARTCARSCANBEMORECONVENIENT,FASTERANDSAFERFOROURSERVICESFREESCALESMARTCARCOMPETITION“ORGANIZEDBYTHEMINISTRYOFEDUCATIONOFTHENATIONALSMARTCARRACEHASALREADYHOLDFOR6SESSIONSTHECONTESTWASSETUPACCORDINGTOTHEDIFFERENTSENSORSPHOTOELECTRICGROUP,CAMERAGROUPANDELECTROMAGNETICGROUPTHISPAPERSTUDIESTHETWOTRACINGELECTROMAGNETICSMARTCARTHEPRINCIPLEOFTWOELECTROMAGNETICTRACINGUPRIGHTTOINTELLIGENTVEHICLESISTOTRACKINFORMATIONCOLLECTEDTHROUGHELECTROMAGNETICSENSORS,ELECTRONICGYROSCOPESANDACCELERATIONSENSORSCOLLECTCURRENTBODYUPRIGHTSMARTCAR,THENTHEMICROCONTROLLERONTHETRAFFICINFORMATIONTOTHEIDENTIFICATION,ANALYSISANDINFORMATIONHANDLINGFINALLY,THEMICROCONTROLLERGIVESTHECONTROLSIGNALTOCONTROLTHECARMOTORCARTRAVELINGALONGTHEDESIGNATEDROUTEINTHESTATETOENSUREVERTICALTHEPROGRAMMINGENVIRONMENTPRIMARILYUSEDINTHEWORKSOTHATTHECOMPETITIONPROVIDEDBYTHEORGANIZINGCOMMITTEEOFTHECODEWARRIORTHEDESIGNPROCESSISTHEMAINUSEOFASSEMBLYLANGUAGEANDKNOWLEDGEOFTHEMICROCONTROLLERANDTHEPIDCONTROLALGORITHMKEYWORDSSMARTCARMICROCONTROLLERTWOTRACKINGUPRIGHTELECTROMAGNETICVEHICLETHEPIDGYROSCOPEACCELEROMETER摘要1ABSTRACT2第一章绪论511国外的发展趋势612国内发展713电磁循迹直立智能车的比赛特点714课题意义915本课题研究主要内容10第二章电磁寻迹直立智能车的系统构建1121电磁寻迹原理1122电磁直立循迹智能车总体构成1323功能模块介绍14231加速度传感器14232电子陀螺仪17233电磁传感器18234编码器19235电机驱动电路20第三章电磁寻迹直立智能车智能软件系统的设计2131智能控制概论21311模糊控制2132系统辨识的基本概念2333车直立系统的设计24331平衡思想24332直立系统中具体的控制过程2534采样方法和采样间隔的选择29341电磁传感器采样选择3035路径检测算法的设计3036路径算法的优化处理3037车行驶中直立控制策略3138两轮车转向系统设计3139PID控制33391不完全微分PID34392微分先行PID35393前馈控制的应用36394在速度控制中的应用37310调速控制策略与行车车速优化策略38311底层设置38第四章调试说明3841调试策略及步骤38411调试参数38412调试条件3942调试经验总结41第五章总结与展望41参考文献42第一章绪论随着现代高新技术的迅速发展，信息化和智能化越来越多的应用到人类社会的生产、生活的各个方面，曾经只能在科普小说中看到的智能汽车已经不再是虚幻的，人们在不久的将来将能在现实中看见智能汽车。现在集各种高科技于一体的汽车，其性能、舒适性、安全性已经取得很大进步，然而距离智能汽车的真正问世还有两步之遥，一是有一款高智能功能的计算机，它能够接受各种智能传感器传来的周围环境及汽车自身的各种信息并且能够高效迅速的综合整理，然后把信息传递给汽车执行系统，从而实现真正的自动驾驶汽车，而是智能交通信息网络环境的建立。“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛起源于韩国，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HCSL2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。该赛事由组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高为获胜者。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。全国大学生智能汽车竞赛目前一共举办过六届，已发展成全国30个省市自治区近300所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。为了提高全国大学生智能汽车竞赛创新性和趣味性，激发高校学生参与比赛的兴趣，提高学生的动手能力、创新能力和接受挑战能力，智能汽车竞赛组委会将第七届大赛的电磁组比赛规定为车模直立行走，车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。该课题设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。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，竞赛全过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，竞赛要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个土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，涵盖模式识别、自动控制、电子电气、传感技术、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。11国外的发展趋势智能汽车,就是在正常环境中用信息技术和智能控制技术改进的汽车,在国外不论是官方机构、民间企业还是大学校园里都有各种智能汽车竞赛。（1）韩国大学生智能汽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智能模型汽车竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，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，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。（2）美国国防部与民间的大学、企业和发明家联合开展了全球领先的智能汽车竞赛。2007年11月，美国第三届智能汽车大赛日前在加利福尼亚州维克托维尔举行，这是美国国防部第三次主办这样的大赛。参赛的无人驾驶汽车的车顶上有旋转的激光器，两边有转动的照相机，内部安有电脑装置。这些无人驾驶汽车完全由电脑控制，利用卫星导航、摄像、雷达和激光，人工智能系统可判断出汽车的位置和去向，随后将指令传输到负责驾驶车辆的系统，丝毫不受人的干涉，用传感器策划和选择它们的路线。国际发展研究方向1994美国实施战略是通过实现面向21世纪的“公路交通智能化”，以便从根本解决和减轻事故、路面混杂、能源浪费等交通中的各种问题。1988年由欧洲10多个国家投资50多亿美元，联合执行一项旨在完善道路设施，提高服务质量的DRIVE计划，其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施，现在已经进入第2阶段的研究开发。12国内发展与国外相比，国内在智能交通系统方面的研究起步较晚，规模较小，开展这方面研究工作的单位主要是一些大学和研究所，如国防科技大学、清华大学、吉林大学、北京理工大学、长安大学、沈阳自动化所等。清华大学汽车研究所是最早成立的主要从事智能车及智能交通的研究单位之一，在国防科工委和国家863计划的资助下，开发了THMRV型智能车。2003年，THMRV型智能车在画有清晰白线的结构化道路上跟踪车道的平均速度达到100KM/H。20世纪90年代至今，吉林大学先后研制了四代智能车试验车。正在调试的第四代试验车JUTIVIV中开始研究多传感器信息融合技术在道路环境理解中的应用。国防科技大学机电工程与自动化学院自80年代起开始进行无人驾驶智能车辆技术研究，先后研制出四代无人驾驶汽车。第四代全自主无人驾驶汽车于2000年6月在长沙市绕城高速公路上进行了全自主无人驾驶试验，试验最高时速达到756KM/H。车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势，也是人们对安全性要求越来越高的未来汽车的发展方向。随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶它也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外它还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生了。13电磁循迹直立智能车的比赛特点电磁寻迹直立智能车要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛。首先，有必要介绍一下赛道的基本参数赛道路面用专用白色KT基板制作，跑道所占面积在5M7M左右，决赛阶段时跑道面积可以增大。赛道宽度不小于45CM。赛道与赛道的中心线之间的距离不小于60CM。如下图所示图1赛道宽度及间距跑道表面为白色，赛道两边有黑色线，黑线宽25MM5，沿着赛道边缘粘贴。赛道中心下铺设有直径0108MM漆包线，其中通有20KHZ，100MA的交变电流。频率范围20K1K，电流范围10020MA。图2赛道颜色以及边线跑道最小曲率半径不小于50CM。跑道可以交叉，交叉角为90。赛道有一个长为1M的出发区，计时起始点两边分别有一个长度10CM黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束时刻。在黑色计时起始线中间安装有永久磁铁，每一边各三只。磁铁参数直径7515MM，高度13MM，表面磁场强度30005000高斯。起跑线附近的永磁铁的分布是在跑道中心线两边对称分布。相应的位置如下图所示图3电磁赛道起跑线直立电磁车在行驶时，其采集到得电磁信号很稳定，而其自身保持直立和依靠双电机的驱动来作转向相对比较困难，所以，软件设计中必须以保持直立和行车转向作为重点部分。这是直立电磁车软件设计车必须解决好的两大问题。它直接决定了电磁车是否能跑完全程。小车在450MM宽的赛道上高速行驶过弯时，一瞬间的错误转角足以让小车发生倾倒或是冲出赛道。电磁车车的前瞻量较小，在过弯时需要适当转向和减缓车速。所以，在转角策略方面，软件设计上可以进行相应的优化，让电磁车在较小前瞻下能够尽可能发挥最大的作用。14课题意义电磁寻迹直立智能车是一个高度不稳定两轮车，是一种多变量、非线性、绝对不稳定、拥有智能识别的系统，是检验各种控制方法控制能力的装置。两轮直立电磁车可以看做是智能汽车与两轮自平衡小车的结合体，所以其既有理论意义又有实用价值。就单从两轮自平衡小车的研究而言，其在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。两轮自平衡小车作为倒置系统的一种形式，是动力学理论和自动控制理论与技术相结合的研究项目，为科学理论的发展起到了指导作用。状态空间法、模糊控制、神经网络控制等控制方法的控制效果都可以在这个本质不稳定的系统中得到检验。电磁寻迹直立智能车是移动智能机器人研究中的一个重要领域。移动机器人技术随着计算机技术、软件技术、微电子技术、材料技术等相关领域的进步而发展，同航天技术一样，机器人的发展水平甚至代表了一个国家的综合科技实力川。电磁寻迹直立智能车两轮共轴、独立驱动、车身中心位于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可直立行走。由于特殊的结构，其自我适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂的特定环境里的工作。传统智能车多以具有导向轮的四轮小车布局，与之相比，电磁寻迹直立智能车在实用性上主要有如下优点。1实现原地回转和任意半径转向，移动轨迹更为灵活易变，很好的弥补了传统多轮布局的缺点2驱动功率较小，为电池长时间供电提供了可能，为环保轻型车提供了种新的思路。15本课题研究主要内容本论文提出了一种新的直立电磁寻迹小车结构，并对其直立控制和运动行驶过程进行分析。车辆行驶机构为轮式结构，采用两独立驱动电机和电子陀螺仪、加速度传感器，同时配备电磁传感器，能实现智能小车直立、前进、后退、转向、规避障碍等功能。（1）电磁智能小车的结构设计。内容包括小车主要结构形式和外形尺寸的确定。（2）小车信号采集处理分析。研究电磁传感器在采集赛道信息后分析小车在当前路况的信息，由此选择合适的行车方案，从而使小车能够自主选择最优化的行车路线。（3）小车的运动学性能分析。根据小车是非完整约束姚环系统的特点，采用位姿矩阵变换法，完成正、逆运动学建模，从而可以分析小车车体在一定车轮转速下的速度及位姿，获得车体处于一定速度及位姿时车轮所需的速度。（4）小车的转向特性仿真分析。要顺利进行转向，小车必须具备自主灵活的转向性能，因此，小车的两驱动电机的不同控制是其地面适应能力的一个关键方面。该部分主要就小车转向系统的稳态和瞬态响应特性进行了分析，讨沦如何使小车既转向灵活又稳定，以及小车的车体统构参数对其转向可能带来能的影响。第二章电磁寻迹直立智能车的系统构建21电磁寻迹原理根据电磁学，我们知道在导线中通入变化的电流，则导线周围会产生变化的磁场，且磁场与电流的变化规律具有一致性。如果在此磁场中置一由线圈组成的电感，则该电感上会产生感应电动势，且该感应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。由于在导线周围不同位置，磁感应强度的大小和方向不同，所以不同位置上的电感产生的感应电动势也应该是不同。据此，则可以确定电感的大致位置1。首先，由毕奥萨伐尔定律知通有稳恒电流I长度为L的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为R处P点的磁感应强度如公式21（21）210SIN4BIDR直道附近的磁场分布，可以近似为无限长的直导线上的磁场分布，容易算得距离长直导线距离为R的点的磁感应强度如公式222（22）02BRI长直道附近磁感应强度方向为垂直纸面向里，于是，它的磁力线是在垂直于导线的平面内以导线为轴的一系列同心圆，圆上的磁感应强度大小相同。定义小车前进的方向为Y轴正向，顺着Y轴的右手边为X轴的正向，Z轴指向小车正上方，如图21所示。设水平线圈为轴线平行于Z轴的电感线圈，垂直线圈是指轴线平行于X轴的线圈。BX是指向载流导线右手边的电磁感应强度，BZ是指向载流导向正上方的电磁感应强度。显然，垂直线圈感应的是BX变化率，水平线圈感应的是的BZ变化率。由公式22进而可以推出公式23，公式24（23）022XIHBPM（24）022ZIXBHPM其中H是电感线圈距离地面的垂直距离。为了讨论的方便，记为公式25和公式26（25）22XH（26）022ZIBP则BX、BZ分别和BX、BZ有相同的变化趋势3。BX是X的偶函数，在Y轴两侧单调BZ是X的奇函数，在Y轴两侧没有单调关系。此外因此BX的衰减较BZ快很多。综上推知，水平线圈比较适合做X的正负判别，垂直线圈比较适合用来解算X的具体数值，BZ较BX衰减慢得多，说明水平线圈对远处道路状况相对比较敏感，可以用来预测前方的弯道。对于通有电流的弧形导线，根据毕奥萨伐尔定律明显可以得出弧线内侧的磁感线密度大于弧线外侧的结论。如果在通电直导线和弧形导线两边的正上方竖直放置两个与电流方向一致的线圈，则两个线圈中会通过磁通量。导线中的电流按一定规律变化时，导线周围的磁场也将发生变化，则线圈中将感应出一定的电动势。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小和通过导体回路的磁通量的变化率成正比。感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。由于本设计中导线中通过的电流频率较低，为20KHZ，且线圈较小，令线圈中心到导线的距离为R，认为小范围内磁场分布是均匀的，则线圈中感应电动势可近似为公式27（27）DKITRTFE即线圈中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K为与线圈摆放方法、线圈面积和一些物理常量有关的一个量。具体的感应电动势须实际测定来确定。22电磁直立循迹智能车总体构成根据电磁直立循迹智能车功能不同，电磁直立智能车体系的结构大致包括传感器、控制、执行机构、人机接口和电源五大部分。（1）传感器部分负责测量赛道环境信息和车模自身的状态信息，为小车在正常行驶过程中各部分所需信息的检测与跟踪。传感器部分包括电磁检测感应线圈、陀螺仪，叫加速度传感器、扭转编码器三个部分。（2）电源模块共包括电池和电路稳压模块，负责向车上电机、单片机及各个子模块提供所需电源。（3）控制部分即车辆的智能控制的核心部分单片机，用来分析传感器采集的数据，提取赛道信息，进行所需的控制算法，并最终向各执行机构发出控制信号，来控制车模的正常行驶。（4）执行机构在单片机对执行机构下达控制指令后，来执行该指令的部分。执行机构包括电机驱动、电机等。（5）人机接口实现模式和参数选择、状态指示、实时监控以及数据存储等人机交互功能，在电磁智能车上主要是LCD模块。23功能模块介绍231加速度传感器加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。根据竞赛规则规定车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器，故该课题中选用MMA7361QR3轴小量程加速传感器，如下图231所示。231MMA7361QR加速度传感器输入电压，同时可以接到单片机AD参考电压端5V电源PIN3,GND电源地PIN4,XOUTX轴方向电压输出PINS,YOUTY轴方向电压输出PIN6,ZOUTZ轴方向电压输出PIN7,SLEEP芯片休眠控制0休眠，1工作PIN8,10,12,NC悬空管脚PING,OG_DECTECTOG信号检测PIN11,SELF_TEST芯片自我测试与初始化（1）默认开关与灵敏度R1R2加速范围G灵敏度（MV/G）焊接不焊接15800不焊接焊接60200（2）传感器工作状态控制器PIN7、SLEEPI/O口制传感器休眠与否，如果不接，默认为正常工作。0V休眠3V3正常工作。（3）加速度传感器工作原理MMA7361QR3轴小量程加速传感器是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件的运动和方向改变输出信号的电压值。各轴的信号在不运动或是不被重力作用的状态下（0G），其输出为1。65V。如果沿着某一个方向活动或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压。运用单片机的A/D转换器读取此输出信号，就可以检测其运动和方向。通过设置可以使MMA7361QR最大输出的灵敏度设为800MV/G。测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比如使用Z轴方向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在Z轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度G便会在Z轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化。变化的规律为SINUKGQD式中，G为重力加速度为车模倾角K为比例系数。当倾角比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。图232加速度传感器的坐标系图232初始状态坐标系，此时俯仰角为0，各轴上的静态加速度值0XYZGA当X轴与水平面产生俯仰角时，加速度传感器的坐标系如图233所示。图233俯仰变化后的坐标系图234XZ轴平面坐标系将坐标系投影到XZ轴平面，可得如图334所示的平面坐标系，由此可求得各轴上的静态加速度值1SIN0COXYZGAR由上述等式，可以得到俯仰角的计算公式ARCTNYZA同理可得横滚角的计算公式ARCTNXZJ232电子陀螺仪根据本设计方案的要求，在电路模块我们选择ENC03系列的陀螺仪。该产品是一种应用科氏力原理的角速度传感器，它输出一个和角速度成正比的模拟电压信号。在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜的角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。ENC03陀螺仪的详细参数及实物图235图235供电电压VDC27525最大角速度DEG/SEC/300输出（当角速度0）VDC135比例系数MV/DEG/SEC067线性度FS/5响应频率HZ50MAX重量G04操作温度5CTO75C储存温度30CTO85C采集方法采用单片机对其进行AD采样获得相应的采样信息。由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体振动影响。因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。233电磁传感器电磁传感器是保证车模沿着竞赛道路比赛的关键传感器。直立车模所在的电磁组的道路中心线铺设有一根漆包线，导线通有100MA的20KHZ交变电流在中心线周围会产生一个交变的磁场。电磁感应线圈一般采用10MH的工字型电感，选择20KHZ的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上能够有效地避开周围环境中磁场的干扰，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。在实际电路中选用68NF的电容作为谐振电容。在距离导线50MM的上方放置垂直于导线的10MH电感，使用示波器测量输出电压波形。图236电磁感应线圈电路图为了能够更加准确测量感应电容式的电压，需要将上述感应电压进一步放大，在一般情况下将电压峰峰值放大到15V左右，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40DB）。234编码器利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间的相对位移转换成电信号的测量元件，用于长度测量工具。编码器分为直线式和旋转式两类。该课题中我们需要的是旋转式编码器，在车辆行驶过程中我们通过编码器的运用来达成车速信息的反馈，从而有效地形成一个闭环系统。下图为实物图237图237编码器实物图编码器信号线需上拉电阻510K，区分正反转是通过相位差获得图238正反转是通过相位差235电机驱动电路直流电机的力矩最终来自于电机驱动电压产生的电流。因此只要电机处于线性状态，上述假设的车模电机的拆解可以等效成三种不同控制目标的电压叠加，并且将其施加在电机上。因为驱动电机采用的为具有使能控制和方向逻辑的H桥电路（如239图）图239具有使能控制和方向逻辑的H桥电路电机的运转就只需要用三个信号控制两个方向信号和一个使能信号。如果DIRL信号为0，DIRR信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。第三章电磁寻迹直立智能车智能软件系统的设计31智能控制概论智能控制是智能小车的灵魂，是决定小车能否顺利完成比赛的关键部分。好的智能控制程序，能够使小车能够顺利的完成赛道，并且使小车表现出良好的随动性。该设计使用电感传感器检测预先铺设在赛道下方的漆包线发出的20KHZ的交变电磁波。其软件设计主要有对电感传感器采样值的处理，并将所得出的值用来控制小车左右两个电机的转速从而控制转向。311模糊控制模糊控制利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，智能车系统属于比较复杂，并且动态信息未知的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是便尝试着以模糊数学来处理智能车的控制问题。模糊控制器的控制规律由单片机的程序实现，首先单片机经过采样获取被控制量的精确值，然后将此值与给定值比较得到误差信号E。一般选此误差信号E作为模糊控制器的一个输入量。将误差信号E的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差E的模糊量用相应的模糊语言表示。至此，得到了误差E的模糊语言集合的一个子集E。再有E和模糊控制规则根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量。模糊控制器由3个功能模块组成，即模糊化模块、模糊推理模块和解模糊模块，如图311所示。图311模糊控制规则1编码位置偏差E及其变化率EC是模糊控制器的2个输入，其中ECEIEI1。模糊控制器需对这2个精确量进行编码，使其成为模糊量，进而参加模糊推理。2）模糊化由于传感器所检测到的信息是精确量，而模糊控制器需要的是模糊量，所以需要将这些精确量转变成语言变量值，即模糊量。在模糊控制中，通常将控制量的实际值与期望值比较，得到一个偏差E，并将其模糊化处理为模糊量E，控制器根据E来决定如何对系统加以调节控制。为了使控制器的性能更好，通常还需要将偏差变化量EC作为输入量，以此对系统进行综合判断。根据从实际调试中得到的经验，可以将偏差E、偏差变化EC和控制量变化U映射到模糊域中。3）模糊推理在智能车控制系统中，模糊控制器的输入量为位置偏差E及其相对行驶距离的变化量EC，输出量为速度和方向的控制量U，所以该模糊控制器为一个双输入单输出的模糊控制器。通过对路况进行分析，根据人们开车时的经验，可以得到相应的模糊控制规则集。将这些模糊规则以程序的形式写到单片机中，从而实现对智能车的控制。当误差为负大而误差变化为正时，说明系统误差已有减小的趋势，所以为了尽快消除误差并且不产生超调，应取正中或正小的控制量。当误差为负中时，控制量的变化应尽快消除误差，并且不至于引起超调，基于这种原则，当误差变化为正大时，控制量的增量可以取为0。当误差为负小时，系统接近稳态，若误差变化为负时，选取控制量变化为正中，以抑制误差往负方向变化若误差变化为正时，系统本身有趋势消除误差，所以控制量变化可以选为0。上述选取控制量变化的原则是当误差很大或大时，选择控制量以尽快消除误差为主而当误差较小时，选择控制量要注意超调，以系统稳定性为主要出发点。误差为正时与误差为负时向类同，相应符号都要变化。4）解模糊在智能车模糊控制器中，对建立的模糊控制规则要经过模糊推理才能决策出控制变量的一个模糊子集，它是一个模糊量而不能直接控制被控对象，还需要采取合理的方法将模糊量转换为精确量，以便最好地发挥出模糊推理结果的决策效果。32系统辨识的基本概念“系统辨识”是研究如何利用试验或运行的、含有噪声的输入输出数据来建立被研究对象数学模型的一种理论和方法。系统辨识与控制理论的联系较为密切，随着计算机技术的发展和对控制技术要求的提高，控制理论得到广泛的应用。但是，在控制理论的大多数应用场合若想获得理想的使用效果，则与能否获得被控对象精确的数学模型是密不可分的。然而，在很多情况下，被控对象的数学模型是不知道的，甚至涉及这个系统的工艺方面的工程师都无法用数学模型来描述它。或者有时，系统在正常运行期间的数学模型的参数会发生变化，使得依赖于这个模型运行的控制器的控制效果大打折扣，甚至使系统失控。因此，在应用控制理论去实施系统控制时，其基础是要建立控制对象的数学模型，这是控制理论能否应用成功的关键因素之一。“系统辨识健立对象数学模型的依据是研究表明，从外部对一个系统的认识，是通过其输入输出数据来实现的，既然数学模型是表述一个系统动态特性的一种描述方式，而系统的动态特性的表现必然蕴含在变化的输入输出数据中。所以，通过记录系统在正常运行时的输入输出数据，或者通过测量系统在人为输入作用下的输出响应，然后对这些数据进行适当的系统处理、数学计算和归纳整理，提取数据中蕴含的系统信息，就可以建立被控对象的数学描述，这就是系统辨识。即系统辨识是一种利用数学的方法从输入输出数据序列中提取被控对象数学模型的方法。图321辨识系统结构示意图33车直立系统的设计331平衡思想电磁寻迹直立平衡小车的侧面构架在以电机轴心线为中心的前后转动，可以定义以车身垂直地面为0，考虑到机械结构方面的原因，车身可摆动的范围大约在30至30之间。当不作任何控制时，车身向前倾斜或者向后倾斜，左右轮都将处于静止状态，也就是说车身前后摆动与车轮转动是相互独立当对车开始进行控制时，车身在竖直站立的状态下释放，小车只有静止、前进、后退三种运动的方式，在程序的控制下，小车能够保持自身的平衡将分为以下3种情况1静止，车身重心位于电机轴心线的正上方，测得则小车将保持平衡静止状态，不需要做任何控制。2前倾，如果车身重心靠前，车身会向前倾斜，则驱动车轮向前滚动，以保持小车平衡。3后退，如果车身重心靠后，车身会向后倾斜，则驱动车轮向后滚动，以保持小车平衡。因此，电磁寻迹直立智能车控制平衡的思想基本为当测量倾斜角度的传感器检测到车体产生倾斜时，控制系统根据测得的倾角产生一个相应的力矩，通过控制电机驱动两个车轮朝车身要倒下的方向运动，以保持小车自身的动态平衡。332直立系统中具体的控制过程根据上面所讲，小车保持平衡基本上分为三种情况静止，前倾和后退。以下进行详细说明车动态平衡的控制过程。在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜角速度，该值为采集回的陀螺仪的A/D值，将角速度信号（即A/D值）进行积分便可以得到车模的倾角。由于陀螺仪输出的是车模的角速度，该值不会受到车体运动的影响，因此该信息中的噪声很小。直立车的角度是通过对角速度积分而得，该信号较为平滑，从而使得角度信号更加稳定。所以直立车控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。因为从陀螺仪角速度获得是角度的信息，需要通过积分进行运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过再次积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号，如图331所示。图331角度积分漂移现象解决这种误差的方法就是通过加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。通过将积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度的对比，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。利用加速度计所获得的角度信息G与陀螺仪积分后的角度进行比较，将比较的误差信号经过比例1/TG放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进行积分。对于加速度计给定的角度G，经过比例、积分环节之后产生的角度必然最终等于G。图332通过重力加速度来矫正陀螺仪的角度漂移输出角度包含了两个一阶惯性环节，其中第一项是重力加速度Z轴对应的角度，第二项是陀螺仪加速度经过惯性环节的数值。系统不再存在纯积分环节，所以陀螺仪的角速度微小的偏差不会形成积累误差。其中参数TG决定了这两个惯性环节的时间常数。TG越大，角度输出跟踪Z轴的输出越慢，不过可以有效抑制重力加速度计上的噪声问题。TG过大，会放大陀螺仪输出的误差。这个参数需要根据实际的小车运行效果进行调整，即所需在调试过程中所得到的经验值。为了避免输出角度跟踪时间过长，可以采取以下两个方面的措施1）调整陀螺仪的放大电路，使得它的零点偏置能够尽量接近设定值，并且能够达到稳定。2）控制电路和程序运行的开始时，保持小车处于直立状态，这样能够在最初时得到输出角度与G相等。此后，加速度计的输出只是消除积分的偏移，输出角度不会出现很大的偏差。关于加速度传感器在直立系统的运用中，在车开电的情况下分别测试得到加速度传感器的A/D数值范围，如下角度A/D值（十六进制）范围前905224955230113011021131后90178617551787图333为加速度传感器在90度到90度间的采样结果加速度传感器的Z轴信号除了由于重力加速度引起的输出之外，还包括有直立小车的角加速度和移动加速度产生的信息。在直立小车现有的参数基础上，这些信号在幅值、频率等方面不会有太大的差异，它们将会叠加在一起。但我们可以通过加速度传感器获得的角度信息对陀螺仪所算出的角速度和角加速度进行校正。通过将积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度的对比，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。下图334为测量的到得加速度测得角度、陀螺仪积分推得角度和陀螺仪推得角速度。蓝线为加速度测的角度红线为陀螺仪积分的角度淡蓝为陀螺仪角速度图334测量的到得加速度测得角度、陀螺仪积分推得角度和陀螺仪推得角速度通过陀螺仪和加速度传感器采集得来的实时数据，想要能够反映当前车辆行驶的姿态情况，就必须通过将两种信号所得值进行滤波融合处理（即为上述比较）再在程序中根据查MAP表的方法得到能够反映真实的角度，根据经验公式给予PWM一定的值来控制电机的转速，和正反转信号，以此调整车的动态平衡。整个过程如下示意图图335所示图335动态平衡调整示意图34采样方法和采样间隔的选择对系统进行辨识时，系统的输入信号和输出信号都要经过采样处理。采用离线辨识方法时，通常先在现场用记录设备将模拟信号采集，经九公变换为数字信号输入计算机。而实施在线辨识时，则在现场直接将信号经过数字采样输入计算机。在这个过程中，其数字采样的问隔的选择将直接影响到辨识模型的精度，虽然原则上可以用优化准则求取最优的采样时间，但在实施的过程中，其计算过于复杂。一般是从实际出发，根据工作频率选择合理的采样时间，并考虑下述因素1应满足采样定理，即采样的速度不低于信号截止频率的两倍，一般为35倍2采样间隔应顾及辨识算法、计算速度及中侧变换器的响应速度等因素。3采样间隔的长短会直接影响模型的辨识效果，采样间隔过长，信息损失过多，将直接影响模型的精度，高阶模型会退化为低阶模型，采样时间过短，会遇到硬件速度不够等问题。341电磁传感器采样选择电磁传感器上一共有11个电磁感应线圈，在赛道中20KHZ的交变磁场作为路径导航信号，故一次采样的时间是1/20KHZ即005MS。在单个感应线圈采集电磁信号时，因为感应线圈采集的是交变电流产生的感应电动势，即线圈在一次采样时间内采集到的将是一个正弦波，因此为了准确的得到本次采集数据，我们选择在单个感应线圈的采样周期内完成50次采样，将这50次依次采集的A/D值记录到程序的数组中，在程序中根据这50个A/D数值的比较找出最大的数值，即为采集得到的峰值，以此代表该线圈当前采集到的A/D值。在11个周期导航信号产生的过程中，电磁传感器上的11个电磁感应线圈将从左往右依次采集感应线圈按照从左往右依次编号，完成直立小车程序中设计的一个完整采样周期，根据计算期间电磁传感器采样周期共用055MS。35路径检测算法的设计根据341中所述电磁传感器的采样选择，在依次对11个电磁感应线圈的A/D进行对比后，能够得到其最大值和最小值，根据这个最大值能够找出对应的电磁感应线圈，基本可以判断通电导航导线当前在最大值对应的线圈下方，从而近一步的判断得到直立小车相对道路的位置。电磁传感器的机械上设计大约前瞻在15至25CM范围内，即直立电磁车的一场信号能够代表当前车前方15至25CM处得路况。36路径算法的优化处理根据电磁传感器的采集特点发现，在复杂的环境中外界噪声较大，某一场数据易产生错误，如果在路径算法中单单依靠一场数据作为信号来使用，一旦出现某场数据错误将使小车在转向中出现严重错误，因此我们在路径算法中采用趋势算法。一个典型的趋势运动过程主要特征首先，趋势的发展尚未确认其次，一旦趋势被确认，这种认定将加强趋势的发展，并导致一个自我推进的过程。在趋势形成和强化的初期，会多次发生怀疑，但又多次被消除；再次，如果在多次怀疑的冲击之后，趋势的发展依然如故，那么，趋势必然会出现一个加速的过程接着，开始出现极端的现象，行为会开始发生扭曲，随即进入非理性状态。也预示着变化即将到来。趋势算法的具体思路如下1在车静止下开始采集50场数据，根据50场信息归纳总结得到当前导线靠近车上第几个电磁传感器；2采集新的一场数据，根据该场数据的信息与之前信息对比，如果本场得到的信息发现明显远离之前导线靠近的电磁传感器则判断，该场数据得到外界环境的干扰，并自动过滤掉本场数据，不计入单片机中；如果与之前得到信息变化范围在合理范围之内，则在单片机记下本场数据，并对总信息进行新的更新归纳，同时根据本场信息与之前的信息进行比较，根据变化情况对直立小车转向进行一定的控制；3延续上面第二部操作，直道数据信息库记录满200场信息为止，根据200场信息基本能够判断得出直立电磁小车当前所属的路况，根据赛道的常出现的情况大致可以分为直道、较缓左弯道、较缓右弯道、左急弯、右急弯和连续障碍弯道S弯4在每场数据记载到单片机数组中，按照将上一场的信息推送至较高的地址中，最新的一场信息记录在较低的地址中，因此，当200场数据记录满后，新的一场数据采集回时，其他数据将相继加一，而最高位的地址将被原先第199场数据覆盖，以后依次循环。5根据200场记载的实时信息，我们在单片机中进行优化运算，推算近200场得趋势，例如直道行驶在200场信息中近100场以上的信息能够有效显示电磁传感器的第57个电磁感应线圈的A/D值最大，则能够反映当前车的行驶状态为最佳即车体沿导线正上方行驶；弯道变直道直道进弯道200场信息中前百场以上的信息得到第14号或811号A/D值最大，且逐渐向中间感应线圈靠拢，而最近得到的几十场信息基本在中间感应线圈的下方则表示车在从弯道变化进入直道的过程中，与此相反则表示从直道转入弯道；弯道中转向不足直立小车在弯道中行驶相对比较困难，因此为了保证转向的质量，在弯道中的判断尤其重要。在200场信息中近60以上的数据信息显示第14号或811号A/D值最大，且逐渐向中间感应线圈靠拢，而最近得到的几十场信息基本在中间感应线圈的下方则表示车在从弯道变化进入直道的过程中，；37车行驶中直立控制策略在直立寻迹小车的行驶控制中，系统中共有小车直立控制、小车行驶速度控制和小车转向控制这三个模块控制影响了PWM的输出量，根据车行驶环境的不同，这三个量的输出将分别产生不同的改变，此时彼此间的相互影响会直接与小车的直立发生一定的干涉效果，为了有效的避免这种情况的发生我们建立车行驶中直立控制系统。首先在调试车辆之前通过硬件和软件上的检测了解C类车模的电机特性，电机在满转时输出的PWM值为4500，小车正常行驶的最低PWM输出值为2000，而能够影响转向的PWM输出在01500之间。根据这个特性考虑到小车保持直立性是具有优先权的，所以在系统中影响最终PWM输出的直立控制、行驶速度控制和转向控制这三个模块的关系应该如下图371示图371PWM各部分输出关系这样直立控制所占的PWM占空比相对远大于速度和转向上的，所以当车在行驶过程中发生可能导致的干涉条件时，首先能够有效地保证直立控制。PWM总输出直立控制PWM范围20004500速度控制PWM范围01500转向控制PWM范围0150038两轮车转向系统设计实现小车车模方向控制是课题的另一个关键所在。电磁车在所处得道路中心线铺设的有一根漆包线，里面通有100MA的20KHZ交变电流，即在道路中心线周围会产生一个交变磁场，在前面的原理介绍中已经详细讲解。所以需要通过道路电磁中心线偏差检测与电机差动控制来实现方向控制。（1）电机差动控制简单来讲就是利用电磁传感器检测到得电磁线偏差信号与车模两电机的速度控制信号进行加减算法从而形成左右轮差动控制电压，使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向。图381电机差动控制示意图方向控制过程是一个积分过程，因此小车差动控制一般需要对两个电机进行简单的比例控制来完成车模方向的控制。因为车模本身安装有电池等比较重的物体，具有很大的转动惯量，在调整过程中会出现车模过转向和不足转向的现象，所以如果不采取相应的抑制措施，车模就不能达到要求导致行驶出赛道。为了消除车模方向控制中的问题，就需要增加微分控制。微分控制即根据车模方向的变化率对电机差动控制量进行修正的控制方式，因此需要应用陀螺仪来检测车模的转动速度。因为电磁的磁场与检测线圈的距离和方向有关，当电磁车的方向与赛道应该行驶方向没有偏差时，电磁传感器采集回的电磁信号。在进行方向控制时，使用左右两个线圈感应电动势之差除以左右两个线圈感应电动势之和，使用该比值进行方向控制，这样能够有效的消除检测线圈的角度影响。根据车模检测到电磁感应电压来生成电机差动控制量。通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模距离道路中心的偏差。通过调整车模的方向，再加上车前行运动，可以逐步消除车模距离中心线的距离差别。这个过程是一个积分过程，因此车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车模方向控制。但是由于车模本身安装有电池等比较重的物体，具有很大的转动惯量，在调整过程中会出现车模转向过冲现象，如果不加以抑制，会使得车模冲出赛道。根据前面角度和速度控制的经验，为了消除车模方向控制中的过冲，需要增加微分控制。微分控制就是根据车模方向的变化率