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1、分类号UDCTP393621.3密级公 开D-10617-30852-(2015)-01103重庆邮电大学基于 ARM 智能代步车控制系统中文题目设计与实现The Design and Implemenion of The英文题目elligent Scooter Control SystemBased on ARMS120131108学号姓名工程学位类别电子与通信工程学科专业指导教师2015 年 4 月 30 日完成日期独 创 性本人所呈交的是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，中不包含他人已经或撰写过的研究成果，也不包含为获得 重庆邮

2、电大学 或其他的学位或而使用过的材料。与我一同工作的对本文研究做出的贡献均已在中作了明确的说明并致以谢意。作者签名：日期：年月日使用书本人完全了解重庆邮电大学保留、使用纸质版和的规定，即学校向国家有关部门或机构送交，允许被查阅和借阅等。本人重庆邮电大学可以本的全部或部分内容，可编入有关数据库或信息系统进行检索、分析或评价，可以采用影印、缩印、扫描或拷贝等保存、汇编本。（注：的在后适用本书。）作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日摘要据统计，到 2050 年，全球将增加到 20 亿，其中发展中国家人口预计是目前的四倍。老年代步车需求市场在过去几年内持续增长，年增幅在 7%左右，但市场现有代

3、步车控制系统多采用单独 MCU 设计，存在实时性和系统扩展性差等缺点，造成代步车功能单一，操作缺乏人性化。因此，开发采用技术、总线技术的智能代步车控制系统，解决和改善老年代步车智能化水平低、安全隐患突出，具有深远的社会意义和广阔的市场前景。本文在研究智能代步车控制系统结构和功能的基础上，采用“控制器+处理器”主从式设计，根据智能代步车控制系统功能需求，对部分功能设计方案进行对比论证，包括轮毂电机驱动、代步车差速转向、定位等，设计基于 ARM11主控单元和基于STM32 行驶控制单元组合的智能代步车控制系统。主控单元和行驶控制单元通过CAN 总线进行通信。具体工作有以下几个部分：1.研究市场上的

4、智能代步车控制系统，设计智能代步车控制系统的总体方案和各个功能模块实现方案，并对方案进行分析论证。2. 根据硬件设计总体方案进行智能代步车控制系统硬件电路设计。硬件电路设计分为两个部分：主控单元和行驶控制单元，其中主控单元包括S3C6410板、GPS、GPRS、USB头、CAN 等功能模块；行驶控制单元包括STM32 最小系统、杆模块、霍尔传感器模块、功率驱动模块等。3. 根据设计总体方案进行智能代步车控制系统设计。设计包括对Linux 系统内核驱动进行研究，裁剪订制合适的系统文件、驱动程序和开发上层应用，主要完成 USB头、GPS、GPRS、CAN 等模块驱动程序开毂电机驱动、电枢电子换向、

5、双电机差速、杆等行驶控制模块程序开发，基于 QT编写控制系统界面。4. 对智能代步车控制系统整车方案进完整性。试验证，验证系统设计的正确性与：老年代步车，ARM，STM32 处理器，CAN，电子差速AbstractAccording to sistics, by 2050, the global aging population will increase to 2billions, the aging of the population in develocountries, which is expected to befour times the current. Elderly sco

6、oter market demand continued to growhe past fewyears, annual growth of around 7%, but the market existing car control system usingsingle MCU design, there are poor expansibility and real-time system, scooter operationcaused by single function, lack of humanity. Therefore, the development ofelligents

7、cooter based on embedded technology, bus technology in the control system, andimprove theelligence level of elderly scooter, safety hazards prominent question, hasthe profound sol significance and broad market prospect.Based on the research of the control system structure and function ofelligentvehi

8、cle, using the controller and prosor master-slave design idea, based on theelligent car control system functional requirements, comparison and demonstration on the part of the function design scheme, including the wheel motor driving, generationstep scooter differential steering, remote location, to

9、 design theelligent transportscooter control system based on ARM11 main controit and based on STM32 drivingcontroit. Main controit communicates with the driving controit via CAN bus.The specific work includes several parts as follows:Smart scooter market investigation on the control system, the over

10、all design of elligent control systems scooter and each module implemenion, and programysis and appraisal.According to the overall scheme of the hardware , to design theelligentscooter control system hardware circuit. The hardware circuit design is dividedo twoparts: the main controit and the drivin

11、g controit, which is the main controitcomprises a S3C6410 cor, GPS, GPRS, USB camera, CAN and other module;driving control unit consists of the minimum system of STM32, the lever module,sensor module,er module and Holzer.3. According to the overall scheme of the software , to design the elligent sco

12、oter control system software. The software design including the Linux kernel driver of cutting customized system files, suitable driver development and application, mainly tocomplete the USB camera, GPS, GPRS, CAN driver module development of in wheelmotor drive, dual motor armature electronic commu

13、ion, differential and joystickcontrol module program, written in QT control theerface of the system software based on.4. Theelligent scooter control system the whole scheme of testing, thecorrectness and completeness of the verification system design.Keywords: elderly scooter, ARM, STM32 prosor, CAN

14、, electronic differential目录图录VIII表录XI注释表XII第 1 章1.11.21.31.4第 2 章2.12.2绪论1课题背景与意义1国内外发展现状2课题研究内容及意义3组织结构4智能代步车系统研究与分析6智能代步车概述6智能代步车系统结构及原理62.2.12.2.22.2.3驱动电机7电机驱动控制器8操作控制系统92.3智能代步车控制系统技术分析92.3.12.3.22.3.3轮毂电机驱动技术10差速转向技术10122.4第 3 章3.13.23.3本章小结13智能代步车控制系统方案设计14智能代步车控制系统需求分析14智能代步车控制系统总体设计15智能代步车控

15、制系统方案论证163.3.13.3.23.3.3控制系统设计16无刷直流电机驱动设计18差速转向设计203.3.4定位设计223.3.5 环境感知及避障设计23本章小结24智能代步车控制系统硬件设计与实现25智能代步车控制系统硬件总体设计254.1.1 控制系统硬件方案设计253.4第 4 章4.14.1.2 主要选型及介绍264.2主控模块设计274.2.14.2.24.2.34.2.44.2.5板电路28GPS 模块接口电路30GPRS 通讯模块接口电路31USB头模块接口电路32液晶屏接口电路324.3行驶控制模块设计334.3.14.3.24.3.34.3.44.3.54.3.6STM

16、32 最小系统34杆接口电路35霍尔传感器接口电路35无刷电机控制接口电路36功率驱动电路37过流保护电路384.4 CAN 总线通讯模块384.5其他功能模块设计404.5.14.5.24.5.34.5.44.5.5电源稳压模块40语音提示模块41温度传感模块42超声波模块42蜂鸣器模块434.6第 5 章本章小结43智能代步车控制系统设计与实现455.15.2智能代步车控制系统总体设计45设计46智能代步车控制系统5.2.15.2.25.2.3LCD 触摸屏驱动程序设计46GPS/GPRS基于 V4L2 的定位设计48图像设计515.3行驶控制设计525.3.15.3.25.3.35.3.

17、4电子换相模块子程序54杆模块子程序56调速模块子程序57差速模块子程序595.4CAN 总线通信程序设计59CAN 总线数据格式59CAN 总线驱动设计61GUI 应用程序设计635.55.5.15.5.2总体架构64GUI 设计655.6第 6 章6.1本章小结66智能代步车控制系统测试与验证67控制系统硬件电路测试676.1.1 电源转换电路686.1.2 电机驱动电路信号686.2控制系统测试69搭建696.2.16.2.26.2.36.2.4测试系统移植测试69CAN 总线测试70GUI 界面显示程序测试716.3第 7 章7.1本章小结72结束语73主要工作与创新点737.2 后续

18、研究工作73参考文献75附录A部分硬件设计原理图和PCB 版图78附录B部分程序代码81致谢84攻读学位期间从事的科研工作及取得的成果85图录图 1.1图 2.1图 2.2图 2.3图 2.4图 3.1图 3.2图 3.3图 3.4图 3.5图 3.6图 3.7图 3.8图 3.9图 4.1图 4.2图 4.3图 4.4图 4.5图 4.6图 4.7图 4.8图 4.9图 4.10图 4.11图 4.12Pride 公司 GO-Chair 电动代步车2智能代步车结构配置 710111214 151818192021232425272829303031 3132 333434带位置传感器无刷直流

19、电机驱动原理框图代步车差速转向模型GPS 定位原理图智能代步车功能需求智能代步车控制系统总体方案控制系统流程图三相半桥式驱动电路三相全桥式驱动电路各绕组通电相序以及霍尔位置信号编码值电子差速转向系统定位方案环境感知及避障系统方案框图硬件设计总体方案主控模块框图SDRAM 与S3C6410 连接原理图NAND FLASH 与S3C6410 连接原理图板时钟复位电路JTAG 调试接口GPS 模块接口电路GPRS 模块接口电路USB头接口电路LCD 液晶接口电路无刷直流驱动系统框图STM32 最小系统电路图 4.13图 4.14图 4.15图 4.16图 4.17图 4.18图 4.19图 4.20

20、图 4.21图 4.22图 4.23图 4.24图 4.25图 4.26图 5.1图 5.2图 5.3图 5.4图 5.5图 5.6图 5.7图 5.8图 5.9图 5.10图 5.11图 5.12图 5.13图 5.14图 5.15杆接口电路3536363737383940 41 4142424343454747495052535354555658596263霍尔传感器接口电路STM32 无刷直流电机控制接口电路MOSFET 驱动电路光耦电路过流保护电路S3C6410 与CAN 模块连接示意图MCP2510 与收发器硬件连接图电源电压转换电路语音提示模块电路温度传感器模块接口电路US-100

21、 超声波测距模块超声波测距模块接口电路蜂鸣器电路控制系统架构触摸屏驱动程序流程示意图帧缓冲设备显示图像流程图定位流程图GPRS 模块程序流程图V4L2流程框图行驶控制原理框图行驶控制流程图外部中断程序框图波形仿真图智能代步车方向控制区间划分图调速模块子程序框图差速转向模块子程序框图CAN 报文发送流程CAN 中断接收流程图 5.16图 5.17图 6.1图 6.2图 6.3图 6.4图 6.5图 6.6图 6.7图 6.8图 6.9处理模块和数据模块关系64 6567 6869707070717172GUI 程序界面设计波形单电机实验测试示波器测得Uboot 烧写过程zImage 烧写过程文件

22、系统烧写过程接收扩展帧波形扩展帧划分控制系统登陆界面控制系统主界面表录表 2.1表 3.1表 5.1表 5.2表 5.3表 6.1表 6.2电机优缺点比较7对比22GPS 数据信息及其含义48差速解算转速表56CAN 总线扩展帧格式60电源测试对照表68测试环境69控制系统注释表ARM API CAN CMOS DSP FPGA GPS GPRSGUIAdvanced RISC Machines，精简指令集微处理器Application Programmingerface，应用程序编程接口Controller Area Network，控制器局域网总线Complementary Metal O

23、xide Semcond-uctor，互补金属氧化物半导体Digital Signal Prosor，数字信号处理器Field Programmable Gate Array，可编程门阵列Globalitioning System，全球General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术Graphic Usererface，图形用户接口Insulated Gateolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管LCDMCU MOSFETLiquid Crystal Display，液晶显示屏 Microcontroller Unit，微控制单元Metal Oxide

24、 Semiconductor Field Effect Transistor，金氧半场效晶体管PCBPred Circuit Board，印制电路板Proportionegration Differentiation，比例-积分-微分Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制 Reduced Instruction Set Computer，精简指令集System on Chip，系统RISCSoC SPI UART USBWIFISerial Peripheralerface，串行外设接口Universal Asynchronous Reciver Trans-mitter，

25、通用异步收发传输器 Universal Serial Bus，通用串行总线Wireless Fidelity，无线宽带第 1 章 绪论1.1 课题背景与意义随着城市环境规模的日益扩大，燃油交通工具大量使用，能源价格日益上涨、交通状态越发拥堵、城市空气污染严重、化等问题相继出现，所以选择绿色出行不但是一种环境保护的理念，而且是一种向上生活态度的体现。电动代步车便是一种绿色出行的方式，发展绿色的电动交通工具已经成为一个重要的课题。电动代步车凭借其省时、便捷、节能、环保、安全等诸多优势，成为全球诸多国家和地区极力推广的交通工具的形式之一，得到广大居民的青睐。21 世纪，化已是全球化现象。根据数据统计

26、，从现在到 2050预计是现在的四倍。年将从 6 亿增加到 20 亿，其中发展中国家电动代步车需求市场在过去 50 年内持续增长，年增幅在 7%左右。2011 年，全球1。电动代步车市场销量突破 500 万辆，销售额达 46 亿48 亿随着技术的快速发展，系统也在电动代步车上得到应用。嵌入式技术基于“特定”的应用场合，拥有对体积、成本、功能、可靠性、功耗等优点，在消费电子、互联网通信、工控等领域都有着举足轻重的地位。代步车控制之一，以往代步车控制系统是单独利用 MCU 设计，系统是电动代步车的I/O 端口、系统时钟频率不够高，但经过长时间的测试和使用，发现由于缺少造成代步车功能单一，操作缺乏人

27、性化2。目前无技术的流行、全球化进程加剧以及老年人对生活质量需求提高，开发一款方便老年人、残障参与社会活动的智能代步车控制系统，具有深远的社会意义和广阔的市场前景。基于以上需求，研究设计一种智能化程度高，满足我龄化社会节能、环保、安全的交通工具需求的智能代步车控制系统有广阔的市场前景。智能代步车代替汽车出行，减少了尾气排放，缓解拥堵的城市交通现状，符合人们一直大力倡导的绿色出行、低碳生活的理念。1.2 国内外发展现状智能代步车控制系统属于电动轮椅控制系统的领域，国外这方面的研究起步较早，相关研究开始于上世纪八十年代，事实上在以前欧美、等发达国家就已经关注到社会化，老年人和残障由于身体机能的在日

28、常的生活中行动不便，为此开始研究和开发各种电动轮椅、代步车的代步辅助工具来解决老人代步出行。世界各国的科研院所、公司相继得到国家项目支持，经过多年研究开发，开发了多种智能代步车控制系统，包括麻省理工大学的WHEELSLEY 项目，的TAO 项目，西班牙的 SIAMO 项目，法国的 VAHM 项目，德国大学的MAID 项目，希腊的SENARIO，我国 863 智能机器人智能轮椅项目等3。近些年来，国外电动代步车行业发展尤为迅猛，在电动车制造公司主要代表如Pride 公司开发的 GO-Chair 电动代步车，如图 1.1 所示。图 1.1 Pride 公司 GO-Chair 电动代步车该电动代步车

29、由两个 12V 电池串联车载电源，采用有刷直流电机作为驱动电机，由杆操作控代传统方向盘的转向机构，具有转弯半径小，操作方便，适合在室内使用等特点。在国内许多高校、科研院所，都在进行智能代步车研究和开发，开展研究较晚，但也有自己的技术特点和优势。自动化所研制的智能代步车控制系统采用 ARM+DSP+FPGA 的方式来构建智能代步车控制系统，由 ARM、DSP、FPGA 主控分别搭建智能代步车的控制系统、传感器系统、视觉系统和运动控制系统，整个系统运行稳定，智能化程度高。另外，自动化所研制的多模态交互代步车样机，着重对智能代步车人机交互控制界面的设计，并且可以实现简单的人机功能。交通大学开发一种多

30、功能智能代步车，主要为丧失肢体行动能力的残障设计，代步车用户通过发出前进、后退、左转弯、右转弯、停车等控制指令，代步车即可在 2 秒内执行指令4。中正大学研制的代步车控制系统，以一台 PC 为上位机控制代步车，装配麦克风、液晶面板、传感器等，搭载自行开发的系统，能实现无线网络通讯功能。国内虽然有很多公司在做这方面研究开发，但没有形成产业规模，产品系列不够完善，与国外专业公司相比，没有竞争优势。因此，研究开发一种性价比高、人机界面友好、功能较完备的智能代步车控制系统，缩小与外国专业公司的差距，满足日益社会化的需求，减少环境污染，缓解拥堵的城市交通状况，符合中国国情的电动代步工具是未来代步车研究的

31、重点。1.3 课题研究内容及意义本文研究设计一种运用技术开发，既能满足老年人的日常出行需求，又能应用于残障的康复训练的智能电动代步车控制系统，解决和改善目前老年人代步车智能化水平低、安全隐患突出。具体工作有以下几个部分：1. 在研究市场上智能代步车已经实现的功能以及有广泛需求的功能的基础上，研究设计一种智能代步车控制系统，可以实现 GPS 定位，头图像数据，触摸屏与杆共同对智能代步车进行相应操作，环境感知和避障等功能。2. 对电动代步车差速转向原理进行分析，建立电子差速驱动模型，在建模基础上设计双电机差速转向与驱动控制总体方案。3. 根据硬件设计总体方案进行智能代步车控制系统硬件电路设计。硬件

32、电路设计分为两个部分：主控模块和行驶控制模块，其中主控模块包括板模块、GPS 模块、GPRS 模块、USB头模块、LCD 液晶屏模块、CAN 通信功能模块；行驶控制模块包括 STM32 最小系统、模块以及相关杆模块、霍尔传感器模块、功率驱动模块等。4. 根据设计总体方案进行智能代步车控制系统设计。设计包括对Linux 系统内核驱动进行研究，裁剪订制合适的系统文件、驱动程序和开发上层应用等，主要完成 USB 接口式4Linux2头设备驱动图像设计，GPS 定位设备与 GPRS 通信设备等驱动程序开毂电机驱动、电枢电子换向、双电机差速、杆等行驶控制模块程序开发。5. 对智能代步车整车方案测试验证，

33、以完成系统设计的正确性与完整性的验证。随技术的发展，用户对产品性能要求越来越高，例如，友好的操作界面，用户程序功能多样化等。本文将ARM 处理器与电动代步车结合，设计一种基于 ARM 处理器并移植Linux 操作系统的的智能代步车控制系统，采用 QT 设计上层应用程序，具有操作简单、人机界面良好、附加功能丰富的特点，头路面，GPS例如，触摸屏和杆共同控制代步车行驶，定位等。代步车以电池作动力，具有节能、环保、安全等特点，代替汽车出行，减少尾气排放，缓解拥堵的城市交通现状，符合一直大力倡导的绿色出行、低碳生活的理念。1.4组织结构本文主要完成基于 ARM 的智能代步车控制系统的设计与实现7 个章

34、节，具体章节安排如下：整体分为第一章 绪论，概述了智能代步车的产业背景和国内外研究现状，并给出了课题研究内容及各章节安排。第二章 智能代步车系统研究和分析，概述了智能代步车的背景、发展趋势，及代步车的系统结构原理，然后介绍了智能代步车控制系统的相关技术。第三章 智能代步车控制系统方案设计和论证，首先对智能代步车控制系统的需求进行分析，根据需求分析对智能代步车控制系统相关方案进行对比论证，给出适合智能代步车控制系统的设计方案，最后对智能代步车控制系统总体设计进行介绍。第四章 智能代步车控制系统硬件设计与实现，对智能代步车控制系统的硬件电路进行介绍，分为两个部分：主控模块和行驶控制模块，其中主控模

35、块包括板模块、GPS 模块、GPRS 模块、USB头模块、LCD 液晶屏模块、CAN 通信模块以及相关功能模块，行驶控制模块包括 STM32 最小系统、杆模块、霍尔传感器模块、功率驱动模块等。第五章 智能代步车控制系统设计与实现，首先介绍了开发平台的整体架构和选型，然后针对智能代步车相关模块的需求，对相关设备驱动进行设计，包括LCD 液晶屏驱动、USB头模块驱动、GPS 模块驱动、GPRS 模块驱动及CAN 总线通讯模块驱动等，再着重对行驶控制模块的进行开发，包括电子换相、调速、差速转向、杆等子程序的设计。第六章 智能代步车控制系统测试与验证，对智能代步车控制系统的硬件电路测试，功能测试，在测

36、试过程中发现问题并给出解决方案。第七章 总结与展望，对本文研究内容进行总结，并后续工作的研究方向。第 2 章 智能代步车系统研究与分析2.1 智能代步车概述智能代步车一般以车载电池为动力来源，使用轮毂电机驱动车轮行驶，是老年人、残障等行动不便人群的一种比较理想的代步工具，具有一定的消费市场，也是近年来电动车研发的一种趋势。智能电动代步车可以减少碳排放、保护环境，而且减轻用户经济负担，具有环保、结构简单、操作人性化等优点，满足了人们普遍愿望和功能需求。尤其是具有中短行驶里程、低速的智能电动代步车，这类代步车具有智能化程度高，有独立的转向系统，LCD 显示屏可以显示实时行车速度、行驶里程、池状态，

37、人机交互界面人性化5。、电智能代步车的工作原理动汽车类似，只是体积更小、功率更小，是从医疗器械电动轮椅车演变而来，一般最大车速 10 公里左右，爬坡能力在 8左右，智能代步车具有以下明显的优点：1. 结构相对简单，易于维修。与采用发引擎的机动车相比，采用电力驱动的智能代步车结构要简单得多，故障更少，维修也更方便；2. 污染少，动力补给方便，能源利用率高。一般智能代步车以电池为能源，以电机驱动行驶，没有尾气排放、安全隐患等问题。智能代步车总输出功率一般在 300W 以下，在路况较好的道行驶功率一般不超过 100W，轻型代步车每百公里耗电一度半左右，具有节能、环保、安全等特点；3. 行驶时噪声低、

38、振动小。电机驱动要比内燃机噪声小得多，传构相对简单，因而振动和噪声也较小，对老年人和残疾来说舒适性更好。2.2 智能代步车系统结构及原理智能代步车整车车身机械结构分为以下几大部分：代步车车架，转向操作装置，座椅，控制系统单元及轮毂电机等，其中车架包括底盘及座椅支撑装置，在传统机械转向代步车上改进，将复杂的机械转向换成电控转向装置6。智能代步车就动力驱动而言，有采用内燃机、电和混合动力驱动的方式，但主要采用电驱动，以电池为动力来源，结构较为简单，其结构配置如图 2.1所示。控制系统复杂度高、转矩脉动大和振动噪声较大。因此，开关磁阻电机在电动车辆中电机驱动应用较少。2. 感应电机：感应电机具有效率

39、高、可靠性高、能量密度高等特点，有的工业标准，但是其控制系般需要高档的控制，加上控制系统电路复杂，在小功率的驱动系统中采用很少。3. 直流电机：直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机。有刷直流电机具有启动扭矩大电流小、调速性好、稳定性高等特点，但是也存在较多缺点，例如，采用机械换相，换相时电刷与换相器间会产生火花，无法适应高速环境。无刷电机克服有刷电机的许多缺点，具有优良的机械性能，在电动车辆电机驱动中应用广泛。2.2.2 电机驱动控制器直流有刷电机、永磁无刷直流电机、异步电机以及开关磁阻等电机都可以作为智能代步车的驱动电机，只是相应的控制器不同而已。交流电机驱动控制器将直流电通过逆变器变成交

40、流电后驱动电机，具有质量轻、效率高、调速范围广等优点，近年来取得不少新的突破，但交流电机驱动系般在电动汽车等功率较大的场合使用较为广泛，在功率较小的电动代步车应用很少。直流有刷电机驱动器一般多用在早期电动代步车，是比较成电机驱动控制器，价格相对低廉，只需要用 MOSFET 元件组成“H”桥，就可以实现对电机的控制，从而使代步车的前进、后退、转弯、停止等功能，但其采用机械换相，可靠性较低。根据驱动类型，电机驱动控制器分为以下几种类型7：1. DSP 处理器主控的电机驱动控制器。控制精度高，但开发难度较大，价格高昂；2. 单片机主控的电机驱动控制器。控制精度一般很低，仅仅完成一般的功能，在需要精密

41、控制的场合达不到要求；3. ARM 处理器主控的电机驱动控制器。ARM的时钟频率和控制精度可以和普通级别 DSP 相媲美，而且针对电机控制方面专门集成了多种的电路，价格低廉，非常适合中低成本的电机控制领域，可以有效的降低电机驱动控制器的体积和成本。2.2.3 操作控制系统操作控制系统作为智能代步车的技术之一，其研发水平对代步车发展有着的影响。代步车操作控制系统主要可以分为两种：一种是控制单元与轮毂电机驱动单元由一块控制，这类控制系统完成功能相对简单，如前进、后退、转弯等，控制精度低；另一种是主从式控制方式，控制单元与轮毂电机驱动单元由不同分别控制，两者通过总线通信，这类控制系统轮毂电机驱动单元

42、由单独控制，能完成较复杂的运动控制算法。目前，研发的代步车控制系统虽然功能上满足了市场需求，但是却存在着控制器集成功能少、稳定性可靠性差，各个供应商提供的控制器接口与通讯协议互不相同、可移植性差及控制系统成本较高等缺点。随着智能代步车控制系统研究的不断深入，对控制系统的要求越来越高，电动代步车控制系统的发展趋势主要有以下几点：1. 控制系统对轮毂电机驱动部分运算能力要求越来越高。随着整车控制智能化要求越来越高，控制系统的输入输出信号将会增多，运动控制算法等相应算法也越来越复杂，对主控的运算能力提出更高要求。据 Motorola 公司年，市场上高性能的 32 位处理器将占到代步控制系统处理器的

43、90%以上。，20152. 控制系统硬件设计趋于。随着电子控制单元传感器等数量增多，控制系统的布局及控制系统成本会制约智能代步车的发展与普及。硬件设计后不仅减少控制器的体积，还能控制系统研发成本。3. 控制系统整体架构逐渐规范化。随着各厂商的合作越来越密切，控制系统架构的规范有利于提高的可移植性，同样降低控制系统的研发成本。2.3 智能代步车控制系统技术分析前面两节对智能代步车系统做了整体介绍，包括代步车整车的结构组成和工作原理，下面针对智能代步车控制系统中应用到的部分进行分析，这一节主要分析在智能代步车控制系统中较为关键的轮毂电机驱动技术、代步车差速转向技术、。2.3.1 轮毂电机驱动技术轮

44、毂电机是在车轮内装电机，将电机装置、传动和制动集成到轮毂内，使得电动代步车整车结构得以简化。目前，轮毂电机多采用永磁无刷直流电机。永磁无刷直流电机由永磁材料制成的转子和三相对称线圈绕组的定子组成，具有结构简单、运行可靠、方便等优点，相对有刷直流电机而言，有更加优越的性能。永磁无刷直流电机分为无位置传感器和有位置传感器两种类型。位置传感器形式是多样的，一般常见为霍尔位置传感器，内装带位置传感器永磁无刷直流电机的轮毂电机驱动原理如图 2.2 所示。1. 机械转向。通过研发特殊机械转向传动装置来实现，传动可靠性高，但存在结构复杂，输出转矩浪费大，成本较高等缺点。是机械的，2. 电控转向。将控制指令传

45、递到转向执行机构，避免复杂的机械传动，通过优化控制模型，提高控制算法的准确性来实现智能代步车差速转向。智能代步车属于低速两后轮转向系统，参考 Ackerman-Jeantand 模型建立智能代步车差速转向模型9，如图 2.3 所示。其中，E 为代步车的车身长，W 为车宽， 为转向角度。第 3 章 智能代步车控制系统方案设计3.1 智能代步车控制系统需求分析目前，大多数中低成本代步车主要是以中单片机为控制，完成基本的电机驱动，前进、后退等机械运动，而且人机交互方式很少，缺乏智能化操作功能。另外，代步车的使用者大部分是老年人或行动不便的残障。因此，设计一种更加人性化符合老年人需求的智能代步车就有了

46、市场需求。经过分析，智能代步车控制系统要求拥有较好的人机操作界面、丰富的附加功能，例、定位等功能，如图 3.1 所示。如触摸控制、路面实时3.2 智能代步车控制系统总体设计在智能代步车控制系统结构方面一般采用主从控制的方式，上位机负责系统整体控制，包括人机交互、参数设置、系统管理以及各功能模块的协调控制等，同时完成轮毂电机驱动参数计算，送到下位机，完成对智能代步车的运动控制。上位机多采用PC 机，但PC 上位机信息集中处理，实时性较差，成本较高。随着计算的发展，开始尝试采用技术构建智能代步车控制系统开发。本文智能代步车控制系统采用“控制器+处理器”的主从式控制方案，其中核心主控单元采用搭载了操

47、作系统的，行驶控制单元采用高速处理器完成轮毂电机驱动。上位机搭载操作系统，完成对智能代步车的直观操作，把控制命令发送给处理器，行驶控制模块才是直接执行机构。主控单元的外围模块由显示模块、头模块、定位模块、测距传感模块等模块组成。行驶控制单元模块由左右驱动电机、杆等模块组成，主控模块与行驶控制模块通过 CAN 总线进行通信，其系统总体方案如图 3.2 所示。图 3.2 智能代步车控制系统总体方案JTAGUART驱UART动行驶控制CAN电驱动模块机SPII/OI/O硬件操纵杆温度模块语音提示模块接口测距传感模块定位模块头模块显示模块CPU蜂鸣器模块操作系统内核图形界面驱动程序数据库用户应用程序路

48、况参数设定电量管理定位行驶控制人机界面智能代步车控制系统的运行流程如下：系统上电后触摸屏启动，用户先通过在图形化登陆系统界面输入用户名和，进入代步车控制系统主界面，用户在功能界面可以实现相应的功能，对智能代步车进行相应的操作，如行驶控制、参数设定等。有些代步车用户身体活动可能不便，在过程中，头部大范围扭动可能造成，用户可以通过安装在代步车后部的头对路面进行观察，保证的安全。智能代步车通过定位模块和参数模块，实时获取代步车的准确地理位置、速度及电量等信息，然后将信息以一定格式通过通信模块发送到服务器或上，实现代步车定位的功能。另外，当代步车到的温湿度等信息超过设定阈值，车载电源电量低于某一设定阈

49、值时，告警单元会发出信息。代步车控制系统检测车载电源的剩余电量，代步车继续行驶里程。3.3 智能代步车控制系统方案论证上一节对智能代步车控制系统软硬件进行总体分析和设计。本节根据智能代步车控制系统的需求分析和总体设计方案对控制系统软硬件、电机驱动、差速转向、定位、环境感知和避障等方案进行选择和设计。3.3.1 控制系统设计根据 3.1 节智能代步车的功能需求分析，代步车控制系统要求拥有较好的人机操作界面、丰富的附加功能，例如触摸控制、路面实时、定位等。嵌入式应用在“特定”的场合，满足高性能、低成本的需求，拥有对体积、成本、功能、功耗、可靠性的要求和软硬件可裁剪、移植的优点，本文智能代步车控制系

50、统采用软硬件进行设计开发。1.处理器处理器是系统的硬件，操作系统运行的。嵌入式处理器可分为以下几种类型：(1)微控制器：又称单片机，通常把 CPU、器等其他外设封装在一个中，只保留与应用相关功能硬件。(2)微处理器：由通用CPU 演变而来，它的特征是具有较高的性能，在应用领域通用性强，和工业控制计算机比，具有体积小、成本低、可靠性高等优点。(3)DSP 处理器：主要用来处理数字信号，运算速度很高，有很高的编译效率和指令执行速度。(4)其中，片上系统：又称系统SoC，在集成电集成较多功能模块。微处理器在应用通用性、移植、开发难易程度等方面具有较大优势。目前主流微处理器有 ARM 系列、C 系列，

51、其中 ARM 处理器，因其卓越的性能和显著的优点，已广泛应用于工业控制、消费电子等领域。本文控制系统硬件采用 ARM 架构微处理器。2.操作系统操作系统是系统中的关键部分，它管理着系统软硬件资源，是硬件与之间的桥梁。操作系统不仅为底层硬件提供操作，同时为上层应用程序提供编程接口，虚拟化硬件。因此，操作系统的选择对系统，目前流行的操作系统有以下几种：(1)Linux 操作系统：优势在于免费、内核源码公开、性能优异、移植容易、相应技术支持也较多。(2) VxWorks 操作系统：优势在于实时性好，有高性能的内核，友好的用户开发环境及良好的发展能力，具备强大的集成开发环境，但是 VxWorks 的开

52、发和使用需要支付高昂的专利费，开发成本较高，而且源码不公开。(3) Windows CE 操作系统：Windows CE 继承了Windows 图形化界面，大多数应用只需要简单修改即可使用，但是 Windows CE 是的，价格比较昂贵。对智能代步车控制系统来说，的好坏直接影响系统运行的稳定性和功能的实现，系统设备较多，实现的功能较多，需要完成图像、友好的人机交互等复杂的应用11。本文在 ARM作系统。Linux 操硬件搭载智能代步车控制系统设计分为三个层次：底层驱动层、操作系统层和上层应用层。底层驱动层包括引导加载程序Bootloader、硬件驱动等底层；操作系统层包括操作系统内核移植、文件

53、系统移植；上层应用层为在操作系统上运行的用户程序。为了使智能代步车的设备正常工作，需要完成设备驱动的编写。在系统上层应用上，完成智能代步车的运动控制、采集、参数设定等功能子程序模块的编写。代步车控制系统流程如图 3.3 所示。无刷直流电机采用半桥驱动方式的优点是驱动元器件少、成本低、控制简单，但电机绕组利用率低，一个周期每个绕组只有 周期通电，转矩波动大。2. 全桥式三相全桥式驱动电路如图 3.5 所示。T1、T2、T3、T4、T5、T6 为功率器件，逆变电桥，采用星型连接方式驱动无刷直流电机，根据位置逻辑信号，控制功率器件导通实现电机三相绕组电流通断，常见导通方式分为两种：两两导通方式和三三

54、导通方式。综合考虑电机相数、连接方式与工作性能的关系，本文无刷直流电机采用三相星型全桥两两导通的驱动方式。霍尔位置传感器在空间安装上间隔 ，其相位差为 120，霍尔传感器的值，可以得到一个 3 位的编码值，每个编码值代表了转子当前所处的区间，从而确定对哪些绕组通电。不同区间霍尔位置编码值和定子绕组通电情况如图 3.6 所示。电子差速转向系统可以分为以下 3 个主要部分，如图 3.7 所示。杆、旋转电位器；行驶控制系统：电机驱动模块、位置信号杆系统：模块；转向驱动系统：无刷直流电机、转向驱动轮。三部分的分别是：旋转电位器、微控制器、驱动电机。转向，摆脱了传统机械转向传动效率低下，简化转向系统的结

55、构，提高安全性，增加代步车空间布局的灵活性，同时降低代步车的质量，加大代步车续航里程。3.3.4定位设计由于部分代步车用户比较大，力可能有所，因此作为用户的亲人希望能时时刻刻知道代步车的具体地理位置等，以及基于智能代步车的防盗功能的考虑，需要能够准确的获取智能代步车的地理位置，设计智能代步车的定位功能。目前在汽车和等移动终端上应用较多的定位方式有：GPS 定位、A-GPS辅助定位、小区识别号 CellID 定位、AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）定位、GPSOne 定位、基于运营商定位中心定位等。各类对比如表 3.1 所13。示，在车载定位领域一

56、般使用 GPS表 3.1对比GPS A-GPSCellIDAFIT高需要终端支持高需要终端支持低中无特殊要求室内定位难度高，精度低室内定位难度高，精度低需要支持多种结合，GPSOne高需要终端支持定位成功较高基于A-GPS 或 GPSOne，需要终端支持；基于 CellID 或 AFIT，不依赖终端由实际采用技术决定多种结合，定位中心定位成功较高定位除了使用的数据接收装置外，同时还需要无线数据发送装置。随着通信领域发展，越多的通信方式和通信网络应用于车载定位系统中。不同的应用领域根据实际应用需求选择不同的无线通信的方式传输数据业务。在车载中常用的数据传输方式有：GSM 数字蜂窝移动通信、GPR

57、S 通用分组业务、CDMA、3G、WIFI 等。考虑到定位数据量不大，不需要发等，车载定位数据发送方式常用的是 GSM 移动通信和 GPRS 通送、用无线分组业务。精度终端条件备注本文定位数据接收发送分别使用 GPS 定位装置和 GPRS 通用无线分组业务。GPS/GPRS 的定位方案如图示。到潜在时反应缓慢造成的事故概率。本文避障模块采用超声波测距模块。超声波测距避障是通过超声波发射装置发出超声波，根据接收到超声波的时间差t，由 s=vt/2 得出测量距离。由于超声波速度与温度有关，温度变化大会影响测量精度，应通过测量温度来进行补偿加以校正。环境感知及避障系统方案框图，如图 3.9 所示。第

58、 4 章 智能代步车控制系统硬件设计与实现4.1 智能代步车控制系统硬件总体设计硬件的设计是整个智能代步车控制系统能否正常工作运行的基础。其中，主控的选择和控制方案的确定起着的作用，最终直接影响控制系统的稳定性。4.1.1 控制系统硬件方案设计智能代步车控制系统硬件主要由 ARM主控电路、STM32 行驶控制模块模块电路组成，其中主控电路采用三星公司S3C6410和其他一些控制，行驶控制模块由STM32控制；主控模块与行驶控制模块通过CAN总线通信，智能代步车控制系统硬件总体方案如图 4.1 所示。4.1.2 主要选型及介绍1. 主控根据 3.3.1 节分析，智能代步车控制系统应当具备可以执行

59、多个实时任务，高速的处理能力，基于以上要求本控制系统选择拥有 RISC 架构、移植性好、高性能Linux 操作系统14。的 32 位 ARM 处理器S3C6410 作为系统并移植S3C6410 功能强大，集成了许多硬件外设，减少系统总成本和提高整体性能，具有以下几个特点：(1) 多种时钟频率。ARM 处理器可以将外部的低频晶振时钟倍频到系统需要的高速时钟频率，也可以分频到低速时钟频率供外设使用。(2) 丰富的I/O 资源和外扩总线资源。ARM 处理器集成众多 GPIO 和多个总线协议，这使得系统设计更容易实现功能，不会因为端口缺乏而需要外扩其他协助模块，能缩小体积和减少成本。(3) 集成控制器

60、。ARM 处理器有许多功能，如 LCD 控制器、USB控制器使得开发周期缩设备控制器、控制器、中断控制器等，使用这些短。2. 行驶控制代步车行驶控制模块要对信号进行分析处理，判步车当前运行状态，向电机驱动模块发送控制命令，控制代步车工作。行驶控制要对左右两个电机实现闭环控制和比较复杂的差速运算，既要处理大量输入输出信号，而且要实现高精度和实时控制。因此，控制必须具备高速实时计算、高速实时输入输出、高速高精度 AD、多个中断响应等特性15。针对代步车行驶控制模块需求，模块要求控制无刷直流电机，市场上有：功能(1)(2)(3)（MC33035 等）；要求外加硬件电路的MCU，如市场上PIC16F7