技术文档车模检查表嘉兴学院技术报告

1、第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学校：嘉兴学院队伍名称：文杰越野一队参赛队员： 陈敏峰 张佳杰 黄子康带队教师： 吕勇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十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车有关保留、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， 比赛组委会和恩智浦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 中。参赛队员签名： 带队教师签名： 日期： 第1 十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告引言本文以第十四届全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了电磁智

2、能车系统软硬件结构和开发流程。以 K60 微控制器为核心控制单元，以安装在车体前的工字电感作为循迹传感器，通过编码器检测模型车的实时速度，使用 PID 控制算法调节舵机打角，从而实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。第二章系统方案设计本章主要介绍了系统整体方案的设计与组成，在后面的几个章节中将详细介绍系统的机械结构设计，硬件电路设计，以及车辆控制算法等。2.1 系统总体方案的设计根据竞赛规则相关规定，智能车电磁组采用 L 型车模。在控制器的选择上我们采用飞思卡尔公司生产的 K60 作为主控芯片，在 IAR 集成开发环境中进行控制算法调试。2.2 系统总体方案设计图七路电感K60电机驱动上

3、位机编码器按键姿态传感器液晶屏运算放大器1第2 十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告第三章 机械结构调整与优化3.1 车整体结构图 3-1整车效果图3.2 传感器的安装图 3-2电感排布方案2第3 十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告第四章 硬件电路设计4.1 单片机最小系统我们选择飞思卡尔公司生产的 K60 作为智能车的主控芯片，该芯片是基于ARM CortexMCU 单片机，具有丰富的片上资源，完全能够满足智能车的控制需求。单片机最小系统原理图如图 4-1。图 4-1单片机引出管脚原理图4.2 电源管理模块为了满足需要。本车模存在 4 种供电电压：1） 选择使用组委会提供的 7.2V

4、2000mAh Ni-cd 电池作为智能车的唯一的能量来源，提供 7.2V 的电压输出。 2） 选择使用 AMS1117-3.3 给单片机、OLED、蜂鸣器供电，提供 3.3V 的电压输出，这种芯片的外围电路简单、体积小，且性能较为稳定。 3） 激光、陀螺仪、舵机、编码器选用 LM2941 供电，通过改变分压电阻输出5V 电压，它者具有波纹小、电路结构简单的优点。电磁模块使用 78M05供电。 4） 驱动模块使用的 IR2104 需要 12V 开启电压，选择 MC34063 升压到 12V. 3第4 十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告图 4-2 供电模块原理图4.3 电机驱动模块电机驱动采

5、用全桥驱动外加缓冲保护电路。功率元件选择了 MOSFET 管，其开关特性好、额定工作电流大，有助于提高电动机的转速。且采用全桥驱动可实现电机的正反转，能够使小车变得更加灵活可控。 图 4-3-1 驱动模块原理图图4-3-2 缓冲模块原理图4.4 电磁传感器模块电磁传感器是小车最重要的模块之一，传感器性能的好坏直接影响到信号的采集精度以及小车的控制性能。因此在智能车设计过程中，我们着重对传感器模块进行了研究。根据组委会的规定，电磁组赛场信号是基于频率为 20KHz ,电流为 100mA 的交变电压产生的磁场信号。智能车通过检测该磁场信号获取当前赛道信息。在传感器模块的研究过程中，我们测试了大量的

6、电感，发现只有 10mH 的电感能够得到较为规整的正弦波。频率和赛道电源频率一致，且随著电感距通电导线距离的增加幅值逐渐衰减。4第5 十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告4.4.1 电磁传感器的原理根据电磁学我们知道，导线中通过不均匀变化的电流将会在导线周围产生不均匀变化的磁场。在导线中通过按正选规律变化的电流将会在导线周围产生按正选规律变化的磁场。由电磁感应定律我们知道，导线切割磁感线将会在导线两端产生感应电动势。正是利用这样的原理我们将电感放在通电导线的周围，导线产生的变化的磁感线将会切割电感的线圈，从而在电感两端产生感应电动势，通过检测该感应电动势的变化规律我们可以知道电感于导线的位置

7、关系。但是空间中充满了各种电磁信号，它们切割电感线圈产生微弱的电动势将会对有用信息产生干扰。如图 4-3-1 所示，利用 LC 选频电路（带通电路）可以有效的解决这一问题。图 4-4-1图 4-4-1 图中感应电动势，R0 为等效电阻，L 是感应电感的电感值，C 为谐振电容。 电路的谐振频率为：已知感应电动势的频率为 = 20KHz，感应电感的值 L = 10 mH，可以计算 出谐振电容的容值为 C = 6.33109F，通常在市场上可以买的到的标称电容与上述值最接近的值为 6.8nF，为此我们试验了及中容值在 6.8nF 的电容，最后发现 6.8nF 矫正电容对信号具有较好的选频滤波作用。4

8、.4.2 信号的检波放大通过并联谐振电路产生的感应电动势幅值在 20mV-100mV 左右，不能直接送到单片机的 AD 口进行模数转换，因此需要将信号进行放大。图 4-3-2 信号检测方法模块5第6 十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告4.5 编码器接口我们使用 512 线增量式旋转编码器，该编码器可输出 AB 两路正交信号， 正转时 A 相超前 B 相 90，反转时 B 相超前 A 相 90，通过正交解码可以测得正反转及实时速度。编码器接口如图 4-4-1 所 示。如图图 4-4-1 编码器接口4.6 人机交互模块人机交互模块包括按键，拨码开关以及液晶显示，在智能车参数调试过程中合理利用人

9、机交互模块可以为调试节约大量时间。按键电路，拨码开关电路及液晶显示接口如图 4-6-1 所示。图 4-6-1人机交互模块第五章 控制算法设计说明5.1 主要程序流程智能车控制算法是智能车设计的核心，好的控制算法能让智能车快速稳定的 运行，控制算法中最主要的部分包括方向的控制和速度的控制。单片机运行需要对各模块寄存器进行初始化配置，在进入主循环之前需要对单片机的时钟，IO 口， AD 转换模块，FTM 模块，UART，SPI，PIT 等模块相应寄存器写入正确的配置参数。进入主循环之后采集一次 AD 值，对采集到的信息进行处理，调用方向环和速度环的 PID 运算，将结果写入到 FTM 相关输出寄存

10、器中，通过改变 PWM 的占空比来改变两电机的控制参数。6第7 十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告5.2 赛道信息采集及处理在智能的控制中，赛道信息的采集及处理尤为关键。对于我们的电磁车而言， 所有的赛道信息都来自传感器支架上五个电感采集到的赛道信息，通过分析每组数据之间的关系计算出小车与当前赛道的相对位置并根据赛道信息发出合适的 控制信号控制两电机差速及加减速。5.2.1 传感器数据滤波及可靠性处理从放大器出来的电压信号经过倍压整流及 RC 滤波电路直接送到单片机的模拟量输入通道。虽然经过硬件滤波，但是输入电压的幅值还是存在一定的纹波。由于我们采用的 AD 通道采集精度为 12 位精度，

11、模拟信号经过采样、保持、量化、编码后转化为最大值为 4095 的数字信号，采样精度较高，得到的原始数据波动较大。因此需要对数据进行软件滤波及归一化处理。为了保证采样的周期性， 我们将数据的采集放在了周期定时中断中进行，中断的定时时间为 1ms，每一次进中断都会调用一次原始数据采集函数。5.3 控制算法实现5.3.1 PID 算法原理简介PID(proportional-integral-derivative)控制是比例-积分-微分的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID 控制是历史最悠久，生命力最强的基本控制方式。此后，随著科学技术的发展，特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多先进控制

12、策略，然而直到现在，PID 控制仍然得到广泛的应用，概括起来该算法具有原理简单，使用方便，适应性强，鲁棒性强等优点。PID 调节器分为模拟式和控制式。前者采用运算放大器，阻容元器件等模拟电路构成，早起使用广泛，随着微处理器的发展，采用单片型微型计算机的数字式 PID 调节器引用越来越广泛。模拟式 PID 调节器以模拟量连续控制为基础的理想 PID 控制算法表达式如下：式中 Kp 是比例放大系数，Ti 是积分时间常数，Td 是微分时间常数，u(t) 是 t 时刻得输出，e(t)是 t 时刻控制器的输入，e(t)=r(t) y(t),r(t)和 y(t) 分别是 t 时刻控制器的设定值和当前值。

13、在模拟 PID 控制器中，比例环节的作用是对偏差作出反应。偏差一旦产生 控制器立即产生控制作用，使控制量向减小偏差的方向变化。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，静态误差小而又稳定的效果。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但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会产生振荡； 但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。7

14、第8 十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告当积分常数较小时，则积分的作用较强，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积分常数。微分环节的作用使阻止偏差的变化。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，特别对髙阶系统非常有利，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。5.3.2 基于位置式 PID 的方向

15、控制PID 算法的应用非常灵活，在实际引用中，可以根据执行器的不同特性选择增量式或位置式 PID，由于速度环的输出特性，我们选择采用位置式的 PD 控制，经过测试发现，具有良好的控制效果。5.3.3 基于增量式 PID 和鲁棒控制的速度控制，在智能车行驶过程中，设定速度根据赛道信不断变化，这就要求控制算法对车速控制有较好的跟踪性能。当智能车设定速度变化较大的时候，特别是需要快速减速的时候，PID 控制的调节时间往往较长，车辆容易冲出赛道。为了解决这一问题，我们引入了鲁棒控制 控制的思想非常简单，当前速度小于设定速度时，全力加速，当前速度大于设定速度时，全力减速。鲁棒控制具有非常快速的响应，但是

16、由于其严重的超调，使之不能单独引用于控制系统中，在速度控制中，我们将鲁棒控制和 PID 控制结合起来，大偏差的时候采用鲁棒控制，小偏差的时候采用 PID 控制，将鲁棒控制的快速性和 PID 控制的精确性相结合，取得了良好的控制效果。参考文献2 王晓明. 电动机的单片机控制M北京. 北京航空航天大学 20023 康华光 .电子技术基础 模拟部分（第五版）.M. 北京：高等教育 . 2008.1.4 童诗白，华成英模拟电子技术基础M北京. 高等教育 20005 沈长生常用电子元器件使用一读通M北京. 人民邮电 20047 第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛清华大学三角洲电磁组技术报告8 第六

17、届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛杭州电子科技大学电磁组技术报告9 第十二届“恩智浦”杯全国大学生智能车大赛唐山师范学院电磁组技术报告8第9 十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告附录 A 部分程序代码uint16 ad_min_rr=65535,ad_min_rl=65535,ad_min_lr=65535,ad_min_ll=65535,ad_min_oth=6553 5,ad_min_mid=65535,ad_min_mm=65535;uint16 ad_max_rr=0,ad_max_rl=0,ad_max_lr=0,ad_max_ll=0,ad_max_oth=0,ad_max_m

18、id=0,ad_ma x_mm=0;uint16 ad_now_rr=0,ad_now_rl=0,ad_now_lr=0,ad_now_ll=0,ad_now_oth=0,ad_now_mid=0,ad_no w_mm=0;uint8 key_set_flag=0; uint8 ad_get_times; uint8 i,j;uint16 adh; flash_init(); while(key_ad_set2)LCD_P6x8Str(0,0,AD_SET.MIN.MAX.NOW); LCD_P6x8Str(0,6,R);LCD_P6x8Str(0,5,3);LCD_P6x8Str(0,4,M

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20、t_times=adc_once(AD_L2, ADC_bit); ad_get_R1ad_get_times=adc_once(AD_R1, ADC_bit); ad_get_R2ad_get_times=adc_once(AD_R2, ADC_bit); ad_get_MRad_get_times=adc_once(AD_MR, ADC_bit); ad_get_MLad_get_times=adc_once(AD_ML, ADC_bit); ad_get_MLad_get_times=adc_once(AD_ML, ADC_bit); ad_get_MMad_get_times=adc_

21、once(AD_MM, ADC_bit);for(i=0;iADC_TIMES-1;i+)/冒泡法排序，并进行滤波小到大第10十四届“恩智浦”杯智能汽车大赛技术报告for(j=0;jad_get_L1j+1)adh=ad_get_L1j; ad_get_L1j=ad_get_L1j+1; ad_get_L1j+1=adh;if(ad_get_L2jad_get_L2j+1)adh=ad_get_L2j; ad_get_L2j=ad_get_L2j+1; ad_get_L2j+1=adh;if(ad_get_MLjad_get_MLj+1)adh=ad_get_MLj; ad_get_MLj=a

22、d_get_MLj+1; ad_get_MLj+1=adh;if(ad_get_MMjad_get_MMj+1)adh=ad_get_MMj; ad_get_MMj=ad_get_MMj+1; ad_get_MMj+1=adh;ad_now_ll=(ad_get_L11+ad_get_L12+ad_get_L13)/3; ad_now_lr=(ad_get_L21+ad_get_L22+ad_get_L23)/3; ad_now_rr=(ad_get_R11+ad_get_R12+ad_get_R13)/3; ad_now_rl=(ad_get_R21+ad_get_R22+ad_get_R2

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24、intValueUI(24,5,ad_min_rl);LED_PrintValueUI(24,2,ad_min_lr); LED_PrintValueUI(24,1,ad_min_ll);LED_PrintValueUI(24,4,ad_min_oth); LED_PrintValueUI(24,3,ad_min_mid);LED_PrintValueUI(60,6,ad_max_rr); LED_PrintValueUI(60,5,ad_max_rl);goto scan;else if(keymsg.key!=NONE)if(keymsg.key=KEY_U)else if(keymsg.

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