《浙江赛区-电磁组-杭州电子科技大学信息工程学院-电磁一队技术报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《浙江赛区-电磁组-杭州电子科技大学信息工程学院-电磁一队技术报告（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第九届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技术报告 学校： 杭州电子科技大学信息工程学院 队伍名称： 杭电信工电磁一队 参赛队员： 乐香友 张恂 郑丹琪 带队老师： 刘建岚 尹克 第九届 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 2 论文使用授权的说明 本人完全了解第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保 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： 带队老师名： 日期： 年 月
2、 日 第九届 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 3 摘要 本文融合了杭州电子科技大学信息工程学院电磁一队队员们在准备 第九届飞思卡尔智能车大赛中的工作成果。 智能车的硬件平台采用带 MC9S12XS128处理器的S12环境，软件平台为CodeWarrior IDE开发环 境，车模采用大赛组委会统一提供的A型仿真车模。文中主要介绍了 智能小车控制系统的机械结构、 软硬件结构及设计开发过程。 整个系 统涉及车模机械结构调整、 传感器电路设计及信号处理、 控制算法和 策略的优化等多个方面。车模以MC9S12XS128单片机为控制核心，以 安装在车体前的工字电感作为循迹传感器，采用干簧管检
3、测起跑线， 以旋转光电编码器检测速度信息。车模系统的简单工作原理是 MC9S12XS128单片机采集工字电感感应电压的模拟量和干簧管的导通 状态， 结合舵机控制算法控制舵机转角， 单片机再综合赛道信息并结 合旋转光电编码器的速度反馈信号，利用电机控制算法控制速度变 化。 结合MATLAB软件仿真和C#自制软件的监控调试，最终确定了各 项控制参数。 这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极 大的推动作用， 在此要感谢清华大学， 感谢他们将这项很有意义的科 技竞赛引入中国； 也感谢杭州电子科技大学对比赛的关注， 我们的成 果离不开学校的大力支持及指导老师悉心的教导； 还要感谢的是和我 们一
4、起协作的队员们，协助，互促，共勉使我们能够走到今天。 关键字： 智能车、PID控制、上位机、MATLAB、电磁寻迹 第九届 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 目录 第一章 引言 1 1.1 概述 1 1.2 整车设计 2 1.2.2 控制简述 3 1.2.3 电磁组的优势与劣势 . 3 第二章 系统硬件电路设计 4 2.1 硬件电路整体架构框图 4 2.2 单机片最小系统板电路设计. 4 2.3 传感器设计 7 2.4 信号放大电路设计 . 9 2.5 检波电路设计 10 2.6 起跑线检测电路 11 2.7 电机驱动电路设计 12 2.8 舵机驱动电路设计 12 2.9 液晶按键
5、电路设计 14 2.10 系统电源电路设计 14 2.11 系统主板电路设计 14 2.12 避障模块 17 2.13 小结 18 3.1 前轮定位 19 3.1.1 主销后倾 19 3.1.2 主销内倾角 20 3.1.3 前轮外倾角 21 3.1.4 前轮前束 22 3.2 底盘高度 23 3.3 差速调整 25 3.4 传感器支架 26 3.5 舵机的安装 27 3.6 编码器安装 28 第四章 软件系统设计 29 4.3 传感器数据采集处理 31 4.4 PID 控制 . 31 4.5 模糊控制 34 5.1 Codewarrior IDE 的安装与使用 . 37 5.1.1 工程的创
6、建 38 5.1.2 程序源代码的编辑、编译与链接 . 40 5.1.3 BDM 调试 40 5.2 现场调试 42 5.3 调试中遇到的问题及解决过程 . 44 第九届 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 第六章 车模技术参数说明 46 6.1 车模主要技术参数 46 6.2 设计过程中用到的主要软件工具 . 47 第七章 总结 48 附录 A 程序源代码 50 附录 B 部分原理图 59 第一章第一章 引言引言 1.1 1.1 概述概述 飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追 求卓越”为指导思想，涵盖了机械、模式识别、电子、电气、传感技术、计算机、 自
7、动化控制、汽车理论等多方面知识，从一定程度上反映了当代大学生综合运 所学知识和探索创新的精神。同时该赛事是教育部高等教育司委托(教高司函 2005201 号文)，由教育部高等自动化专业教学指导分委员会（以下简称自动 化 分教指委）主办的全国性、 多学科交叉、趣味性、创新性赛事，旨在加强大 学 生实践与团队合作精神，促进高等教育改革。竞赛规则透明，评价客观标准， 坚 持公开、公平、公正的原则，从而保持了竞赛的健康、普及、持续的发展。 赛在第五届为了扩展赛道检测的多样化和锻炼学生的各项能力，在原来 CCD 组与光电组的基础上新增了以 20KHZ、100ma 交变电流（方波）为引导 方式的电 磁组，
8、迄今为止电磁组已经举办了四届。学校积极响应教育部关于加 强大学生的 创新意识、合作精神和创新能力的培养的号召，成立智能车队伍参 加比赛。我们 积极组队参加第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车比赛。 在本文报告内容框架安排上，第一章是引言，主要对车模设计和报告的架 构进行了概述；第二章是系统硬件电路的设计，详细介绍了电源部分、电机驱 动等电路模块的设计思路及方案。第三章是机械架构设计与修改，第四章是软 件系统设计，舵机打角控制和速度控制的模块编写，整体的模块调试和上位机 的开发。第五章是开发工具、制作、安装、调试过程说明，讲述了我们自己在 调车训练时的方法和训练工具。第六章为车模的技术参数说明。
9、第七章为总结 部分。 1 第九届 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 2 1.2 1.2 整车设计整车设计 1.2.1 1.2.1 车辆布局车辆布局 鉴于赛道的摩擦力和复杂性以及车模的机械结构和强度，我们提出在 尽可 能不伤害赛道并且确保过掉障碍的情况下最大限度降低整车重心，因为车子重 心高低和位置对车子行驶、 转弯有很大影响， 例如转弯性能和直道加 （减） 速 性 能 等。后来发现还需再降低底盘高度，我们使用 PCB 板降低底盘至我们的目 标高度。同时设计了与之相匹配的电路板和电池固定方法，力求进一步降低整 车重心。 由于电磁组的电磁信号较为复杂，所以我们采用支架将传感器伸到前方以
10、 达到较远的前瞻性。 关于支架的选取有过很多方案， 最后我们采用高强度、 重 量 轻、可任意制作形状、加工简单、耐撞击的钢管配合碳杆的支架方案，使得 车 子的转动惯量 （以回转轴过杆的中点并垂直于轴时为例： J=/12,车子大概为 长 条形）达到最小化，从而车子在转弯时更加迅速、灵敏。 最后讨论车子的闭环控制问题。我们采用欧姆龙旗下的光电编码器200P/R 编码 器为测速器，直接用编码器齿轮咬合车模主动轮的方法来获取车子的行驶速度， 最后 在程序中根据编码器采集回来的信号设计速度控制策略，实现车速的闭环 控制。 杭电信工电磁一队主体部分： 1：底盘及附属部分。包括驱动电机、转向舵机、电池等；
11、2：信号检测部分； 3：编码器测速部分； 4：单片机最小系统及相应电路，包括电源处理及检波； 5：机械制作传感器支架； 6：干簧管及 OLED 液晶。 2 第一章 引言 1.2.2 1.2.2 控制简述控制简述 鉴于本届比赛不同于去年的直立行走，反而更类似于第五和第六届的运动 方式，我们更多地参考了其他学校包括本校在内的在第五和第六届的控制方式。 由于传感器感应得到的电压信号只有几十 mv,所以我们采用集成运放把信号进 行放大，然后将其检波为直流电平送入 XS128 的 AD 口。同时编码器的信号也 同步输入，由 XS128 的输入捕捉通道（PT7 口）进行上升沿或者下降沿计数， 从而计算得到
12、车子行驶的速度。 舵机采用 PID 控制算法进行控制，并且加入 连续控制函数进行修正，使前 轮的转向更加具有连续性和精确性；驱动电机在 最佳的驱动频率（15KHZ）下， 采用增量式 PID 控制 XS128PWM 通道的占空比 而调整电机输出功率。 1.2.31.2.3 电磁组的优势与劣势电磁组的优势与劣势 电磁组的信号由 LC 并联谐振得到，相比 CCD 和光电，信号为模拟信号， 故电磁小车的巡线信号相对连续，不存在断点，所以在车模相对于 CCD 和光电 组更加不容易出现丢线。同时，作为信号采集的谐振电感制作简单，价格低廉。 可是在空间中，磁场信号会发生叠加与抑制等，由此得到的混合磁场是三
13、维矢 量，其分布有很大的方向性和对称性，又矢量的运算较为复杂，所以在赛 道上 电磁车的前瞻较短而且容易出现误判。比如十字交叉线的磁场信号和 90 度弯 的磁场信号极为相似，容易发生车子行驶时直接忽略 90 度弯的情况。为此我 们采用6路电感，特地用2路电感来区分支教的情况 。鉴于水平变化率和竖直变 化率有一定联系和区别，我们将传感器放置为对 赛道信号变化敏感的方向以便 最快、 最灵敏的检测到赛道变化引起的信号变化。 这一点可以参考官方的文档： 电磁小车设计参考 。 3 第二章第二章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 2.2.1 1 硬件电路整体架构框图硬件电路整体架构框图 我们将电路分成几个模
14、块单片机最小系 统，电源电路，传感器电路，检波电 路，电机驱动电路，调试用的液晶显示 (2)模块 自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回； (3)有信号返回，通过 IO 口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时 间。 测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。 实物如图2-11所示， 其中VCC 供 5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四 支线。系统原理图如图2-11所示。 17 第九届 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图2-12 超声波原理图 2 2.1.13 3 小结小结 对于硬件电
15、路部分，一定要用料扎实，稳定第一，抗干扰性能一定要高。 单 片 机电压一定要稳定， 防止舵机和电机启动的时候拉低电压导致复位。 解决 这 个问题 最实用的办法就是加上储能器件， 加上适当大小的电容是必要的。 仪 表 放大器的供 电也要减少纹波。 供给仪表放大器的电压纹波越大， 处理出来的 传 感器信号越不稳 定。车在运行的过程中，电机的强电流干扰时十分巨大的， 会 严重影响信号检测电 路，所以要单独把这部分电路隔离开。 整个电路板的制作过程也要十分严谨。电路简单的线路板直接使用手工制 作。 复杂的电路要经过好几个步骤。首先手工制作电路板，长时间工作以测试 其稳定性。 当稳定性达标之后根据原理图
16、重新布线，到工厂生产 PCB，制作出 第一批样品。没 有问题的样品电路板直接使用，布局不好或者是影响性能的电 路板要重新制作，直 至纹波、质量、体积、布局都达标才是最终产品。硬件电 路是智能车的基础，只有打好基础才能继续软件方面的工作。 18 第第三三章章 机械机械机构的机构的设计与修改设计与修改 为了使小车高速平稳的运行，使其能够在直道高速行驶，弯道流畅的行驶，并且在行 驶的过程中轮胎以及其他转向系零器件磨损减少，我们在前期装配时，对小车进行了系统 的分析和调校。我们在规则允许的范围内尽可能的改造车模，以提高车模的性能 3 3.1 .1 前轮定位前轮定位 车辆在高速过弯时，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；对前轮定位进行了调整，使车辆直线行 驶更稳定，转向更轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损。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 个参数 决定，反映了转向轮、主销
