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1、生产管理知识哈尔滨工程大学电磁极品飞车号技术文档第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：哈尔滨工程大学队伍名称：极品飞车3号参赛队员：郭伟刘玉章刘辉带队教师：张爱筠管凤旭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六届“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： 目录第一章引言1第二章智能汽车整体设计32.1设计思路
2、及方案的总体说明32.2系统各模块实现简介4第三章机械及硬件电路设计63.1机械设计63.1.1电磁传感器的安装63.1.2舵机的安装73.1.3PCB主办的固定83.1.4测速编码器的安装93.2硬件电路设计93.2.1电磁传感器的设计93.2.2PCB主板的设计123.2.3电源管理模块133.2.4电机驱动14第四章软件设计164.1传感器的测量算法174.2舵机的PD控制184.3增量式编码器的控制194.4速度PID控制算法及其改进形式19第五章开发调试过程及主要参数225.1开发工具225.2制作调试过程说明225.3智能车主要技术参数23第六章结论25未来寄语25参考文献27附录
3、A原理图28附录B程序源代码29第一章引言“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛今年进行到第六届，过去几年经验的积累使得比赛形式丰富，比赛规则比较完善，为广大同学提供了一个良好的学习提高的平台。第五届大赛，为了拓展赛道检测形式，在原有摄像头组和光电组基础上增加了电磁组，以100mA的交变电流为赛道，自主开发检测传感器，检测赛道信息。虽然说大赛设置电磁组组别的时间仅仅两年，但在第五届前辈探索与创新之下，电磁组的成绩却有了飞跃性的进步。为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，我们组队积极参加了第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛电磁组的比赛。从2010年11月
4、开始着手进行准备，历时近9个月。在第五届参赛前辈的基础上，我们传感器设计上依旧采用电感线圈检测磁场，通过在多个点布置不同方向的检测传感器获取赛道信息，利用所获取的信号进行处理，实现对赛车转向、速度进行控制。同时，我们利用前几届比赛积累下的经验，继续加强在电源管理、噪声抑制、驱动优化、整车布局等方面的研究工作，使智能车能够满足高速运行下的动力性和稳定性需求，获得了良好的综合性能和赛场表现。在设计的过程中，我们参考了很多文献资料。在组装车模和电路设计等过程中，我们的实践动手能力得到了极大的培养和提高。在设计智能车控制算法过程中，我们设计使用了多种控制算法，如舵机的PD算法和电机的PI算法。期间进行
5、了无数次的实践和尝试，形成了最后的比赛方案。在思考控制算法的过程中，我们一直在追求稳、快的目标，在这个过程中我们的创造能力和实践能力得到了很大的提高。本技术报告将针对我们的传感器信号处理设计安装、底盘参数选择、电路设计、HCS12控制软件主要理论、控制算法等方面进行阐述，并列出了模型车的主要技术参数。关键字：路径识别，智能车，PID，电磁传感器第二章智能汽车整体设计本电磁智能车模型采用B型车模，通过电磁传感器阵列来采集电流约为20KHz、100mA的导线的电磁场强度来检测和识别路径，通过MC9S12XS128的AD口进行采集、处理，进而控制电机和舵机，进行模型车的智能控制。2.1设计思路及方案
6、的总体说明根据电磁车循迹的要求，电磁车设计包括赛车的设计和恒流源的设计。根据电磁传感器方案设计，赛车共包括五大模块：电磁传感器模块、速度传感器、MC9S12XS128模块，电机驱动模块、电源管管理模块。图2.1系统方案框图电磁传感器获取赛道当前点电磁特性，信号输入到S12控制核心，进行进一步处理以获得赛道信息；通过光电编码器转速传感器检测车速，并采用S12的输入捕捉功能进行脉冲计数计算车速和路程；舵机转向采用分段PID控制；电机转速控制采用PID控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的功率。2.2系统各模块实现简介1、电磁传感器模块检测导线电流约为100mA，频率20KHz的磁场的大小，进行路径
7、识别，并输出电压给MC9S12XS128采集。2、速度传感器利用增量式光电编码器进行速度的测量，反馈给单片机，构成速度的闭环。光电编码器线数越多，同等速度下单位时间内所能检测到脉冲数也越多，因而速度检测的分辨率也更高。另一方面，线数增多后，相邻脉冲间的持续时间会变短，脉冲检测的可靠性会因相邻脉冲的干扰而受到影响。3、MC9S12XS129模块构成系统的控制器4、电机驱动模块通过MC9S12XS128单片机输出的PWM控制，功率放大用来驱动电机，要求驱动电流足够大，要考虑到大电流对整个系统的影响。5、电源管理模块制作相应的电源电路，针对个模块的输入信号要求。利用稳压芯片将电源稳成5V，供单片机和
8、速度传感器供电，舵机利用二极管降压供电，而电机则利用电源直接供电。6、恒流源模块由单片机产生频率20KHz的的方波信号，驱动三极管构成的电流源，然后经H桥进行功率放大，产生恒流功率信号。第三章机械及硬件电路设计3.1机械设计电磁B型车模的机械设计部分包括电磁传感器电路的安装，PCB主板的固定和连接，测速电路模块的安装，差速的调节，舵机的安装等，在机械设计过程中遵循以下原则：转向灵活，加速性能良好，车本身摩擦小，车与地面摩擦大。3.1.1电磁传感器的安装电磁传感器电路，设计成一块24cmX2.5cmd的长条行PCB板。由于本届比赛对于电磁组车辆长度没有限制，综合考虑电磁传感器的探测距离、为了使模
9、型车的行驶速度能更好的配合软件的控制算法，加长传感器探测前瞻，电磁传感器安装在车的正前方，前20cm，高8cm，电磁传感器电路板平行于赛道，利用长方体碳纤维棒固定，保证传感器在运动中的稳定性。图：3.1传感器安装3.1.2舵机的安装由于传感器前伸比较长，考虑到模型车的重心的高度和位置，以及主板放在模型的位置，我么将舵机位置进行了改装，由原来在车体中间位置挪移到车体前部，这样以便于降低主板高度，进一步降低车模整体重心。舵机可以对称安装和不对称安装，考虑到舵机的力矩大小和其响应时间的大小，我们采用对称安装的方法，并将其控制半径加大，这样在损失了部分力矩大小的情况下加快了响应时间。如下图所示：图3.
10、2舵机安装粘合处同时为了减少舵机传动空程，我们将舵机传动杆与方向轮衔接处用粘合剂固定，这样舵机传动空程明显减少，车模转向响应速度有很大提高。3.1.3PCB主板的固定为了尽可能降低模型车的重心的高度，同时考虑到车模传感器及电池的位置，我们将主板倾斜放在模型的的前半部分，主板重心离车前13cm,距离赛道高3.5cm，PCB主板长12cm,宽5cm，这样讲重心固定在车的重心偏前，对于车的摩擦和加速性能有很好的效果。如下图所示：图3.3PCB主板的固定3.1.4测速编码器的安装测速模块才用增量式光电编码器，增量式编码器的安装于车的最后部分，考虑到齿轮的间隙，编码器的中心安装距赛道2.3cm，编码器的
11、中心距后轮中心为2.7cm。图所示：图3.4编码器的安装3.2硬件电路设计3.2.1电磁传感器的设计考虑到电流的大小，方向和频率，依据经可靠、稳定、经济的要求，我们选择33mH的电感，然后进行放大、滤波、检波；其电路图如下：图3.5传感器原理图在TL082运放交流放大之后加入倍压检波电路，可以得到与交流的峰峰值成正比的直流信号，调整电位器的阻值，可调节运放的放大倍数。此时的运放处于较好的放大状态。根据电磁传感器中电感的方向与磁场的关系，采用垂直方向放置时，其测量的磁场大小为Bx，且根据比奥沙法尔定义可知：其特性如下图所示：图3.6垂直方向传感器测量理论图图3.7垂直方向传感器测量实际图我们对传
12、感器进行测试，以通有100mA交流电的漆包线为中心，左右以0.5cm为分度值精确测量传感器采回值，绘制出传感器响应曲线，如图3.6所示。通过响应曲线看出传感器左右两侧都存在6cm至7cm的线性区域，所以我们传感器组只用4个传感器单位就能够实现赛道的全部检测。根据车与导线的位置关系如图：其中：AE=lA；h为传感器距赛道的高度；根据实验测得的数据，我们采用了垂直位置的传感器，根据电磁传感器采集出的电压的大小，两相邻的传感器的距离为68cm左右，我们采用相邻的两传感器间距为7cm。3.2.2PCB主板的设计要求主板的面积小，质量轻，其PCB如图所示：主板包括：1、电源模块2、xs12最小系统3、电
13、机驱动模块4.拨码开关及数码图3.8主板图3.2.3电源模块设计图3.9电源模块原理图把电压为7.2V的电池经LM2940稳压后完成如下功能：经过稳压芯片LM2940稳压后，输出5V电压以驱动单片机工作；经过稳压芯片LM2940稳压后，输出5V电压以对传感器供电；经过稳压芯片LM2940稳压后，输出5V电压对光码盘供电；其中，由于传感器运放TL082D需要5V双电源供电，我们为了防止使用单2940供电产生电流过大，对系统产生影响，电源模块使用双LM2940，其中一个单独为传感器供电。5V双电源使用A0505电源模块。A0505特点：体积小SMD封装效率高达78%隔离电压1000VDC工作温度范
14、围:-40+85温度特性好内部贴片化设计无需外加元件国际标准引脚方式符合RoHS指令图3.10A0505引脚方式3.2.4电机驱动利用MOS管构成双极性H桥，使电流更大，驱动能力更强，再结合逻辑电路，使其使用更安全，更稳定，如右图所示：图3.11电机驱动模块操作时序如下：输入A输入B电机转向01正转10反转00停车11停车第四章软件设计为了体现程序的模块性和可移植性，我们把程序分成各个模块进行分别处理，而各模块也有相应的形参做为接口，可以做到可移植性，通用性。下面就这些模块的设计与实现分别进行详细阐述。程序中用到的硬件资源有PWM模块、AD模块、脉冲累加器、普通I/O口，主程序流程图如下：图4
15、.1主程序流程图4.1传感器的测量算法采用了垂直放置的传感器，根据采集到的数据，用MATLAB绘制出图形，并用直线拟合，采集到的电压如下、MATLAB代码如下：A=/283;B=-6:1:6;plot(B,A);gridminor;C=/283;D=-5:1:-1;y1=polyfit(D,C,1);x=-6:0.1:0;y=40.6/283*x+307.6/283;holdon;plot(x,y);图4.2MATLAB仿真图如图的直线与原曲线在25cm处拟合很好，故理论上应用此段的线性来计算偏移量，用来控制电机和舵机。但实际上传感器数据采集返回曲线如下图所示：图4.3传感器实际曲线曲线在411cm处拟合很好，实际用此段的线性来计算偏移量，用来控制电机和舵机。4.2舵机的PD控制根据电磁传感器采集到的偏移量，利用前后几次偏移量之差进行
