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1、“飞思卡尔”计划书队伍名称：参赛队员：指导老师：2019年6月12日第十届“飞思卡尔智能车”大赛报名表参赛组别 电磁组 摄像头组 光电组队伍名称指导老师信息姓 名(*备注)老师签字手机号码电子邮箱参赛队信息职务姓名学号手机学校邮箱所在院系队长队员队员*备注：可以优先选择这两位老师作为指导老师关胜晓邮箱： 办公室：电二楼417 邵长星 飞思卡尔计划书（电磁组）第一章 队伍分工2第二章 机械结构部份的设计及调整22.1整车布局22.2 转向舵机的安装32.3传感器的安装42.4 测速传感器的安装62.5车底盘的调整6 第三章 硬件部分3.1 硬件设计概述83.2 MC9S12XS128单片机的选定
2、93.3 电感传感器电路设计103.4 直流电机驱动模块设计143.5 测速模块设计15第四章 控制算法164.1 路径识别算法分析及选定164.2 起跑线识别程序设计174.3 转向舵机控制程序设计184.4 电机控制程序设计18第1章 队伍分工 确定队内的各个人员分工，保证任务能够按时完成，分工需要包含仿真，电路设计、程序编写调试和机械安装等这几个部分。 此处重点解释仿真部分，其它部分队员自己参考有关资料。仿真部分：通过仿真可以理解物理模型，了解影响因素，从而从根本上解决问题，提高速度和稳定性。仿真可以减少调试的时间，降低车模的磨损，节约成本，提高效率，是一种科学的研究方法。在车模的运行过
3、程中需要考虑的因素有电池电压的变化，车轮的摩擦力，赛道的曲率，车模的运行速度，加速度，车模自身的质量等等。可以从电机的模型，车模的运动学模型，倒立摆的运动模型，现在就倒立摆的数学模型做一简单仿真，抛砖引玉。自平衡小车是一典型的倒立摆模型，建立一个简化的模型可以帮助我们分析和理解这个系统。于是我们采用牛顿动力学方法建立了单级倒立摆的数学模型。简化示意图如图所示。图1.1 直立车模示意图其中：M：轮子质量；m：车体质量；l：轴心到车体质心的长度；I：车体的转动惯量；F：施加在车体上的力；x：小车的位置；：小车与垂直向上方向的夹角；N和P分别为摆杆与小车之间相互作用力的水平和垂直方向的分量；于是，可
4、以建立如下的微分方程由于较小，可近似sin =，cos =1，于是取状态变量X=; ; x; x，Y=X，可得状态方程于是可在matlab中建立如下的系统框图模型。通过仿真模拟可以得出一组比较满意的反馈增益K的值，使得系统稳定，通过仿真的手段，我们可以得到一个比较合适的范围，在这个基础上再进行参数的微调，可以大大的减少工作量，节约调试时间，取得事半功倍的效果。图1.2 Simulink仿真控制我们使用线性二次最优调节器LQR最优控制的方法来寻找控制参数k_f。寻找一状态反馈控制律u=-KX，使得控制性能指标 达到最小。其中，Q和R为正定或实对称矩阵，Q和R分别表示了对状态变量和输入变量的加权值
5、。这里取，可通过matlab里的LQR函数计算出反馈增益K的大小。调用LQR函数计算得到k_f为-0.6068 -41.2508 -0.5285 -3.6574。当参数k_f设定为-0.6068 -41.2508 -0.5285 -3.6574时，可得到如下的仿真结果： 图1.3 Simulink仿真结果由图可以看出取得了较好的控制效果，为我们的调试节约了宝贵的时间。第二章 机械结构部份的设计及调整 智能车的核心是控制策略和算法，但是，机械结构也是限制赛车速度的巨大瓶颈，如果一辆赛车的程序架构很好，但是机械部分做的不好的话，其速度也会被大大的限制。2.1整车布局（1）车模底盘降低，主板低放，以
6、降低重心。（2）舵机竖直放置，方便控制。（3）用轻便坚固的碳纤杆作为前端传感器的支撑材料。（4）电感安装在最前方，碳纤杆的长度大概是50cm，为了能够提前检测到，以至车体能够及时反映。（5）电池后移，从而使智能车重心能够尽量位于车体中间偏后，这样才能保证智能车在高速行进时的稳定性，减少甩尾现象。图2.1 整车图2.2 转向舵机的安装 舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。通过分析舵机控制转向轮转向的原理可以发现，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变
7、化越快。这相当于增大力臂长度，提高线速度。 针对上述特性，本设计采用“长连杆”方式将舵机竖直放在前面，大大的增加了舵机的力臂，如图2.1所示。图2.2 转向舵机安装示意图上述安装方式的优点主要有：(1) 改变了舵机的力臂，使转向更灵敏； (2) 舵机安装在了正中央，使左右转向基本一致，避免了多级传动可能带来的空程和死区； (3) 增加前轮下压力，从而提高了前轮的抓地力，当然这样也加重了舵机的负载；2.3传感器的安装 电感传感器安装的高度以及碳纤杆的长度共同决定了前瞻的大小。在本设计中，最终选取的碳纤杆的长度为50cm，碳纤杆的长度超过60cm后，在过弯的时候容易内切，而且转弯时盲区比较多。而且
8、我们在保证信号足够的前提下，应尽量前端电感放高，这样能检测的范围更广。碳纤杆的一段用热熔胶固定在车模的前面，再用连杆连接到舵机上，保障其固定牢固。如图2.3.1、2.3.2.图2.3.1图2.3.22.4 测速传感器的安装为实现车速的闭环控制，需使用光电编码器测量车速。光电编码器安装主要考虑的问题是与齿轮的咬合，太紧会使电机转动吃力并且会发出很大的噪声，太松有时候会丢齿。因此最好使得安装的编码器松紧程度能够调整最好,我们采用的是500线的编码器，每转一圈会产生500个脉冲。光电编码器的安装如图2.4所示。图2.4 光电编码器安装示意图2.5车底盘的调整 根据总结的智能车机械结构的设计原则，智能
9、车底盘必须足够低。车模底盘的高度主要由赛道中的坡道以及减速带决定，在顺利过坡的前提下，底盘越低越好. 此外，适当增大底盘的刚度有利于提高车体走直线的稳定性。通过增加垫片来增大弹簧的预紧力或调整弹簧的另一个支点的位置来改变预紧力可 以提高底盘的刚度。第三章 硬件部分3.1 硬件设计概述 以单片机为核心，配有传感器电路、测速电路，执行机构以及它们的驱动电路构成了智能车的硬件系统，硬件系统结构如图3.1所示。MC9S12XS128前端放大电路起跑线、避障电路编码器电路舵机控制电路电机驱动电路人机交互模块电源模块图3.1图3.1中，MC9S12XS128是本系统的核心控制器，满足智能车设计的要求。信号
10、转接板用来获取前端信息，从而测出偏移量；舵机是用来控制车身的转向；电机驱动与控制模块是用来控制电机的转动，包括加减速与正反转；测速传感器用来获取电机转速，以实现电机的闭环控制。键盘显示用于系统参数的设定和系统运行状态的获取。电源管理模块用来为各个模块供电。起跑线检测模块就是干簧管电路，用来检测起跑线的。从功耗和工作方式角度可将系统电路分为功率电路和数字电路。从供电电压角度可以将电路分为7.2V、6V、5V、12V电路。本系统中，电压分配如下：为保证驱动芯片正常工作，将7.2V经过升压电路到12V；舵机稳压后的6V供电；人机接口模块、编码器电路和电感传感器模块由一片5V电源芯片供电，只是主控芯片
11、的5V电源单独供给。3.2 MC9S12XS128单片机的选定根据电磁组的任务进行需求分析，选定XS128作为处理器，原因如下：1、电磁组主要是检测电磁信号，相对摄像头组来说，数据量相对较小，计算任务较轻。XS128的SRAM大小和外设能够满足要求。2、XS128在往届比赛中使用较多，资料丰富，易于学习。3、有成品核心板出售，成本较低。3.3 电感传感器电路设计组委会规定本次电磁组竞赛车模需要能够通过自动识别赛道中心线位置处由通有100mA 交变电流的导线所产生的电磁场进行路径检测。可首先讨论赛道上的直道部分（弯道可以看作很多小直道微元的积分，故只要直道研究透彻，弯道就可以迎刃而解），如图：
12、图3.3.1 无限长直导线周围的磁场利用毕奥-萨伐尔原理可计算得到：无限长直导线通以恒定电流I的时候周围的磁场为：下面在计算放置在无限长直导线周围的电感线圈能感应出的电动势： 图3.3.2 导线周围磁场分布根据法拉第定律：将线圈内部小范围内磁场近似认为是均匀分布的，将会得到即导线周围放置的线圈感应出来的磁场与导线到线圈的直线距离成反比。因此根据此种特性即可制作出电磁感应传感器。本设计采用LC谐振放大整流的方法来得到最终的信号。 首先通过一级LC的谐振，达到一个初步的选频滤波功能，即只感应20KHZ的电流产生的交流磁场，感应信号为正弦波，其幅值随着导线到传感器的距离而变化。在查询资料后，我们摘选
13、出了4中方案，方案1：两级放大电路，通过INA129初级放大后，再经NE5532二级放大，通过滤波后得到信号。方案2：LMV358一级放大电路后再接一级RC滤波稳定纹波后得到最终的输出。方案3：LM386一级放大电路。方案4:三极管放大电路。电路原理图见图3.3.3、3.3.4、3.3.5、3.3.6。经过试验，我们发现方案2比方案3和方案4数据更稳定，而且相对于方案1电路更加简洁.考虑到这些因素，我们最终选择LMV358的放大电路作为电感信号的处理电路。图3.3.3 电路原理图图3.3.4 电路原理图图3.3.5 电路原理图图3.3.6 电路原理图3.4 直流电机驱动模块设计 电机驱动电路板
14、为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由四支 N 沟道功率 MOSFET 管组成，额定工作电流可以轻易达到 100A 以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。由于C车电机为双电机，所以，我们用两路相同的驱动器分别驱动两个电机。该驱动器主要由以下部分组成：PWM 信号输入接口、逻辑换向电路、死区控制电路、电源电路、上桥臂功率 MOSFET 管栅极驱动电压泵升电路、功率 MOSFET 管栅极驱动电路、桥式功率驱动电路、缓冲保护电路等，电路如图3.8所示。电路中肖特基二极管IN5819保证了电平VB_1、VB_2低于12V，VB_1高于MOTOR_A，VB_2高于MOTOR_B。 电路如下图示，首先使能端为高时，驱动桥这时才会起作用。PWM0为某一占空比，PWM1为低时，使得IR2104驱动输出分别为低电平和相应的电压值。驱动桥电路左边上方IRLR7843与右边下侧的IRLR7843导通，另
