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1、目录第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校：北京科技大学队伍名称：北京科技大学电磁队参赛队员： 带队教师：- 3 -关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第七届“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： 引言这份技术报告中，我们小组通过对小车设计制作整体思路、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地
2、阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法，而对单片机具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳动。这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，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；也感谢北京科技大学相关学院对此次比赛的关注，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起协作的队员们，协助，互促，共勉使我们能够走到今天。目录引言- 1 -目录-
3、2 -第一章、方案设计- 5 -第二章、原理篇- 6 -2.1 直立行走任务分解- 6 -2.2 车模直立控制- 7 -2.3 车模速度控制- 11 -2.4 车模方向控制- 13 -2.5 车模倾角测量- 14 -2.6 车模直立行走控制算法总图- 19 -第三章、电路设计篇- 22 -3.1 整体电路框图- 22 -3.2 K60介绍与单片机最小系统- 23 -3.3 电源管理- 25 -3.4 倾角传感器电路- 26 -3.5 电机驱动电路- 27 -3.6 速度传感器- 28 -3.7 电磁线检测电路- 28 -3.7.1电感传感器的原理- 28 -3.7.2磁传感器信号处理电路- 2
4、9 -3.7.3磁传感器的布局原理及改进- 32 -第四章、机械设计篇- 34 -4.1 车模简化改装- 34 -4.2 传感器安装- 35 -4.3 电路板的安装- 37 -4.4 电池安装- 37 -4.5 其他机械结构的调整- 37 -第五章、软件编写与调试篇- 38 -5.1 软件功能与框架- 38 -5.2 K60 的资源配置- 40 -5.3 主要算法及其实现- 41 -5.3.1 底层初始化程序- 41 -5.3.2 传感器采集算法- 42 -5.3.3 直立控制算法- 43 -5.3.4 方向控制算法- 43 -5.3.5 速度控制算法- 43 -5.3.6 模拟电压采集子程序
5、- 46 -5.3.7 车模直立控制子程序- 47 -5.3.8 车模速度控制子程序- 48 -5.3.9 车模方向控制子程序- 50 -5.3.10 中断服务程序- 57 -5.4 程序调试与参数整定- 57 -5.5 现场运行测试- 59 -第六章、模型车的主要技术参数说明- 60 -6.1 智能车外形参数- 60 -6.2 电路部分参数- 60 -6.3 传感器个数以及种类- 60 -6.4 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量- 60 -6.5赛道信息检测精度、频率- 60 -结论- 61 -参考文献- 62 -第二章 原理篇第一章、方案设计本章主要简要地介绍智能车系统总体设计
6、思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析，如图1.1所示。图1.1 系统框图- 61 -第二章 原理篇第二章、原理篇2.1 直立行走任务分解电磁组比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务更为复杂。为了能够方便找到解决问题的办法，首先将复杂的问题分解成简单的问题进行讨论。为了分析方便，根据比赛规则，假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个后车轮，后轮转动由两个直流电机驱动。因此从控制角度来看，由控制车模两个电机旋转方向及速度实现对车模的控制。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本
7、任务：（1） 控制车模直立：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态；（2） 控制车模速度：通过控制两个电机转速速度实现车模行进控制；（3） 控制车模转向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。以上三个任务都是通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。可以假设车模的电机可以虚拟地被拆解成三个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、前进行走、左右转向，如图2.1所示。图 2.1 车模运动控制分解示意图直流电机的力矩最终来自于电机驱动电压产生的电流。因此只要电机处于线性状态，上述拆解可以等效成三种不同控制目标的电压叠加之后，施加在电机上。在上述三个任务中保持车模直立是关键。
8、由于车模同时受到三种控制的影响，从车模直立控制的角度，其它两个控制就成为它的干扰。因此在速度、方向控制的时候，应该尽量平滑，以减少对于直立控制的干扰。三者之间的配合如图2.2所示。图 2.2 三层控制之间相互配合，底层尽量减少对于上层的干扰上述三个控制各自独立进行控制，它们各自假设其它两个控制都已经达到稳定。比如速度控制时，假设车模已经在直立控制下保持了直立稳定，通过改变电机的电压控制车模加速和减速。车模在加速和减速的时候，直立控制一直在起作用，它会自动改变车模的倾角，移动车模的重心，使得车模实现加速和减速。2.2 车模直立控制控制车模直立的直观经验来自于杂技表演。一般的人通过简单练习就可以让
9、一个直木棒在手指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角加速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条件缺一不可，实际上就是控制中的负反馈机制，参见图2.3。世界上还没有任何一个天才杂技演员可以蒙着眼睛使得木棒在自己手指上直立，因为没有了负反馈。图 2.3 通过反馈保持木棒的直立车模直立也是通过负反馈实现的。但相对于上面的木棒直立相对简单。因为车模有两个轮子着地，因此车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动，抵消倾斜的趋势便可以保持车体直立了。如图2.4所示。图 2.4 通过车轮运动控制
10、保持车体直立那么车轮如何运行，才能够最终保持车体垂直稳定？为了回答这个问题，一般的做法需要建立车模的运动学和动力学数学模型，通过设计最优控制来保证车模的稳定。为了使得同学们能够比较清楚理解其中的物理过程。下面通过对比单摆模型来说明保持车模稳定的控制规律。重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化的单摆模型。直立着的车模可以看成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆。如图2.5所示。图 2.5 车模可以简化成倒立的单摆普通的单摆受力分析如图2.6所示。图 2.6 普通的单摆受力分析当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。这个力称之为回复力，其大小为在
11、此回复力作用下，单摆便进行周期运动。在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运行速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。图2.7显示出不同阻尼系数下，单摆的运动曲线。图 2.7 单摆在不同阻尼下的运动情况总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个：（1） 受到与位移（角度）相反的恢复力；（2） 受到与运动速度相反的阻尼力。如果没有阻尼力，单摆会在垂直位置左右摆动。阻尼力会使得单摆最终停止在垂直位置。阻尼力过小（欠阻尼）会使得单摆产生震荡，阻尼力过大（过阻尼）会使得单摆到达平衡位置时间拉长。存在一个阻尼临界阻尼系数，使得单摆
12、最快稳定在平衡位置。为什么倒立摆在垂直位置时，在受到外部扰动的情况下，无法保持稳定呢？分析倒立摆的受力，如图2.8所示。图 2.8 在车轮上参照系中车体受力分析倒立摆之所以不能像单摆一样可以稳定在垂直位置，就是因为在它偏离平衡位置的时候，所受到的回复力与位移方向相同，而不是相反！因此，倒立摆便会加速偏离垂直位置，直到倒下。如何通过控制使得倒立摆能够像单摆一样，稳定在垂直位置呢？要达到这一目的，只有两个办法：一个是改变重力的方向；另一个是增加额外的受力，使得恢复力与位移方向相反才行。由此，能够做的显然只有第二种方式。控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。这样站在小车上（非惯性系）看倒立摆，它就会
13、受到额外的力(惯性力)，该力与车轮的加速度方向相反，大小成正比。这样倒立摆所受到的回复力为q （2-1）式中，假设控制车轮加速度与偏角成正比，比例为。显然，如果，（g是重力加速度）那么回复力的方向便于位移方向相反了。此外，为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力，与偏角的速度成正比，方向相反。因此式（2-1）可变为 （2-2）按照上面的控制方法，可把倒立摆模型变为单摆模型，能够稳定在垂直位置。因此，可得控制车轮加速度的控制算法（2-3）式中，为车模倾角； 为角速度；k1、k2均为比例系数；两项相加后作为车轮加速度的控制量。只要保证在、条件下，可以维持车模直立状态。其中， 决
14、定了车模是否能够稳定到垂直位置，它必须大于重力加速度；决定了车模回到垂直位置的阻尼系数，选取合适的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置。因此控制车模稳定，需要下列两个条件：（1）能够精确测量车模倾角的大小和角速度的大小；（2）可以控制车轮的加速度。2.3 车模速度控制车模运行速度是通过控制车轮速度实现的，车轮通过车模两个后轮电机经由减速齿轮箱驱动，因此通过控制电机转速可以实现对车轮的运动控制。电机的运动控制有三个作用：（1） 通过电机加速度控制实现车模直立稳定。（2）通过电机速度控制，实现车模恒速运行和静止。虽然本届比赛规则中没有要求车模速度恒定，也没有要求车模在比赛之前和冲过终点之后保持静
15、止状态。但是通过速度控制，可以提高车模稳定性。在将来的比赛中，如果规则增加了静止要求，或者需要通过路桥等障碍，速度控制将会发挥作用。（3）通过电机差速控制，可以实现车模方向控制。电机运动控制是通过改变施加在其上的驱动电压实现的。对于电机的电磁模型、动力学模型以及车模的动力学模型进行分析和简化，可以将电机运动模型简化成如下的一阶惯性环节模型。施加在电机上一个阶跃电压，电机的速度变化曲线为(（2-4）式中，E为电压；为单位阶跃函数；为惯性环节时间常数；为电机转速常数。对应不同的电压，电机的速度变化曲线如图2.9示。图 2.9 电机在不同电压下的速度由图2.9可以看出，电机运动明显分为两个阶段：第一个阶段是加速阶段；第二个阶段为恒速阶段。其中，在加速阶段，电机带动车模后轮进行加速运动，加速度近似和施加
