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1、摘 要本文以第七届“飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛为背景，对两轮直立行走智能小车硬件和软件进行了深入的分析与设计，以参与制作的智能小车为例介绍智能小车设计制作的全过程。该智能车系统所用车模型号为N-286。采用16位单片机MC9S12XS128作为主控制单元，设计、制作一辆能够自动识别路径并能两轮自平衡直立行走的智能小车。整个智能车系统主要包括三大方面：机械结构安装，硬件电路设计，软件算法设计。本系统在设计中采用模块化设计，其中，路径检测模块采用LC谐振回路作为选频网络，然后对其信号进行放大、滤波；角度检测模块利用陀螺仪和加速度传感器分别测量车模的角速度、角度，然后将角速度积分信号与角度信号
2、整合得到车模的精确角度信号；电机驱动模块采用四片BTS7960驱动芯片，两两级联构成全桥驱动电路，利用PWM进行速度控制；速度检测模块采用增量式光电编码器；电源模块通过稳压芯片提供V、5V电压。系统应用PID控制算法，构成一个闭环控制系统。通过对赛道信息、角度信号和速度信号的综合分析，利用N-286型车模双后轮驱动的特点，实现小车两轮自平衡直立行走。关键字：直立行走；PID；MC9S12XS128；电机控制AbstractOn the background of the Seventh Freescale Cup Intelligent Auto-mobile Competition for
3、national college students, this paper conducts deep analysis and design on the hardware and software of the two walking upright intelligent automobiles, and briefly introduces the whole processes of designing and making the automobile through the example of making the intelligent automobile.This int
4、elligent auto-mobile system adopts the model N-286 as its type. By taking the 16 bits single chip microcontroller MC9S12XS128 as its main control unit, we can design and make an intelligent auto-mobile, which can recognize certain road automatically and run upright with its two wheels. The entire sy
5、stem contains three main parts: the installation of mechanical structure, the design of hardware circuit and the design of the software algorithm. The system adopts the modular design. Among them, the path detection module uses LC resonance loop as the frequency selective network, and then has its s
6、ignal amplified and filtered. The angle detection module uses the gyroscope and angle acceleration sensor to measure the angular velocity and angle of models respectively. Then it integrates angle speed signal and angle signal to get precise angle signal of the models. Motor driver module uses four
7、pieces of BTS7960 drive chips and two cascades to construct the whole bridge driving circuit. The system adopts PWM speed control algorithm to form a close loop control system. Speed detection module uses the solid-axes photoelectric encoder. Power module supplies voltage of 3.3V and 5V through regu
8、lated chips. The system applies the PID control algorithm to form a closed loop control system. Through a comprehensive analysis of track information, angle signal and speed signal and by using the characteristics of dual rear-wheel drive of N-286 auto-mobile models, it realizes the self-balanced up
9、right walking with its two wheels.Key Words: Walk upright, PID, MC9S12XS128, Motor control目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1 绪论11.1 研究背景11.2 设计前景11.3 设计内容和意义12 电磁车整体结构22.1 设计的总体思路22.2 直立行走任务分析43 机械结构53.1 车模简化改装53.2 传感器安装63.3 其他考前须知64 系统硬件电路设计74.1 电磁线检测电路74.1.1 感应电路设计74.1.2 放大电路设计84.1.3 检波、滤波电路设计94.1.4 电磁线检测整体
10、电路94.2 角度传感器电路104.3 电机驱动电路104.4 速度传感器114.5 电源模块电路124.6 其他电路模块145 控制策略与算法研究155.1 软件功能与框架155.2 MC9S12XS128片内资源简介165.3 主要的控制算法与实现175.3.1 PID控制简介175.3.2 车模直立控制185.3.3 车模速度控制195.3.4 车模方向控制205.3.5 车模直立行走控制算法总图205.4 调试与参数整定215.5 开发与调试环境22结 论23致 谢24参考文献25附录A 系统原理图26附录B 系统PCB图27附录C 程序代码281 绪论1.1 研究背景本课题来源于“飞
11、思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛。“飞思卡尔杯智能汽车竞赛是教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养而举办的面向全国大学生的智能汽车比赛，具有重大的现实意义1。“飞思卡尔杯智能汽车大赛从2006年开始举办，今年是第七届。竞赛为了提高全国大学生智能汽车竞赛创新性和趣味性，激发高校学生参与比赛的兴趣，提高学生的动手能力、创新能力和接受挑战能力，智能汽车竞赛组委会将电磁组比赛规定为车模直立行走。相对于传统的四轮行走的车模竞赛式，车模直立行走在车体检测、控制算法等方面提出了更高的要求。 设计前景智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨
12、科学的综合性技术，当代研究十分活泼，应用日益广泛的领域。可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段，人类无法介入等特殊情况下的任务。智能车辆是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合体统。如果将以上技术引用到现实生活中，可以使我们的未来生活变得更加智能。除了潜在的军用价值外，还可以应用于科学研究、地质勘探、危险搜索、智能救援等，其在交通运输中的应用前景也受到西方国家的普遍关注。1.3 设计内容和意义本设计所用车模型号为N-286，采用16位单片机MC9S12XS128作为主控制单元，设计、制作一辆能够自动识别特制跑道并能两轮自平衡行走的智能小车。整个系统主要包括
13、三大方面：机械结构安装，硬件电路设计，软件算法设计。按模块划分为：路径检测模块，角度控制模块，电机控制模块，速度检测模块，电源模块等。整个系统为一个闭环控制系统，采用电磁传感器、倾角传感器及测速编码器等设计信息采集电路和控制算法，利用N-286型车模双后轮驱动的特点，实现小车两轮自平衡行走。以主单片机为中央纽带控制和协调各模块调理有序的稳定运行。后文将分别从机械结构、系统硬件设计、软件设计三大方面对各子模块进行详细解析。智能车的研究很有应用前景，对智能化研究能起到引导的作用，尤其对自动驾驶、智能运输的研究具有重要意义。2 电磁车整体结构2.1 设计的总体思路电磁智能车模型采用N-286型车模。
14、整个系统为一个闭环控制系统，通过对电磁传感器、倾角传感器及测速编码器等设计信息采集电路，采用16位单片机MC9S12XS128作为主控制单元对以上信息数据进行采集、处理，进而设计控制算法，利用车模双后轮驱动的特点，控制车模两个电机，实现小车两轮自平衡直立行走。如下图。图 电磁车俯视图按照设计要求，赛车需两轮自平衡直立沿着电磁跑道行走，在此要求下设计的电磁车体系结构如下图。图 电磁车整体结构由图可知，电磁车整体结构分为以下及模块：(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，进行路径识别，并输出电压给MC9S12XS128采集；(2) 角度传感器模块：利用陀螺仪
15、和加速度传感器分别测量车模的角速度、角度，然后将角速度积分信号与角度信号整合得到车模的精确角度信号；(3) 速度传感器模块：利用增量式光电编码器进行速度的测量，反应给单片机，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；(4) MC9S12XS128模块：构成系统的控制器；(5) 电机驱动模块：通过MC9S12XS128单片机输出的PWM(Pulse Width Modulation)控制，功率放大用来驱动电机，要求驱动电流足够大，同时要考虑到大电流对整个系统的影响；(6) 电源管理模块：制作相应的电源电路，针对个模块的输入电压信号要求。利用不同的稳压芯片为各模块供电。利用5V稳压芯片将电源稳成5V，给单片机、速度传感器及路径检测模块供电，LM117电压可调芯片给两个角度传感器供电，而电机那么利用电源直接供电。2.2 直立行走任务分析电磁智能车设计要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道行走，相比四轮着地状态，车模控制任务更为复杂。按照设计思路“对三类传感器的信息整合，来控制车模两个后轮电机，完成设计任务，由此可见车模控制的核心是两个后轮
