电磁导航设计毕业设计

1、全国大学生“飞思卡尔” 杯智能车竞赛是教育部委托高等学校自动化专业教 育指导委员会举办的、全国理工科大学生四大竞赛之一，每年一届。此竞赛以培养 大学生理论实践相结合为目的， 要求设计与制作自主道路识别能力的智能模型汽车。本课题以第五届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛为背景，以 2010 年 首届电磁路径导航竞赛规则为依据，基于 8位微处理器MC9S08AC60，设计与制作 一辆电磁导航智能模型车，使其能够依循导引电磁场变化而自主决策，完成加速、 减速、前进、后退、转弯等操作。电磁导航智能模型车的研制主要包括四个模块：传感器模块、电机驱动模块、 控制电路模块和测控软件模块。本文从传感器方案的

2、论证、速度检测方案的论证、 控制策略的选取、 PID 算法的优化等几个方面来阐述智能车的设计；从智能车的安 装、调试及其技术参数等方面介绍智能车的制作过程。本文从电路的角度分析本课 题硬件设计的优点，也在机械结构等方面分析智能车所表现的优势与特点。本毕业设计完成了电磁导航智能车系统全部电路设计、控制程序编写和实物制作，并在1： 3的实际比赛赛道上运行，平均速度可达1.3m/s,基本达到了预期效果。关键词 ：电磁导航； 智能车； 电磁感应； 飞思卡尔； MC9S08AC60ITitle : Electromagnetic navigative design of smart carAbstrac

3、tThe " freescale " cup smart car race is entrusted by ministry of education in higher schools automati on of the steeri ng committee, n ati onal un dergraduates, one in four competiti ons every year. This con test is to train uni versity stude nts' theory and practice, for the purpose

4、of comb in atio n, desig n and manu facture ability to ide ntify in depe ndent road of intelligent model car.The design ,as the background of the Fifth National College "Freescale" smart car cup race, based on MC9S08AC60 MCU, desig n and product ion of an electromag- netic navigation model

5、 cars, so that electromagnetic fields can follow the cha nges in own ership, and achieve forward, backward, turn and other sports.The design consists of four modules: sensor circuit module, the motor drive circuit module, the con trol circuit module and the software algorithms module. This argume nt

6、 from the program, circuit desig n, sig nal acquisiti on, con trol side of the rate of select ion, the optimizati on algorithm to illustrate the aspects of smart car desig n and product ion process. In addition, the design of intelligent vehicle installation, commissioning and tech ni cal parameters

7、 are also made part of the in troductio n, not on ly from the perspective of the circuit dem on strate the adva ntages of in tellige nt vehicle hardware, but also to an alyze the mecha ni cal structure of the performa nee adva ntages of smart cars and characteristics.The graduati on project complete

8、d all smart car con trol system circuit desig n and physical product ion, and the con trol of programmers, and 1:3 to run the actual race track, get better grades,reach to 1.3m/s, achieve the desired effect.Keywords : Electromagnetic navigative; Smart car; Electromagnetic; Freescale; MC9S08AC60ii毕业设

9、计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标 注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成 果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文 中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名： 日 期：指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即:按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本; 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并

10、提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期：5学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或

11、机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日目次1 绪论 11.1 课题研究背景 . 11.2 国内外发展状况 . 11.3 课题研究意义与内容. 22 方案论证 42.1 系统总体方案 . 42.2 微控制器 . 42.3 电磁路径传感器 . 62.4 电机驱动方案论证 . 92.5 速度检测方案论证 . 92.6 电源方案 . 93 电磁路径传感器设计 113.1 电磁路径传感器设计原理

12、 . 113.2 电磁路径传感器电路设计 . 144 转角伺服电机（舵机）控制系统 194.1 舵机驱动电路设计 . 194.2 转角控制软件设计 . 205 转速直流电机控制系统 235.1 转速直流电机驱动电路设计 . 235.2 测速反馈电路设计 . 235.3 转速控制软件设计 . 246 安装与结构调整 276.1 前轮调整 . 286.2 主控制板安装 . 296.3 传感器安装 . 296.4 舵机安装 . 306.5 直流电机和测速安装. 306.6 电机驱动电路模块安装 . 317 开发及调试 327.1 模拟赛道 . 327.2 调试 337.3 智能车主要技术参数. 33

13、结 论 35致 谢 错误！未定义书签。参 考 文 献 错误！未定义书签。附录A:系统电路原理图 40附录B:系统软件总框图 41附录C:电磁导航智能车实物展示图 42附录D:主要元器件参数表 43附录E:程序清单（PID部分） 441 绪论1.1 课题研究背景 当今社会随着经济的发展，人们生活水平不断的提高，人们热切希望从体力劳 动中得到解放，因此，越来越多的自动化设备机器，将会代替人们从事体力生产劳 动，而能解放更多的劳动力 1 。汽车，是人们为解放劳动力的一种交通工具，在当 今社会中已日趋平常，人们的生活效率也因其日趋提高。但是随着汽车数量的与日 俱增，世界各大城市相继出现了交通拥挤的问题

14、。以上海为例，当今外环线以内大 部分车辆的平均时速在 20公里以下，由此可见，交通资源的利用率极低 2 。再则， 车辆的增多相继会导致交通事故的增加， 据 2008 年统计，我国因交通事故死亡的人 数约为十万人 3 ，因交通事故人致伤致残的人更多。所以，在现有道路有限的情况 下，发展智能交通导航系统（ITS）成为提高交通资源利用率和交通安全的一种有效 手段。智能车有着极为广泛的应用前景 4 。结合传感器技术和自动驾驶技术可使实现 汽车的自适应巡航， 使车又快又稳、安全可靠；夜间行驶能实现汽车安全辅助驾驶； 在条件恶劣的环境下，能够代替工人完成巡逻监视、物料运输、消防灭火等任务。本设计以第五届全

15、国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛为背景，设计和制作 一辆电磁导航智能汽车模型，并介绍智能汽车控制系统的硬件结构，电路设计和软 件开发流程。 电磁导航智能汽车是 2010年全国大学生“飞思卡尔” 杯智能汽车竞赛 新增的赛题组，通过电磁感应原理检测路径的磁场信息，使智能车自主决策，从而 实现前进、后退和转弯等功能。1.2 国内外发展状况 在国内智能车比赛中，一般是采集光学信息来识别路径，如红外检测和摄像头 检测。电磁导航的技术在国内竞赛中出现虽然不常见，但是这种技术已经应用到了 电路巡检、医疗服务等方面 5 。从中国历史看来，磁场的导航由来已久，利用地磁场导航也亦可上溯到公元前 两千年，当时的导

16、航器是指南车。随后又有指南针的出现，从此世界航海领域进入 一个转折点，人们也开始对磁场进行研究。随着技术的发展，在当代国内相继出现 电磁导航的机器人，有高压巡线机器人、护士助手机器人、电磁喷雾机器人等 6-7 。在国外，地磁场导航比中国相对要晚几百年，但是电磁场的发现却比中国早了近百年，因此国外电磁导航系统相对国内的要成熟得多。目前国外研发的电磁导航 系统有 VTI INSTATRAK 3500 、BIOSENSE SYSTEM 和 NDI AURORA 等8 ，并且这 些系统已经应用到了军事、医疗和生活生产当中。1.3 课题研究意义与内容电磁导航系统是目前世界上研究的又一热门 9 ，与光学导

17、航系统相比，电磁导 航系统具有明显的优势 10 ：（1）电磁导航系统无光线信号阻挡的局限性；（2）电磁导航系统比光学导航系统明显轻便，可自由移动；（3）无射线辐射伤害；（4）精确定位。 往届的智能车全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛分为光电组和摄像头组， 其中光电组主要是采用红外传感器采集路径信息，摄像头主要通过下采集图像信息 识别路径。本届比赛采用第五届竞赛新规则， 以通有 20KHz 的交变电流的载流导线作为路 径，要求小车通过检测载流导线周围的电磁信号来控制智能车沿着载流导线前进， 使用磁场信号引导车沿一定轨迹运动。本设计的智能车主要体现在磁场信号具有很好的环境适应性 （不受光线、 温度

18、、 湿度的环境因素的影响） ，并且磁场为规则分布， 能够根据磁场大小来确定车体离轨 迹距离，然后实现对智能车角度和速度的控制，最终达到智能车运动的快速性和稳 定性。本课题设计并制作一辆电磁导航智能车，实现智能车根据电磁路径传感器获取 路面信息而做快速稳定的寻迹运动。本课题主要任务：（1）电磁路径传感器方案的优选及电路设计； 从电磁的各种检测方案中依循经济实用的原则选择其中一种，并解决传感器的 布局和电磁信号的采集、放大、检波等电路设计的问题。（2）智能车的电机驱动方案的选择与电路设计； 智能车的电机分为两类：转角电机（舵机）和转速电机。本设计解决两类电机 的驱动和快速响应问题，并且设计测速电路

19、，使直流电机得到闭环控制。（3）整个系统的接口电路设计及其软件程序设计；设计微控制器与传感器、电机驱动、电机控制、测速等模块接口电路，解决传 感器与控制器之间的信息传输和微控制器与电机之间信息的传输问题，并且选择合 适的控制策略和算法，编写控制处理程序。（4）智能车的安装与调试。改进智能车的车模前轮安装方式，设计系统各个模块电路板的安装，使智能车 能够具有灵活、轻巧而又实用的特点。设计模拟赛道，采用观察法对智能车的控制 参数进行调试。362方案论证2.1系统总体方案主控制器和电磁路径传感器是电磁导航智能车的关键部分。主控制器作为智能 车的“心脏”，其运算能力和稳定性直接关系到智能车的整体性能；

20、而传感器恰似智 能车的“眼睛”，检测信息的准确性与灵敏性也决定智能车能否快速稳定而又准确的 做寻迹运动。本设计建立在往届竞赛车模基础上，采用八位微控制器MC9S08AC60作为整个系统的核心控制单元。选定导航车电磁路径传感器后，使其不断检测路径信息， 经单片机A/D转换后，而确定车体位置，然后自主决策控制车体转向与运动速度， 再经过测速反馈，不断校正，最终达到稳定而又快速行驶。（图2.1为系统的整体框图）图2.1智能车系统框图2.2微控制器主控制器为整个系统的“心脏”部分，控制器直接影响智能车的灵活性和智能化。控制器的选择有很多种，有 51八位机系列、AVR八位机系列、16位机系列和 32位机

21、系列。但是由于在竞赛规则中，指定必须使用Freescale公司的微处理器产品， 又考虑到16位机和32位机在学习和当前条件上有所局限，且本设计控制系统采用 八位处理器可以满足要求，所以最终确定使用MC9S08AC60作为本设计的主控制器。本设计采用Freescale半导体公司的64引脚封装的八位微控制器 S08AC60作 为核心控制单元（如图2.2）。wEMW.wIpgEdE星-dlMJLdr n n n r n r - n .41IRQ1PMCLK 匚 匚 PTFiVTPWICtt?PTFieMK：柏匚FTFaTFMKtfJ 匚FTFyTFklKH | 'FTF4ATPM2CH ）匚

22、PTC$匚P町PTFi7PM3CHl P帼匚FFEfVTtDI 匚FITI.flxDI 匚PWTPMlCfffl 匚PIE1TPM1CH1 if.1264-Pin QFFa4-Pin LQFPI4513 骑14 »15 3*PTG3* BI1P3二| picaxeiipswipii 二I Pire.KBliPi'WIPIQI YsmI VantiPTOifAOlW二| FTSWDIMJ FTWPIP?PTBGDIPbPlKffcDIPSP1B44D1PPIBl'ADIPSPIBZ'WIP?FTB1PhQCHW1P1PTEJCVTFPCIK-A&IPOF

23、TA7匚3sds_-£akiI- usomd5钟書LLkldM芝_一业id5Ld yYld 起a. -¥ld u-*一 LdLfflMly-斗 FaNJOclld图2.2 MC9S08AC60引脚封装图选择MC9S08AC60作为智能车的处理器有以下优点：1、技术成熟、高可靠、高性能、抗干扰和电磁兼容性强，内部资源丰富（如图2.3），且种类齐全，选择余地大，新产品多；2、开发技术先进且低廉，可提供免费开发环境和开发调试工具；3、支持C语言开发，并进行了硬件和软件优化，效率较高；4、可平滑完成从8位MCU到32位MCU核心的转移，它们的引脚兼容、开发环境不变ii。BKGO&#

24、39;MSVlHMD VgsAE Vwi VflfFhHCS08CORElies佣系统控制复税和中断运折模盘电源黔理RTICOPIRQLVD用户FLASH ;訓60=甜帥BTTESI :制聯= 43舉BHE$| :AW3? = 32.766 BYTES :AW16= 16.364 HHE$|用户RAMAWea，4&33 = MM8 0VTES AW1G = 1CeJ0/TES内駅时钟笈生器(ICft调址恠堰ilWi)舫通讎口臧(SC12)I砸模St转横器(MO串斤外憎设矗按口嵐块(SPIO定M器/'PiMBS映测1)(sen)定时(TPM2)H ft 傩盘巾 (KUH)閉M2C

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27、mp;E)(IAL PTGTAL PTG4KBI1P4 PTG3K0HP2 *PTGiKBhP?PTG1'KBI1P1 _ PT&a，KBilPfl图2.3 MC9S08AC60内部资源图2.3电磁路径传感器2.3.1往届竞赛传感器介绍传感器是导航系统的“眼睛”，其性能的优劣关系到系统能否准确、快速地感 知路径信息。在国内近几年智能车比赛中，所使用赛道为白底黑线，参赛队使用的 传感器主要是光学传感器，如红外传感器(图 2.4)和图像传感器12(图2.5)。红外传感器是一种能探测红外线的器件，能把红外辐射量变化转换成电量变化13。基于红外传感器的测控电路，传感器由一系列的红外发光

28、二极管和红外接收二 极管组成，因为黑色和白色对光的吸收率不同，落在黑线区域内的红外接收二极管 接收到的反射光强度小于在白色区域内的反射光强度，所以传感器输出的电压值就 不同。根据此原理可实现对路径的识别。但是由于红外利用光线反射原理，如若赛 道有干扰杂点，采集信息将会出现错误进而引起处理器误判。同样，图像传感器也是利用光学原理，也必然受到外部光线的影响。由于第五届竞赛规则发生变化，新增电磁导航智能汽车竞赛项，因此传统光学 传感器不能应用到此项当中。然而电磁导航却摆脱了光线的干扰，使路径信息的稳 定性更好，适应性更强，在这一角度上电磁导航优于光学导航。2.3.2电磁路径传感器论证由于本设计采用的

29、路径是通有 100mA、20KHz交变电流的直径为0.3mm漆包 线，因此传感器主要任务是检测导线周围的交变电磁场。电磁场的检测在传感器的 选取上有很多种14-16，具体如下：（1）电磁感应测量方法：电磁线磁场传感器，磁通门磁场传感器，磁阻抗磁 场传感器。（2）霍尔效应测量方法：半导体霍尔传感器、磁敏二极管、磁敏三极管。（3）各向异性电阻效应（AMR ）磁场测量方法。（4）载流子自旋相互作用测量方法：自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋阀三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。（5） 超导量子干涉（SQUID）测量方法：SQUID薄膜磁敏元件（6）光泵测量方法：光泵磁场传感器。（7）质子磁进动测量

30、方法。（8）光导纤维测量方法。表2.1电磁传感器所检测磁场范围围上具有明显的优势，从市场角度来说，感应线圈传感器价格低廉且易于买到。因 此，本着经济适用的原则，本设计采用感应线圈作为路径电磁检测的传感器。2.4 电机驱动方案论证本设计所涉及到的电机有两类：转角伺服电机（舵机）和转角直流电机。2.4.1 舵机驱动方案论证 舵机驱动方案有： PWM 控制、电压调节控制等。 舵机的控制主要是指对其转角的控制，要实现这一功能，只需要通过改变控制 舵机端子的 PWM 波占空比便可实现，不需要改变施加在舵机两端的电压大小。将 电源 7.2 电压经转换稳压后直接接到舵机电压输入端即可实现对舵机的驱动。因此，

31、 舵机的控制可直接通过软件改变 PWM 波占空比，此方案控制简单而又精确，并且 易于实现。2.4.2 转速直流电机驱动方案论证由于 MCU 管脚的输出电流较小，远远小于电机工作时流过电机的电流，所以 要设计一个电机驱动电路来实现电机的拖动。电机驱动方案有LM298直流转速电机驱动、H桥直流转速电机驱动等。本设计 采用Motorola公司生产的专门电机芯片 MC33886,它内部集成了一个H桥电路17-18, 能够通过5A的电流，并且外部输入控制信号的频率可以高达 10KHZ，大大提高了 电机控制的频率,可以很好的控制电机的转速和转动方向,易于实现正转、反转。2.5 速度检测方案论证速度检测方案

32、有很多种 19，比如：测速电机、光电编码等。 考虑到使用测速电机会给智能车后轮附加力矩而影响车速的提升，故本设计选 用光电编码的方式。2.6 电源方案电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电 路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。电源模块由若干相互独立的稳压电路模块组成。一般采用如图 2.6 所示的树型 结构。由于整个系统的供电电压为 7.2V而控制器的所需电压为5V，另外，在实际 智能车运行过程中可能频繁的加速、减速使得电源两端的电压有较大的波动，因此 为了确保

33、系统能够跑完全程避免意外重启，电源稳定性在系统中是至关重要的。电源稳压的方法有很多种，常见的有 LM7805 稳压管和 LM2940 稳压管。本设 计采用LM2940作为电压的稳压芯片，因为 LM2940有比LM7805更大的输入转换 区间20，更高的输出电压精度。图2.6电源供电示意图比赛提供7.2V电池，整个系统需要为以下模块供电: 为MCU供电（5V）；为传感器供电（5V）；为电机驱动供电（7.2V）；为测速模块供电（5V）为舵机供电（转向舵机和制动舵机）（6.4V）3电磁路径传感器设计3.1电磁路径传感器设计原理3.1.1直流导线周围的电磁场根据麦克斯韦电磁场理论可知，直流通电导线周围

34、产生稳定磁场和电场。导线 周围的电场和磁场，按照一定规律分布（如图3.1）。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，这正是电磁导航的原理。图3.1通电导线周围的电磁场示意图由于赛道导航通电导线和车模尺寸 L远远小于电磁波的波长入，电磁波辐射能 量很小（如果通电导线的长度 L远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射 能量正比于通电导线长度的四次方），所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此， 导线周围变化的磁场可近似等效为缓变的磁场，按照检测静变磁场的方法获取导线 周围磁场的分布，从而进行位置检测。由毕奥-莎伐尔定律可知：通有稳定恒流I长度为L的长直导线周围会产生磁场

35、，记算导线距离R处P点的感应电动势强度为:图3.2通电导线P点的磁场强度(3.1)(3.2)由此得：B 述(cost cos)I8 =2-0-sin 寸d丁(o =4二 10彳TmA)i 4: r一 I对于无限长直流导线来说，式（3.2）中 y =0,一二二，则有B=°-4町图3.2无限长通电导线磁场强度从图3.2中可以得出，感应磁场是以通电导线为轴的一系列的同心圆。同一圆上的磁场强度大小相同，并随着距离导线的半径R增加成反比下降。3.1.2交变磁场检测方法根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。智能车竞赛使用的导航路径的交流频率为 20KHZ，产生的电磁波属于甚低

36、频（VLF）电磁波21。 甚低频频率范围处于工频和低频电磁波中间，为 3KHz 30KHZ，波长为100Km 10Km。本设计经过方案的论证与比较，最终选用传统电磁感应线圈的方案，它具有原 理简单、价格便宜、体积小（相对较小）、频率响应快、电路实现简单等特点。通电导线周围的磁场是一个矢量场，场的分布如图3.3所示，导线中的电流按一定规律变化时，导线周围的磁场也将发生变化，则线圈中感应出一定的电动势。根据法拉第定律，线圈磁场传感器的内部感应电压E与磁场B（t）、电磁线圈的匝数N、截面积A的关系有：E = （NA）宀叮严 一 d （t）（ 3.3）dtdt感应电动势的方向可以用楞次定律也确定。由于

37、本设计中导线通过的电流频率较低，为20KHZ，令线圈中心到导线的距离为r,认为小范围内磁场分布是均匀的。根据图3.3所示的导线周围磁场分布规律,则线圈中感应电动势可近似为：(3.4)E 一4 二 kdI 二 Kdt rdt r即线圈中感应电动势的大小正比于电流的变化率， 反比于线圈中心到导线的距离。其中常量K为线圈摆放方法、线圈面积和一些物理常量有关的一个量，具体的 感应电动势常量须实际测量来确定。3.1.3线圈检测电磁方案线圈摆放的位置不同则感应的电动势大小不同。根据法拉第电磁感应定律可 知，通过线圈的磁感线越多，感应电动势越大，因此，此设计选用与通电导线垂直 方向放置线圈。在车模前方安装水

38、平线圈（图3.4），线圈距导线水平距离x，两线圈间隔L, 线圈的高度为h，由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量。根据公式（4）可知感应电动势大小与 几成正比。因此，通过改变线圈高3.2电磁路径传感器的电路设计从上面检测原理可以知道，测量磁场核心是检测线圈的感应电动势E的幅值。下面将从感应线圈的选取、信号选频放大、整流和检波等几个方面论证电路设计的 问题，最后给出电路设计系统框图设计和实际电路。3.2.1电磁感应线圈的选取本设计检测线圈采用市场上廉价的“工”字型100mH电感线圈，如图3.5所示。 这类电感体积小，Q值高22，具有开放的磁芯，相应速度快，可以明显感应周围 交

39、变的磁场。图3.5磁场中的“工”字电感线圈3.2.2信号选频放大电感线圈可以对其周围的交变磁场感应出响应电动势。这个感应电动势信号具有信号弱、噪声多等缺点。为了消除此缺点，此设计与电感并联一谐振电容，增加信号强度，减小干扰信号。考虑到比赛场地选择20KHZ的交流磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其他磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得20KHZ的信号能够有效地放大，并且去除其他干扰信号的影响。可以使用LC并联电路来实现选频电路（带通电路），如3.6图所示：图3.6 LC并联谐振电路示意图以上电路中，谐振频率为:12 二 LC。已知感应电动势的频率f0 二 20KHZ，感

40、应线圈电感为L = 100mH。由此可以计算出谢振频率电容的容量为:12(2%) L1323(2 3.14 20 103)2 100 10:633( pF)(3.5)通常在市场上可以购买到的标称电容比较接近的为560pF和500pF,但是在实际电路中本设计选用500pF的电容作为选频电容。为了更为准确的获得选频效果，本设计过程中做了一系列实验（图3.7），实验 数据（表3.1 ）显示：在频率为20KHZ电流为100mA的交变电流产生的磁场中，电 容容值500pF能与电感100mH基本发生谐振，获得比较理想的效果。从图 3.8中可 知增加谐振电容之后，除了基波信号之外的高次谐波均被滤波除掉外，输

41、出幅值明 显增大（谐振前大约100mV，谐振后可达400mV），且只有基波20KHz信号能够发 生谐振，输出总是20KHZ正弦波（如图3.8）。表3.1频容谐振实验数据表（高度 1cm）信号频率（KHz）实验所选电容（pF）27050056068082018190mV260mV360 mV640 mV500 mV18.5200 mV320 mV500 mV380 mV320 mV19200 mV450 mV800 mV260 mV240 mV19.5210 mV680 mV1480 mV210 mV200 mV20220 mV1280 mV1040 mV180 mV160 mV20.5250

42、mV1660 mV600 mV150 mV140 mV21280 mV800 mV420 mV130 mV120 mV21.5300 mV500 mV320 mV120 mV110 mV22320 mV370 mV260 mV110 mV100 mV频容谐振表270500560 一 680820O40)o)oo o o O o)o o o O 2 0 8 6 4 201818.51919.52020.52121.522频率（kHz）图3.7频容谐振实验图（高度 1cm）图3.8谐振前后波形图（高度 3cm 40mv档位）由于感应电压信号峰峰值比较低（只有 400mv）,还需要将上述感应电动势进

43、步放大，一般情况下电压峰峰值放大到1 5V左右，就可以进行幅值检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db）。本设计采用一阶共射三极管（NPN 型8050）放大电路就可以满足要求（图 3.9）。"inductvccss<正弦波信号输出OR=0615oaP图3.9单管共射交流放大电路3.2.4信号幅值测量检测测量放大后的感应电动势的幅值 E可以有很多种方法，如运算放大器检波电路、二极管检波电路等。但是最简单的是使用二极管检波将交变电压信号检波成 直流信号，方便单片机A/D采集，获得正比于感应电压幅值的数值。正弦波信号输入DIODE>Rj6：检波后直流信号输出&

44、gt;47k10(HDIODED62图3.10二极管检波电路为了获取感应电动势更大的动态范围，检波电路（图3.10）的二极管本设计采用肖特基二极管，因为此类二极管的开启电压一般在0.10.3V左右23，小于普通二极管的0.7V，可以增加输出信号的动态范围和增加整体电路的灵敏度。由于传感器检测信号频率为 20KHZ，所以电路中的电容放电时间应该大于50卩S,这样才能保证输出地电压信号能够基本稳定而不出现大幅波动。V厂 V。(V1 - V。)1 -(T /RC)e (3.6)公式3.6中：ti为电容放电时间；Vo为电容的初始电压值；Vi为电容最终稳定 电压值；Vt为t时刻电容上的电压值；R为负载电

45、阻。为使检波后输出信号值能够快速而准确地反映路径电磁信息，电路中的电容的 充电时间应该小于电磁感应线圈的最小分辨距离与智能车瞬时最大速度的比值。本 设计电磁导航智能车所能达到的最大速度为 6m/s,电磁感应线圈的最小分辨距离为 3cm,因此电容的充电时间应小于 5ms。Vt"o （vO 1 e（2/RC）（3.7）公式3.7中：式中：t2为电容充电时间；Vo为电容的初始电压值；V2为电容最 终稳定电压值；Vt为t时刻电容上的电压值；R为负载电阻。由公式3.6和3.7所示，若检波电路中的电容的稳定电压与 Vt相等，则可计算 出充电时间ti约为4ms小于传感器最小分辨距离与智能车最大速度

46、之比50ms,放电时间t2约为4ms远远大于传感器所检测的信息周期 50卩s,所以符合智能车运行条 件和道路信号要求。4转角伺服电机（舵机）控制系统4.1舵机驱动电路设计舵机其内部的结构有：舵盘、齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路 等。舵机工作原理：脉宽信号给定参考位置，舵机内部电路通过反馈控制调节舵盘 角位。舵盘角位由PWM波控制信号脉宽决定。应该注意的是输入舵机的PWM波，其周期和占空比均有一定的限制，周期一 般为20ms,占空比为5% 10% （如表4.1）。高电平时间在1.2ms1.7ms之间变化 以对应舵机向左向右的最大机械转角。表4.1正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置关

47、系输入正脉冲宽度（周期 20ms）输出臂位置（度）0.5ms-901.0ms-451.5ms2.0ms452.5ms90将7.2V电池电压经稳压6.4V后直接接入舵机电压输入端即可实现对舵机的驱 动。实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫伏左右，电压无需十分精确。 舵机驱动电路图如图4.1所示：FWMstreet图4.1舵机驱动电路4.2转角控制软件设计在系统的车的转角控制中，对轨迹变化响应的快速性应最优先考虑。而由于输 入量轨迹的变化本身就在快速变化，整个控制的过程可以理解为一个动态跟随控制 的过程，所以很难消除稳态误差。为了简化控制过程并提高系统性能，本系统选用 PD（比例微分）控制

48、作为转角控制的核心策略，舵机的PD调节框图如图4.2所示图4.2舵机PD调节框图在整个策略中，对舵机转角 a控制量的影响大小依次为：a> da> speec。最终(4-1)输出control为:control =Kp *e(t)+ Kd * de(t)/dt跑道传感器130传感器咼度车体偏离通电导线时图4.3拟合轨迹示意图程序实现：为了最大程度上提高检测精度，本设计中可以调整传感器的间隔， 让相邻电感间 的轨迹检测连续。这样可以在不增加传感器数目的前提下，把检测精度提高一倍。 本设计传感器电感使用6个，如图4.3所示，另加传感器都检测不到的事件，共 12 种情况。为避免复杂的运算，

49、本设计采用查表得方式，索引量使用量化后的转角变化量和时间变化量，表的内容只包括校正值，如图4.4所示此外，当智能车系统作高速运动时，速度的大小对系统的导向控制起很大的作 用。比如速度很快时，转向的调整幅度相对于速度很慢时就应该等比减小。在试验 过程也验证了这点。所以速度对转向的控制效果也有很强的作用。在速度很快的情 况下轻微的转角调整就可能导致很大的偏差，在高速经过大转角转向过程中，转向 角度应取极大值。在小车数学模型不确定或者不完善的情况下，推导精确的Kp很难实现。这个环节有很大的经验性，要在经验的基础上靠不断的试验和人为推理实现， 制定数据表是最合理的选择。图4.4转角控制软件流程图5转速

50、直流电机控制系统5.1转速直流电机驱动电路设计转速直流电机驱动电路主要是 MC33886外围电路，电路原理图如图5.1所示， 本设计为使直流电机能够更快的实现加速、减速和制动，采用两片 MC33886并联， 使其驱动电流增大一倍，再由单片机输出 PWM波，从改变PWM占空比来实现对 电机的控制。MC33886芯片的保护是很必要的，MC33886持续工作时最大输出电流为 5A， 并将最大电流限制在8A，当电流超过8A的时候，MC33886会自动将输出口置为高 阻态。而电机额定电压下堵转电流为 16.72A，远远超出了 MC33886的驱动能力。 在智能车调速的过程中，需要快速的启动和制动，经常导

51、致MC33886过热，甚至烧 毁MC33886芯片。VCCVOCII47uJ】33806图5.1直流电机机驱动电路5.2测速反馈电路设计光电编码器是由光电红外光耦和码盘模块构成，光电码盘共有48等份轮齿,固定在后轮车轴上。速度检测电路的基本原理为：采用槽型光耦来测量固定在后轮 的车轴上的码盘，当车轴旋转时，码盘随轴一起旋转，槽型光耦将输出一系列的脉 冲信号，用12位计数器CD4040计数，在一定的时间内单片机读取脉冲数，经过换 算计算出智能车的实际速度，为实现速度 PID闭环控制提供可靠的数据。测速反馈 的电路图如图5.2所示。vcc200U3OPTOI3O2VDDQ12 Q右 Q5 QT Q

52、4Q3Q2 GND161434J271 joU2 4040L1 o S 9 p 1 QlQ-lQQ c c QPTGO_PTA0 二PW 二PT盟 二PW 二PTA4A5PTA6图5.2测速反馈电路5.3转速控制软件设计5.3.1 PID算法原理及其特点PID控制器本身是一种基于对 过去”现在”、和 朱来”信息进行估计的简单控 制算法。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输出值y(t)构成控 制偏差，将偏差按比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行 控制，实现稳”、快”、准”。PID算法的控制规律公式：tu(t) = Kpe(t) + -5-1)T idt

53、公式(5-1 )中e(t) = r(t) - y(t)，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分 时间常数。比例调节(P)的作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例 调节立即产生作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过 大的比例，会使系统的稳定性下降。积分调节(I)的作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。有误差，积分调 节就进行，直至无误差，一旦有误差，就输出一常数。积分作用的强弱取决于积分 时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之 Ti大则积分作用弱，加入积分环节, 可使系统稳定性下降，动态响应慢。微分调节（D）的作用：微分作用反映系统偏差信号的变

54、化率， 具有预见性，能预 见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微 分作用消除。因此可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减 少超调量，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调 节，对系统抗干扰不利。此外微分环节反映的是变化率，当输入没有变化时，微分 作用为零。微分作用不能单独使用需要与其他两个环节相结合，组成PD或PID控制器。532速度PID软件设计由于智能车采用6个电感线圈传感器进行位置信号的采样，传感器通过将磁场 强度的变化转换成电信号的变化，由控制器A/D转换后来判断位置，然后经过 PID调节来实现速度的控制。图5

55、.3为速度PID结构框图。舵机转角*偏差变化量微分环彳“*比例环节控制量输出图5.3速度PID结构框图磁场强度越强，感应电动势就高，所以从弱磁场感应的电压信号要比从强磁场 的电压信号的弱得多，从而传感器探测到通电导线周围时的电压信号要比其他地方 高的多。通过传感器检测路径位置，确定路径与车体中轴的夹角，从而确定车体的 加速度。根据反馈的速度值与所设定的速度值相比较，获得速度的偏差。偏差与比 例常数的乘积为速度PID调节的比例项，每次偏差的累加和与积分常数的乘积为速 度PID调节的积分项，每次偏差与时间的比值与微分常数的乘积为速度PID调节的微分项。图5.4为本设计中速度控制的软件流程图。开始图5.4速度控制的流程图。速度PID的参数整定有很大的实验性和经验性，在此设计过程中，只有不间断 地从智能车的运动状态中，观察运动情况及超调大小，才能在参数整定过程中得出 数据依据。所以本设计在 PID参数整定的过程中，对智能车的每次运行情况都做记 录，通过观察比较来