直立型电磁智能车机电系统的设计与实现

1、编号20131801 研究类型应用研究分类号 TP27 学士学位论文(设计Bachelors Thesis论文题目直立型电磁智能车机电系统的设计与实现作者姓名学号2009118010143所在院系机电与控制工程学院学科专业名称电气工程及其自动化导师及职称讲师论文答辩时间2013年5月26日学士学位论文(设计诚信承诺书 目录1.引言 (11.1背景介绍 (11.2控制简述 (22.系统理论基础 (32.1直立行走任务分解 (32.2车模平衡控制 (42.3车模速度控制 (62.4 车模方向控制 (82.5 MC9S12XS128的特点 (93.硬件电路的设计与介绍 (103.1 循迹传感器放大电

2、路 (103.2 直立传感器电路与测速模块 (113.3 电机驱动模块和电源 (113.4 主板电路设计 (124.电磁传感器的方案选择及布局 (124.1 电磁感应原理 (124.2 电磁感应线圈在磁场中的特性 (134.3 传感器的方案选择 (155.机械设计部分 (175.1 车模简化及改装 (175.2 传感器的安装 (185.3 其他机械结构的调整 (216.开发与调试 (216.1软件功能与框架 (216.2调试与参数整定 (237.总结与展望 (25参考文献 (27直立型电磁智能车机电系统的设计与实现琚文涛(指导老师:雷改惠讲师(湖北师范学院机电与控制工程学院中国黄石 43500

3、2摘要:本文介绍了以MC9S12XS128单片机为主控制器和以电磁传感器、加速度传感器和陀螺仪为传感器的直立行走型智能车系统。在系统硬件设计部分,主要阐述了电磁传感器、直立传感器模块和电机驱动电路的设计原理。测试表明,本智能车行驶在复杂多变的赛道上,具有较好的稳定性和适应性。本智能车在第七届全国大学生智能车竞赛中取得了华南赛区电磁组二等奖的好成绩。关键词:MC9S12X128;直立型;陀螺仪;加速度传感器中图分类号:TP27Design and Implementation of Erect type Electromagnetic Electromechanical System of In

4、telligent VehicleJU Wentao(Tutor:LEI Gaihui(College of Mecharonics and Control Engineering, Hubei Normal University, Huangshi,China, 435002Abstract: This paper introduces the MC9S12XS128 MCU as the main controller and the electromagnetic sensors, accelerometers and gyroscopes to walk upright typeint

5、elligent vehicle system sensor. In the hardware design part, mainly expounds thedesign principle of the electromagnetic sensor drive circuit, erect sensor module andmotor. The test shows that, this intelligent vehicle in complex circuit, has a betterstability and adaptability. The intelligent car ma

6、de in Southern China division ofelectromagnetic group two prize in the Seventh National University intelligent carcontest.Key words: MC9S12X128; Erect type; Gyroscope; Acceleration transducer湖北师范学院机电与控制工程学院2013届学士学位论文(设计直立型电磁智能车机电系统的设计与实现琚文涛(指导老师:雷改惠讲师(湖北师范学院机电与控制工程学院中国黄石 4350021.引言1.1背景介绍飞思卡尔杯全国大学生

7、智能车竞赛以“立足培养,重在参与,鼓励探索,追求卓越”为指导思想,涵盖了机械、模式识别、电子、电气、传感技术、计算机、自动化控制、汽车理论等多方面知识,从一定程度上反映了当代大学生综合运用所学知识和探索创新的精神1。同时该赛事是教育部高等教育司委托(教高司函2005201号文,由教育部高等自动化专业教学指导分委员会(以下简称自动化分教指委主办的全国性、多学科交叉、趣味性、创新性赛事,旨在加强大学生实践与团队合作精神,促进高等教育改革。竞赛规则透明,评价客观标准,坚持公开、公平、公正的原则,从而保持了竞赛的健康、普及、持续的发展。鉴于飞思卡尔全国大学生智能车竞赛已成功举办了5届,大赛前年为了扩展

8、赛道检测的多样化和锻炼学生的各项能力,在原来的CCD组与光电组基础上新增以20 KHZ、100ma交变电流(方波为引导方式的电磁组。学校积极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,成立智能车队伍参加比赛。我们积极组队参加第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车比赛,多方搜索资料。由于电磁组的信号采集与CCD组和光电组有很大差别,所以我们延续了去年很多学校包括杭州电子科技大学在内所使用的工字谐振电感作为传感器来检测信号,加以合理的传感器布局,经过后续电路处理,完成对赛道信号检测并以此来控制车子的转向和行驶速度。关于软件,我们采用鲁棒性较强的PID控制算法来作为车子的主导控

9、制。为满足智能车在高速与急转等恶劣情况下的动力性能和稳定性能,我们参考了前几届的队伍参赛经验,经过深思熟虑对整车经行了合理的重心与电路等的布局。本文主要讲述电磁二队智能车的制作历程,包括机械和硬件的设计、改装,HCS12单片机的学习和使用,控制算法的研究与应用,车模机械参数的讨论和修改等。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,如图1.1.1所示。其它两个组别的车模行走方式保持不变。 图1.1.1直立行走中的电磁小车车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式

10、,让车模以两个后轮驱动进行直立行走。近年来,两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究,也有相应的产品。在电磁组比赛中,利用了原来C型车模双后轮驱动的特点,实现两轮自平衡行走。相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式,车模直立行走在硬件设计、控制软件开发以及现场调试等方面提出了更高的要求。为了能够帮助参赛学生尽快制作车模参加比赛,竞赛秘书处编写了C型车模直立行走的参考设计方案。参赛队员可以在此基础上,进一步改进硬件和软件方案,提高竞赛水平。1.2控制简述由于传感器感应得到的电压信号只有几十毫伏,所以我们采用集成运放把信号进行放大,然后将其检波为直流电平送

11、入XS128的AD口。同时编码器的信号也同步输入,由XS128的输入捕捉通道(PT7口进行上升沿或者下降沿计数,从而计算得到车子行驶的速度。舵机采用PID控制算法进行控制,并且加入连续控制函数进行修正,使前轮的转向更加具有连续性和精确性;驱动电机在最佳的驱动频率(5KHZ下,采用增量式PID控制XS128PWM通道的占空比而调整电机输出功率。电磁组的优势与劣势电磁组的信号采集与处理与CCD组和光电组有很大差异,所以对于信号的采集问题,我们曾经尝试过磁敏二极管、磁敏电阻、谐振电感等方法,后来发现谐振电感的效果较好。电磁组的信号由LC并联谐振得到,相比CCD和光电,信号为模拟信号,而且赛道的磁场信

12、号会发生叠加与抑制等。磁场是三维矢量,在空间的分布有很大的方向性和对称性,水平变化率和竖直变化率有一定联系和区别,从而我们将传感器放置为对赛道信号变化敏感的方向以便最快、最灵敏的检测到赛道变化引起的信号变化。这一点可以参考官方的文档:电磁小车设计参考。2.系统理论基础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。根据比赛规则要求,维持车模直立也许可以设计出很多的方案,本参考方案假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个后车轮。后轮转动由两

13、个直流电机驱动。因此从控制角度来看,车模作为一个控制对象,它的控制输入量是两个电极的转动速度。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务:(1控制车模平衡:通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态。(2通过调节车模的倾角来实现车模速度控制,实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。(3控制车模方向:通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。车模直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。假设车模电机可以虚拟地拆解成两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、左右方向。在实际控制中,是将控制车模直立和方向的控制信号叠加在一起加

14、载电机上,只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务。车模的速度是通过调节车模倾角来完成的。车模不同的倾角会引起车模的加减速,从而达到对于速度的控制。三个分解后的任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象(车模的电机进行控制,所以它们之间存在着耦合。为了方便分析,在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。比如在速度控制时,需要车模已经能够保持直立控制;在方向控制的时候,需要车模能够保持平衡和速度恒定;同样,在车模平衡控制时,也需要速度和方向控制也已经达到平稳。这三个任务中保持车模平衡是关键。由于车模同时受到三种控制的影响,从车模平衡控制的角度来看,其它两个控制就成为它的干扰。

15、因此对车模速度、方向的控制应该尽量保持平滑,以减少对于平衡控制的干扰。以速度调节为例,需要通过改变车模平衡控制中车模倾角设定值,从而改变车模实际倾斜角度。为了避免影响车模平衡控制,这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。这一点将会在后面速度控制中进行详细讨论。2.2车模平衡控制控制车模平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让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。车模平衡控

16、制也是通过负反馈来实现的,与上面保持木棒直立比较则相对简单。因为车模有两个轮子着地,车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动,抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。那么车轮如何运行,才能够最终保持车体平衡稳定?为了回答这个问题,可以通过建立车模的运动学和动力学数学模型,设计反馈控制来保证车模的平衡。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平衡的控制规律。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。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

17、回复平衡位置。这个力称之为回复力,其大小为mgSin=Fmg在偏移角度很小的情况下,回复力与偏移的角度之间大小成正比,方向相反。在此回复力作用下,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动速度成正比,方向相反。阻尼力越大,单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个:受到与位移(角度相反的恢复力;受到与运动速度(角速度相反的阻尼力。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(欠阻尼会使得单摆在平衡位置附件来回震荡。阻尼力过大(过阻尼会使得单摆到达平衡位

18、置时间加长。因而存在一个临界阻尼系数,使得单摆稳定在平衡位置的时间最短。倒立摆之所以不能象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。显然能够做到的只有第二种方法。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,以车轮作为坐标原点分析倒立摆受力,它就会受到额外的惯性力,该力与车轮的加速度方向相反,大小成正比。这样倒立摆

19、所受到的回复力为F=mgsin-mgcos=mg-mgk1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。虽然存在着空气和摩擦力等阻尼力,相对阻尼力比较小。因此需要另外增加控制阻尼力。增加的阻尼力与偏角的速度成正比,方向相反。在角度反馈控制中,与角度成比例的控制量是称为比例控制;与角速度成比例的控制量称为微分控制(角速度是角度的微分。因此上面系数分别称为比例和微分控制参数。其中微分参数相当于阻尼力,可以有效抑制车模震荡。通过微分抑制控制震荡的思想在后面的速度和方向控制中也同样适用。总结控制车模直立稳定的条件如下:能够精确测量车模倾角的大小和角速度的大小;可以控制车轮的加速度

20、。第一个条件,即如何测量车模倾角和倾角速度,参见下一小节“车模角度测量”。如何确定控制参数参见“调试篇”中的参数调节。下面先讨论第二个条件的实现,即车轮的加速度控制。车模运行速度和加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平衡稳定。其中控制规律由上一节给出;(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止状态。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

21、要求,或者需要通过桥梁等障碍物时,速度控制将会发挥作用。通过电机差速控制,可以实现车模方向控制。差速的控制方法参见后面“车模方向调整车模角度的控制周期很短,时间一般是几个毫秒,远小于时间常数。此时电机基本上运行在加速阶段。由计算所得到的加速度控制量再乘以一个比例系数,即为施加在电机上的控制电压,这样便可以控制车模保持直立状态。电机的加速度实际上是由通过电机的电流所产生的电磁力矩决定。考虑到电机电流的控制需要更高的速度,所以在此就简化电机的控制方案。2.3车模速度控制对于直立车模速度的控制相对于普通车模的速度控制则比较复杂。由于在速度控制过程中需要始终保持车模的平衡,因此车模速度控制不能够直接通

22、过改变电机转速来实现。下面先分析一下引起车模速度变化的原因。假设车模在上面直立控制调节下已经能够保持平衡了,但是由于安装误差,传感器实际测量的角度与车模角度有偏差,因此车模实际不是保持与地面垂直,而是存在一个倾角。在重力的作用下,车模就会朝倾斜的方向加速前进。图2.3.1显示了这个关系。控制速度只要通过控制车模的倾角就可以实现了。具体实现需要解决三个问题:(1如何测量车模速度?(2如何通过车模直立控制实现车模倾角的改变?(3如何根据速度误差控制车模倾角?第一个问题可以通过安装在电机输出轴上的光码盘来测量得到车模的车轮速度。利用控制单片机的计数器测量在固定时间间隔内速度脉冲信号的个数可以反映电机

23、的转速。第二个问题可以通过角度控制给定值来解决。给定车模直立控制的设定值,在角度控制调节下,车模将会自动维持在一个角度。通过前面车模直立控制算法可以知道,车模倾角最终是跟踪重力加速度Z轴的角度。因此车模的倾角给定值与重力加速度Z轴角度相减,便可以最终决定车模的倾角。第三个问题分析起来相对比较困难,远比直观进行速度负反馈分析复杂。首先对一个简单例子进行分析。假设车模开始保持静止,然后增加给定速度,为此需要车模往前倾斜以便获得加速度。在车模直立控制下,为了能够有一个往前的倾斜角度,车轮需要往后运动,这样会引起车轮速度下降(因为车轮往负方向运动了。由于负反馈,使得车模往前倾角需要更大。如此循环,车模

24、很快就会倾倒。原本利用负反馈进行速度控制反而成了“正”反馈。为什么负反馈控制在这儿失灵了呢?原来在直立控制下的车模速度与车模倾角之间传递函数具有非最小相位特性(在此省略了分析,在反馈控制下容易造成系统的不稳定性。但根据实际经验,是可以通过速度控制进行车模倾角控制的。为了得到合理的经验控制结论,需要将前面速度负反馈控制问题进行简化建模分析一下。(1车模角度在直立控制下简化成一个一阶过渡过程。这一点参见前面第二个问题(2车模倾角是由车轮运动产生,因此车轮速度是倾角变量求导再乘以车模长度。(3忽略车模倾角引起车轮加速度。由于这个讨论仅对控制一开始短暂的过渡阶段而言,此时由于车模倾角比较小,引起速度变

25、化很小。(4系统只进行速度比例负反馈的最后结论。以上两点在程序实现方法可以通过改变控制周期,减小控制参数,信号进行平滑滤波等方式来实现。具体可以参见第五部分软件代码。在实现上述两点之后,再分析车模运动速度的稳定性。为了简化分析,首先忽略了由于倾角控制引起的车模速度的变化。车模的速度最终由倾角所产生的加速度决定,因此将倾角的进行积分便可以得到车模的运动速度。前面分析可知为了保证系统稳定,往往取的车模倾角控制时间常数很大。这样便会引起系统产生两个共轭极点,而且极点的实部变得很小,使得系统的速度控制会产生的震荡现象。这个现象在实际参数整定的时候可以观察到。那么如何消除速度控制过程中的震荡呢?要解决控

26、制震荡问题,在前面的车模角度控制中已经有了经验,那就是在控制反馈中增加速度微分控制。上述改进可以避免对于速度反馈信号的微分,但在控制反馈中,只是使用反馈信号的比例和微分,没有利误差积分,所以最终这个速度控制是有残差的控制。但是直接引入误差积分控制环节,会增加系统的复杂度,为此就不再增加积分控制,而是通过与角度控制相结合后在进行改进。角度控制需要两个控制参数,分别是比例控制参数和微分控制参数。速度控制同样也有两个参数,分别是比例控制参数和微分控制参数。在这两个控制中都使用了微分控制,目的是增加车模的角度和速度的稳定性,防止控制超调。这个经验在后面车模方向控制中仍然适用。 图2.3.1通过电机驱动

27、差动电压控制车模方向2.4 车模方向控制实现车模方向控制是保证车模沿着竞赛道路比赛的关键。直立车模所在的电磁组的道路中心线铺设有一根漆包线,里面通有100mA的20kHz交变电流。因此在道路中心线周围产生一个交变磁场。通过道路电磁中心线偏差检测与电机差动控制实现方向控制,从而进一步保证车模在赛道上。将在下面分别进行介绍。(1道路电磁中心线的偏差检测道路电磁中心线检测简单的方法可以通过安装在车模前方的两个电磁感应线圈实现。线圈一般采用10mH的工字型电感。(2电机差动控制利用电磁线偏差检测信号分别与车模速度控制信号进行加和减,形成左右轮差动控制电压,使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向

28、。(3方向控制算法方向控制算法根据车模检测到电磁感应电压来生成电机差动控制量。通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模距离道路中心的偏差。通过调整车模的方向,再加上车前行运动,可以逐步消除车模距离中心线的距离差别。这个过程是一个积分过程,因此车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车模方向控制。但是由于车模本身安装有电池等比较重的物体,具有很大的转动惯量,在调整过程中会出现车模转向过冲现象,如果不加以抑制,会使得车模冲出赛道。根据前面角度和速度控制的经验,为了消除车模方向控制中的过冲,需要增加微分控制。微分控制就是根据车模方向的变化率对电机差动控制量进行修正的控制方式,因此需要增加车模

29、的转动速度检测传感器。可以使用陀螺仪传感器进行检测。由于电磁导引线的磁场强度与检测线圈的距离和方向都有关系。当车模的方向偏差很大的时,比如在车模前方出现急转弯的时候,检测线圈中轴线与电磁导引线不再垂直,出现一个很大的角度偏差。此时两个检测线圈的感应电动势都下降。为了更能准确反映车模重心距离电磁线缆的距离差别,避免角度的影响,在进行方向控制时,使用左右两个线圈感应电动势之差除以左右两个线圈感应电动势之和,使用该比值进行方向控制。这样可以消除检测线圈角度的影响。2.5 MC9S12XS128的特点MC9S12XS128 微控制单元作为MC9S12 系列的16位单片机,由标准片上外围设备组成,包括1

30、6位中央处理器、128KB的Flash 存储器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8 通道10 路模数转换器、一组8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O 接口、5个增强型CAN总线接口2。同时,单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。MC9S12XS128片内资源表3如图2.5.1所示。 图2.5.1 MC9S12XS128片内资源在整个系统设计中,用到了6个单片机基本功能模块:时钟模块、PWM 输出模块、ECT 模

31、块、中断模块、串口通信模块以及普通IO 模块。根据系统实际需求,对各个模块进行了初始化配置,通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写,实现相应的功能。3.硬件电路的设计与介绍整个硬件系统采用的是模块化的设计思想,整体的硬件框图如图3所示: 图3 系统硬件结构图3.1 循迹传感器放大电路采用双电源运放可以得到很大的输出直流电压,但是多圈高精度滑动变阻器对信号影响较大,往往在弯道发生突变电压4。可能是负电源做的不好,我们采用单电源供电,由于需要放大的信号是非常弱的信号,所以需要运放的单位增益带宽比较大(至少1M以上,这样对小信号的放大作用就比较好,经过对比选择,我们最终选择了NE5532。 图3.1

32、.1 NE5532运放放大电路如上图,采用NE5532放大电路,可以避免信号失真,同时线性度够好。而且放大电路简单,有一个2.5V左右的抬压就不需要负电压,便于电路的设计,最后我们采用了NE5532放大电路作为谐振电压的放大电路5。3.2 直立传感器电路与测速模块车模直立传感器主要用来检测车模当前的倾角以及倾角的变化率。仿照官网,检测倾角我们采用加速度传感器MMA7260,检测车模倾角变化率我们采用陀螺仪ENC-03 MB。车模直立传感器电路主要是将陀螺仪信号进行放大滤波,由于MMA7260输出的信号很大,不需要进行放大6,电路图如图3.2.1所示 图3.2.1 直立传感器电路图测速模块用了1

33、00线的光栅作为测速传感器,经过换算5ms定时器计算一次速度,每50ms调一次速,400个脉冲相当于1m/s的速度,精度达到了0.25cm一个脉冲。对于智能车的控制,这已经满足要求了。3.3 电机驱动模块和电源采用专用芯片BTS系列的7960 图3.3.1 BTS7960驱动电路图3.4 主板电路设计 图3.4.1 主板电路设计4.电磁传感器的方案选择及布局4.1 电磁感应原理电磁组的智能车是基于100mA 的交变电流产生的电磁场上,为了容易研究小车的策略必须先了解相关的电磁场知识。由于赛道是通有20KHz 交变电流的导线,因此需要通过检测导线周围所产生的电磁场确定道路与小车的相对位置。磁场传

34、感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应,如磁电效应(电磁感应,霍尔效应,磁致电阻效应,磁机械效应,核磁共振等。现代检测磁场的传感器有很多,常见的有磁通门磁场传感器,磁阻抗磁场传感器,半导体霍尔传感器、磁敏二极管,磁敏三极管。因为各种传感器测量磁场所依据的原理不相同,测量的磁场精度和范围相差也很大,10-11107G 。图4.1.1为各类磁场传感器的测量范围示意图7。先估算赛道的磁场强度。把赛道看作无限长直导线,载流为直流100mA ,距离导线r=5cm 时,由毕奥-萨伐尔定律知,磁场强度B 如(4-1:G T r I B 37701041041005.021.042-= (4-1 图4.1.1

35、各类磁场传感器的测量范围示意图一般霍尔元件的检测范围在1mT以上,即10G以上,可以想象到需要贴着地面进行检测,而且精度大大受到限制。磁阻传感器如Honeywell的高灵敏度磁阻HMC1001,分辨率可达27微高斯,还可以使用多轴的磁阻传感器检测不同方向的磁场。普通的电感线圈测量范围广,理论上只要加上合适的谐振电容和放大电路,不但能够筛选出特定频段进行放大,而且有较强的抗干扰能力。我们需要选择适合车模竞赛的检测方法,除了检测磁场的精度之外,还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低,价格比较高。因而我们选取最为传统

36、的电磁感应线圈的,它具有原理简单、价格便宜、体积小、频率响应快、电路实现简单等特点。感应线圈可以自行绕制,也可以采用市面上的工字电感。4.2 电磁感应线圈在磁场中的特性为了讨论方便,我们作以下约定:(1小车车体坐标系中,定义小车前进的方向为Y轴正向,顺着Y轴的右手边为X 轴的正向,Z轴指向小车正上方,如图4.2.1所示;(2水平线圈是指轴线平行于Z轴的电感线圈,垂直线圈是指轴线平行于X轴的线圈,轴线平行于Y轴的线圈所感应到的电动势远小于上述两类线圈,但该类摆放线圈在回环路检测中将可以用到。(3BX是指向载流导线右手边的电磁感应强度,BZ是指向载流导向正上方的电磁感应强度。显然,垂直线圈感应的是

37、BX 变化率,水平线圈感应的是BZ 的变化率。 图4.2.1 假定车体坐标系 直道附近的磁场分布,可以近似为无限长的直导线上的磁场分布,容易算得距离长直导线距离为r 的点的磁感应强度如(4-2:r IB 20= (4-2 进而可以推出:2202h x h I B X += (4-3 2202h x x I B Z += (4-4 其中h 是电感线圈距离地面的垂直距离。为了讨论的方便,记22'h x hB X += (4-522'h x xB Z +=(4-6 则从(4-3、(4-4、(4-5、(4-6可以得出B'X 、B'Z 分别和BX 、BZ 有相同的变化趋势

38、。图4.2.2和图4.2.3显示了当分别取h 为5、8、10时B'X 和B'Z 的变化趋势。由图可知:(1B'X 是x 的偶函数,在Y 轴两侧单调;B'Z 是x 的奇函数,在Y 轴两侧没有单调关系;(2在相同的高度下,B'X 幅值是B'Z 的两倍,但是在x=20的时候,B'X 只有B'Z 的一半左右了,因此B'X 的衰减较B'Z 快很多。综上可推知,水平线圈比较适合做x 的正负判别,垂直线圈比较适合用来解算x 的具体数值,B'Z 较B'X 衰减慢得多,说明水平线圈对远处道路状况相对比较敏感,可以用来

39、预测前方的弯道8。 图 4.2.2 B'X的曲线图 图 4.2.3 B'Z的曲线图4.3 传感器的方案选择根据电感的摆放方向不同,采集的信息也不同9。一般可规范为4类方向:以跑道所在的平面为水平面,车前进的方向为x方向,在水平面上与x垂直的为y 方向,垂直于水平面的为z方向。(1水平摆放,如图所示: 图 4.3.1 传感器摆放图1这是最简单的摆放方式,但却拥有了其它摆放方式所没有的稳定性,具有单调性,对于稳定求快的队伍采用水平摆放是比较好的选择。如下图4.3.2所示: 图 4.3.2 磁场坐标系假设h=5cm,x (-15,+15,计算感应电动势22x h h E +=随着线圈

40、水平位置x 的变化取值,如下图4.3.3所示 图 4.3.3 B'Z 的曲线图实际使用过程中,当水平两个电感之间的距离越远,得到的赛道信息也越丰富,一般都采用接近小车限定的宽带,如24CM 左右。一般水平摆放的电感离跑道距离在12CM 左右线性比较好。该摆放的优点是稳定性好,不管是十字交叉弯还是上下坡道都可以顺利完成,谐振电压还算比较大。缺点是只能检测到电感垂直下去所在的线上,没有提前预判的作用。向前摆放,如图所示 图 4.3.4 传感器摆放图2向前摆放的电感一般会有更大的前瞻,谐振回来的电压较小。缺点是在十字弯不是垂直入或者不是垂直出弯时会在十字交叉弯里面兜圈。(2垂直摆放,如图所示

41、 图 4.3.5 传感器摆放图3垂直摆放的谐振电压算最大,但是往往会在十字交叉弯时忽略了十字弯直接转向另一边,前瞻性虽然比较大,但没有前向摆放的好,还有的缺点是在水平偏离导线是并非呈现线性。(3有一定角度的摆放由于没有多余的时间实践,好处是检测到更丰富的信息。缺点是需要滤掉更多的干扰。5.机械设计部分由于今年电磁组车模采用了原来竞赛 C型车模,它是双后轮驱动,前轮舵机转向的运动模式,而竞赛规定 C型车模直立行走,因此车模前轮以及部分相关部件都可以进行简化。以下为具体的改装步骤:5.1 车模简化及改装(1去掉前轮及其支撑部件,去掉后轮悬挂缓冲支架拆卸后的情况如图5.1.1和图5.1.2所示。 图

42、5.1.1 完整的 C型车模底盘 图5.1.2 简化后的 C型车模底盘(2固定车模底盘与后轮支架原有车模为了减轻后轮振动对于车体的影响,后轮的支架与底盘之间采用了活动连接方式。但是,为了保证车模直立车体稳定性,需要将原有车模地盘与后轮支架固定在一起。我们的方法是用两个铁片将两部分连接在一起并固定死,这样后轮与车体之间形成一个刚体,便于进行直立控制。图5.1.3所示为铁片连接的位置。 图5.1.3铁片连接的位置5.2 传感器的安装车模中的传感器包括有:速度传感器,车模姿态传感器(陀螺仪、加速度计,以及电磁检测感应线圈。(1速度传感器安装电机速度传感器使用了固定在电机输出轴上的光电编码器,如图5.

43、2.1所示。安装时应注意调整好齿轮间隙。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当,会大大增加电机驱动后轮的负载,会严重影响最终成绩。调整的原则是:两传动齿轮轴保持平行, 齿轮间的配合间隙要合适,过松容易打坏齿轮,过紧又会增加传动阻力,浪费动力;传动部分要轻松、顺畅,不能有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮,说明齿轮间的配合间隙过大,传动中有撞齿现象;声音闷而且有迟滞,则说明齿轮间的配合间隙过小,或者两齿轮轴不平行,电机负载变大。调整好的齿轮传动噪音很小,并且不会有碰撞类的杂音,后轮减速齿轮机构就基本上

44、调整好了,动力传递十分流畅。 图5.2.1速度传感器安装图(2电磁传感器安装我们设计方案中的电磁传感器为两个工字型的 10毫亨电感。为了能够更好的检测前面的道路,我们将这两个工字型的电感尽可能的安装在车模运行前方较远的地方,且应保证这两个线圈呈水平位置。如图5.2.2所示。 图5.2.2 电磁传感器的安装经过多次测试,我们最后确定了电磁传感器前瞻的范围在40cm50cm之间,所以我们采用了碳素管加不锈钢管可伸缩型结构的支架,安装的高度定在了最适范围15cm 20cm,至于传感器的宽度限于大赛规定不得超过25cm,最后我们把宽度设置在24cm左右。(3车模倾角传感器的安装车模倾角传感器包括陀螺仪

45、和加速度计。它们都是表贴元器件,一般固定在同一电路板上。为了最大程度减少车模运行时前后振动对于测量倾角的干扰,我们将这块带有陀螺仪和加速度计的电路板固定在整个车模中间质心的位置,如图5.2.3所示。智能车在行进过程中,车体仅绕两后轮的轴心线做转动。芯片外观是长方形的,安装时,应注意将长的一边与后轮轴心线平行。此外,还应注意的是,陀螺仪的输出受温度的影响比较大,为避免环境温度变化对输出的影响,我们将陀螺仪和加速度计作为一个单独的模块。 图5.2.3车模倾角传感器的安装与陀螺仪一样,加速度传感器的性能与安放位置也有很大的关系。加速度传感器是根据其XYZ轴上的模拟输出电压来确定车身的倾角。由于我们测

46、量的倾角只有一个,所以可以使用Z轴的输出来计算,当小车倾角为0°时,Z轴对应的面应该处于水平。 图5.2.4陀螺仪安装倾角影响车模过弯道如果陀螺仪安装不能够保证水平,则会影响车模过弯道时的速度。表现为车模在过弯道时速度变快或者变慢。分析车模在过弯道时的运动,车模在过弯道时同时具有两种运动:平动和转动。其中转动会带动陀螺仪转动。如果陀螺仪安装不是绝对的水平,那么这个转动就会在陀螺仪的 Z轴方向存在一个分量。根据陀螺仪倾斜的方向不同,这个分量有可能是正,有可能是负。从而会使得车模控制“仿佛感觉到在上坡或者是在下坡”,引起车模的速度变慢或者变快。车模转向速度传感器是用来对方向进行微分控制,

47、消除方向控制中的过冲现象。该陀螺仪的旋转轴需要和陀螺仪的垂直纵轴保持一致。如果对车模转向不需要进行微分控制,那么这个传感器就可以省略。5.3其他机械结构的调整另外,在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方,比如说车轮、传感器的保护等方面。由于直立小车的直立行驶及转向都是通过后轮实现的,因此当小车在转向时,模型车的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移,可能导致在加速时会损失部分驱动力,而且使小车的状态不稳。因此,我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理,可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。同时,车模直立运行,在制作电路板的时候尽可能减少电路板的尺寸,一方面便于固定,另一方面

48、可以减少车模的惯量。固定电路板应尽可能贴近车模的底盘,使其能够稳固。为了避免车模运行过程中倾倒,摔坏车模及其上的电路板,在车模机械设计的时候,需要考虑在车模前后安装有防撞支架或者缓冲物,一旦车模倾倒或者失控,防撞支架可以保护车模机械的安全性。此外,也可以在防撞支架。6.开发与调试通过前面的介绍,车模控制电路制作与安装均已完毕。车模是否能够正常高速稳定运行,需要通过软件编写和调试来完成。6.1软件功能与框架软件的主要功能包括有:(1车模运行状态检测;(2电机PWM输出;(3车模运行控制:直立控制、速度控制、方向控制;(4车模运行流程控制:程序初始化、车模启动与结束;(5系统界面:状态显示、上位机

49、监控、参数设定等。上述功能可以分成两大类:第一类包括1-3功能,它们属于需要精确时间周期执行,因此可以在一个周期定时中断里完成。第二类包括4-5功能。它的执行不需要精确的时间周期。可以放在程序的主程序中完成10。这两类任务之间可以通过全局变量实现相互的通讯。主程序框架如图5.1所示。 图 6.1.1 主程序框架图6.1.1中,程序上电运行后,便进行单片机的初始化。初始化的工作包括有两部分,一部分是对于单片机各个应用到的模块进行初始化。第二部分是应用程序初始化,是对于车模控制程序中应用到的变量值进行初始化。初始化完成后,首先进入车模直立检测子程序。该程序通过读取加速度计的数值判断车模是否处于直立

50、状态。如果一旦处于直立状态则启动车模直立控制、方向控制以及速度控制。程序在主循环中不停发送监控数据,在通过串口发送到上位机进行监控。同时检查车模是否跌倒。跌倒判断可以通过车模倾角是否超过一定范围进行确定,或者通过安装在车模前后防撞支架上的微动开关来判断。一定车模跌倒,则停止车模运行。包括车模直立控制、速度控制以及方向控制。然后重新进入车模直立判断过程13。车模的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中断程序中完成。通过全局标志变量确定是否进行这些闭环控制。中断程序框架如图6.1.2 所示。 图 6.1.2 中断服务程序框架图6.1.2中,使用XS128的一个定时器,产生一毫秒的周期中断。中断服务

51、程序的任务被均匀分配在0-4的中断片段中。因此每个中断片段中的任务执行的频率为200Hz。将任务分配到不同的中断片段中,一方面防止这些任务累积执行时间超过1毫秒,扰乱一毫秒中断的时序,同时也考虑到这些任务之间的时间先后顺序11。这些任务包括:(1电机测速脉冲计数器读取与清除。累积电机转动角度。累积电机速度,为后面车模速度控制提供平均数;(2启动AD转换。由于AD转换启动到完成需要一定时间。所以读取AD 转换在下一个时间片段中。(3读取AD转换值。这些值包括有陀螺仪、加速度计数值、电磁场检测电压值等。读取完毕之后,便进行车模直立控制过程。包括车模角度计算、直立控制计算、电机PWM 输出等。(4车

52、模速度控制:在这个时间片段中,又进行0-19计数。在其中第0片段中,进行速度PID调节。因此,速度调节的周期为100毫秒。也就是每秒钟调节10次。(5车模方向控制:根据前面读取的电磁场检波数值,计算偏差数值。然后计算电机差模控制电压数值。6.2调试与参数整定好的开发和调试工具以及测试环境能够加快产品开发速度,提高调试精度,减少工作量。本章将对开发和调试工具以及测试环境作相关说明。本智能车在开发和调试中所使用开发环境为CodeWarrior IDE5.0,并配合BDM。通过以上各软件工具配合使用,再加上良好的测试环境,使得小车开发和调试能够顺利而快速地完成。调试界面如图6.2.1所示: 图6.2

53、.1 CodeWarrior IDE5.0调试界面实际优化参数需要通过一定的工程步骤最终确定,这个过程称为参数整定。为了保证调试顺利,一般需要配合上位机串口监控程序,能够实时显示程序运行采集到的各种数据,通过曲线或者数字显示出来,帮助确定一些待定参数,判断程序BUG,加快程序调试,确定控制参数的优化数值12。俗话说,欲善其工,必先利其器。开发制作相应的辅助调试工作,不仅可以大大加快调试的进度,同时也会锻炼同学们解决工程问题的能力。下面给出程序调试的一般步骤,作为参考。(1电机PWM输出调试:程序给出两个电机固定的PWM输出。测试电机转速以及转向是否符合设定的要求。在此过程中,测试车模电机死区补偿电压数值:MOTOR_OUT_DEAD_VAL。(2陀螺仪和加速度计零偏调试:获得这两个传感器零点的偏移量。保持车模直立静止。读取两个传感器AD转换值,记录下来,作为后面程序中的零偏常