基于电磁传感器识别路径的智能车设计

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 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326302346 摘 要 PAGEREF _Toc326302346 h I HYPERLINK l _Toc326302347 Abstract PAGEREF _Toc326302347 h II HYPERLINK l _Toc326302348 目 录 PAGEREF _Toc326302348 h III HYPERLINK l _T

10、oc326302349 1 绪论 PAGEREF _Toc326302349 h 1 HYPERLINK l _Toc326302350 1.1 研究背景 PAGEREF _Toc326302350 h 1 HYPERLINK l _Toc326302351 1.2 设计前景 PAGEREF _Toc326302351 h 1 HYPERLINK l _Toc326302352 1.3 设计内容和意义 PAGEREF _Toc326302352 h 1 HYPERLINK l _Toc326302353 2 电磁车整体结构 PAGEREF _Toc326302353 h 2 HYPERLINK

11、 l _Toc326302354 2.1 设计的总体思路 PAGEREF _Toc326302354 h 2 HYPERLINK l _Toc326302355 2.2 直立行走任务分析 PAGEREF _Toc326302355 h 4 HYPERLINK l _Toc326302356 3 机械结构 PAGEREF _Toc326302356 h 5 HYPERLINK l _Toc326302357 3.1 车模简化改装 PAGEREF _Toc326302357 h 5 HYPERLINK l _Toc326302358 3.2 传感器安装 PAGEREF _Toc326302358

12、h 6 HYPERLINK l _Toc326302359 3.3 其他考前须知 PAGEREF _Toc326302359 h 6 HYPERLINK l _Toc326302360 4 系统硬件电路设计 PAGEREF _Toc326302360 h 7 HYPERLINK l _Toc326302361 4.1 电磁线检测电路 PAGEREF _Toc326302361 h 7 HYPERLINK l _Toc326302362 4.1.1 感应电路设计 PAGEREF _Toc326302362 h 7 HYPERLINK l _Toc326302363 4.1.2 放大电路设计 PA

13、GEREF _Toc326302363 h 8 HYPERLINK l _Toc326302364 4.1.3 检波、滤波电路设计 PAGEREF _Toc326302364 h 9 HYPERLINK l _Toc326302365 4.1.4 电磁线检测整体电路 PAGEREF _Toc326302365 h 9 HYPERLINK l _Toc326302366 4.2 角度传感器电路 PAGEREF _Toc326302366 h 10 HYPERLINK l _Toc326302367 4.3 电机驱动电路 PAGEREF _Toc326302367 h 10 HYPERLINK l

14、 _Toc326302368 4.4 速度传感器 PAGEREF _Toc326302368 h 11 HYPERLINK l _Toc326302369 4.5 电源模块电路 PAGEREF _Toc326302369 h 12 HYPERLINK l _Toc326302370 4.6 其他电路模块 PAGEREF _Toc326302370 h 14 HYPERLINK l _Toc326302371 5 控制策略与算法研究 PAGEREF _Toc326302371 h 15 HYPERLINK l _Toc326302372 5.1 软件功能与框架 PAGEREF _Toc32630

15、2372 h 15 HYPERLINK l _Toc326302373 5.2 MC9S12XS128片内资源简介 PAGEREF _Toc326302373 h 16 HYPERLINK l _Toc326302374 5.3 主要的控制算法与实现 PAGEREF _Toc326302374 h 17 HYPERLINK l _Toc326302375 5.3.1 PID控制简介 PAGEREF _Toc326302375 h 17 HYPERLINK l _Toc326302376 5.3.2 车模直立控制 PAGEREF _Toc326302376 h 18 HYPERLINK l _T

16、oc326302377 5.3.3 车模速度控制 PAGEREF _Toc326302377 h 19 HYPERLINK l _Toc326302378 5.3.4 车模方向控制 PAGEREF _Toc326302378 h 20 HYPERLINK l _Toc326302379 5.3.5 车模直立行走控制算法总图 PAGEREF _Toc326302379 h 20 HYPERLINK l _Toc326302380 5.4 调试与参数整定 PAGEREF _Toc326302380 h 21 HYPERLINK l _Toc326302381 5.5 开发与调试环境 PAGEREF

17、 _Toc326302381 h 22 HYPERLINK l _Toc326302382 结 论 PAGEREF _Toc326302382 h 23 HYPERLINK l _Toc326302383 致 谢 PAGEREF _Toc326302383 h 24 HYPERLINK l _Toc326302384 参考文献 PAGEREF _Toc326302384 h 25 HYPERLINK l _Toc326302385 附录A 系统原理图 PAGEREF _Toc326302385 h 26 HYPERLINK l _Toc326302386 附录B 系统PCB图 PAGEREF

18、_Toc326302386 h 27 HYPERLINK l _Toc326302387 附录C 程序代码 PAGEREF _Toc326302387 h 281 绪论1.1 研究背景本课题来源于“飞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。

19、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

20、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

21、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。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

22、，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) MC9S12X

23、S128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

24、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电机。为了能够方便找到解决问题的方法，首先将复杂的问题分解成简单的问题。根据设计要求，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。车模控制任务可以分解成以下三个根本任务：(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

25、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。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。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。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到达稳定。比方速度控制时，假设车模已经在直立控制下保持了直立

26、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。三个任务的实现算法将在第五节简绍。3 机械结构良好的车模机械设计与制作，对于车模稳定运行、平安调试都非常重要。如下就车模简化改装与传感器安装两个方面进行简绍。3.1 车模简化改装由于电磁智能车采用了N-286型车模，它是双后轮驱动，前轮舵机转向的运动模式，而设计要求车模直立行走，因此车模前轮以及局部相关部件都可以进行简化。具体可以参照以下改装步骤：(1) 去掉前轮及其支撑部件，去掉后轮悬挂缓冲支架拆，如下图。图 简化后车模底盘(2) 固定车

27、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。最简便的方式就是可以使用热熔胶在后轮支架与底盘之间的缝隙处进行粘接。这样后轮与车体之间形成一个刚体，便于进行直立控制。3.2 传感器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。下面分别介绍这些传感器的安装。(1) 速度传感器安装本设计采用E6A2-CWZ3光电编码器检测速度。将光电编码器安装与车尾，保证光电编码器齿轮与电机齿轮的啮合既不太过松散造成测速不稳定也不过紧打坏齿轮。良好的

28、齿轮啮合可以由车模行驶时发出的响声均匀与否判定。(2) 电磁传感器安装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，一般将前排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。由于此车模是直立运行，速度不是太快，传感器只有两排，为了防止车模在通过十字交叉线路口时受到的影响，在固定后排两个电感线圈的时候，尽量保持这两个线圈呈水平位置。(3) 车模倾角传感器车模倾角传感器包括陀螺仪和加速度计。它们都是表贴元器件，固定在电路板上。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，这样可以最大程度减少车模运行时前后振动对于测量倾角的干扰。3.3 其他考前须知由于

29、车模直立运行，尽可能减少电路板的尺寸，一方面便于固定，另一方面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。为了防止车模运行过程中倾倒，摔坏车模及其上的电路板，在车模机械设计时，需要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、电路的平安性。4 系统硬件电路设计根据前面简绍的设计思路，本设计硬件电路设计主要分为以下几个模块： (1) 电磁线检测模块：包括两路相同的电磁感应信号放大、检波、滤波电路；(2) 角度传感器模块：包括两个姿态传感器信号的放大、滤波电路；(3) 电机驱动模块：驱动两个电极运行电路；(4) 速度检测模块：检测电机光

30、电码盘脉冲；(5) 电源模块：电源电压转换、稳压、滤波电路；(6) 其他电路模块：包括拨码开关、液晶显示等，用于辅助车模调试。以下将分别对各模块电路给出设计方案。4.1 电磁线检测电路电磁车要检测的赛道环境是由通有20kHz、100mA交变电流的导线所产生的电磁场。电磁场检测是本设计要解决的一个关键问题，此次设计采用电磁感应磁场的方法进行信号提取3。路径检测模块的信号流经四个局部：线圈感应变化的磁场得到电磁感应信号；放大电路对电磁感应信号进行放大；放大后的信号经过检波、滤波后变为直流信号；最后，送单片机AD口进行数据采集4。4.1.1 感应电路设计采用LC谐振回路作为选频网络，选频网络的谐振频

31、率为20kHz。根据公式4.1可以选定电感电容的参数5。 (4.1)此电路设计选取10mH工字型电感和F电容，图4.1是LC选频网络电路图和示波器显示的OUT端输出的波形。图4.1 LC选频网络电路图和示波器显示的OUT端输出的波形4.1.2 放大电路设计电感输出的电压为几十毫伏，输出电压比拟小，不利于单片机进行数据采集，需要对信号进行放大。放大电路的原理图如图4.2所示。图4.2 放大电路原理图此电路利用同相比例运算放大器进行信号放大，选取LM358芯片此芯片单双电源供电均可，性能稳定，应用电路简单，能满足设计要求，其中R1为定值电阻，R2为可调电阻，这样可以调节放大倍数，INPUT端()接

32、电感的输出信号，OUTPUT端()为放大后的输出信号。根据式4.2可以计算出放大后的电压5。 (4.2)放大后电压根本能到达3V左右，输出波形如图4.3所示。图4.3 放大后的输出波形4.1.3 检波、滤波电路设计因为运算放大器采用单电源供电，所以放大后的信号是半波信号。如果对放大后的信号进行检波，根本上可以得到直流信号，再经过滤波，信号就更加稳定、平整，这样将信号直接接入单片机的AD口进行AD转换后再行处理。本设计采用AD转换的方式采集数据，检波、滤波电路如图4.4所示。图4.4 检波、滤波电路原理图图4.4中，INPUT端接入放大以后的信号，OUTPUT端输出虑波以后的信号。检波电路中选用

33、肖特基二极管D1、D2，因为其管压降低于普通二极管，开关特性优于普通二极管，C3、R2组成RC滤波电路进行滤波。4.1.4 电磁线检测整体电路将以上几局部电路组合起来便构成电磁线检测电路，电路如图4.5所示。图4.5 电磁线检测整体电路4.2 角度传感器电路车模倾角传感器电路主要是将陀螺仪(ENC03)信号进行放大滤波。由于加速度传感器采用是低值的传感器MMA7260，它是一款三轴低半导体加速度计，可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号，它的输出信号非常大，不需要再进行放大，只要使其对应控制端为低电平，选择MMA7260最高的灵敏度，OUT端那么输出加速度计Z轴信号。陀螺仪应用电路图如图4.6

34、所示。图4.6 陀螺仪应用电路图4.6中，将陀螺仪(ENC03)的输出信号经运算放大器(TLV2211)进行放大，其中，R6、R5为分压电阻，放大倍数R4/R2=R3/R1，并将零点偏置电压调整到工作电源的一半()左右，最终输出角速度对应的电压值，放大倍数需要根据选取的传感器输出灵敏度设计。4.3 电机驱动电路系统所用动力来源为直流电机，系统运行的速度要提高就要设计好电机驱动模块，此模块必须在低电压的情况下提供大电流，而且必须可控，在可靠性和稳定性都要满足的条件下还要考虑到散热，缓冲保护，响应速度和工作转矩等。另一方面，电动机在运行期间不仅要控制正转的速度，当遇到需要减速的路况时就要让电动机反

35、转制动，要让驱动模块满足正反转的功能，而H桥电路就是控制电机正反转的，控制原理也较为简单，电路也稳定6。由于设计所用车模具有两个后轮驱动电机，因此需要两组电机驱动桥电路。所以，此次设计选用了四片BTS7960两两级联组成两组全桥驱动电路。其应用电路原理图如下图。图4.7 电机驱动电路图4.7中，VIN为电源输入端口端电池电压，PWM1、PWM2为信号控制端，OUT1、OUT2为输出端接电机。每片BTS7960内部为半桥结构，只有一路PWM信号输入及一路输出，它具有输出功率大、性能稳定等特点。为了提高电源的应用效率，驱动电机的PWM波形采用了单极性的驱动方式，也就是在一个PWM周期内，施加在电机

36、上的电压为一种电压6。因此每个电机为了能够实现正反转，都需要两个PWM信号,两个电机总共需要4路PWM信号来控制其运行。为了防止电机输出电流对于电源的冲击，在电路板的电源输入端口并联了一个1000微法的电容,由于输出信号复杂，为了进一步防止输出干扰，可以在输出端并联一个微法的小电容。4.4 速度传感器为了使得智能车能够平稳地沿赛道导引线运行，速度传感器起着非常重要作用，控制车模的直立、速度、方向都必须准确的判断两个电机的转动方向与转速大小。这样才能形成一个闭环的自动控制系统，使得两轮直立小车更加稳定、准确、快速的沿规定赛道运行。速度传感器有很多种，鉴于光电编码器安装简单，输出信号比拟规整，而且

37、增量式光电编码器可以输出正比于转速的脉冲，记录单位时间内的脉冲数就可以间接测取实时速度，所以选择此类编码器进行速度检测。电磁车制作使用欧姆龙光电编码器作为速度传感器，安装在车尾与传动齿轮啮合，使用与电机相同齿数的齿轮，相当于直接测得电机的转速。该光电编码器的测量精度为200P/r，有AB两相输出，相位差为9045，信号波形为方波。在使用之前需进行测量，看其波形是否平整、稳定，如果有纹波，考虑在信号端加上拉电阻，为其提供适宜的功率，然后在测其输出波形，以保证测速准确。4.5 电源模块电路电源模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应选好适宜的电源模块

38、。供电电源为、2000mA的蓄电池，然后经过不同型号的稳压芯片对电源电压稳压后为各模块供电。倾角传感器模块需要电源，单片机系统、电磁线检测电路中的运算放大器芯片、光电码编码器、驱动使能等均需要5V电源，直流电机那么使用、2000mA的蓄电池直接供电，系统电源分配如图4.8所示。图4.8 系统电源分配5V芯片选取LM2940和LM2575两种，其中LM2575具有内部损耗低、输出功率大、应用电路比拟完整，主要为电磁线检测电路中的功率运算放大器芯片供电，应用电路如图4.9所示。图4.9 LM2575稳压模块LM2940芯片虽然内部损耗较大，但是输出电压无纹波，信号十分稳定，并且其应用电路非常简单，

39、主要给单片机、驱动使能等供电，应用电路如图0所示。图0 LM2940稳压模块供电芯片采用LM1117，此芯片输出电压可调，而且其输出信号稳定，主要用于给两个角度传感器陀螺仪和加速度传感器供电。应用电路如图1所示。图1稳压模块4.6 其他电路模块系统电路设计中除了主要模块电路外，还有其他辅助模块电路，用于系统调试，譬如：拨码开关、液晶显示等。电路如图2所示。图2 拨码开关电路5 控制策略与算法研究通过前面的介绍，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。5.1 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；

40、(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。主程序框架如下图。图 主程序框架图中，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局部，一局部是对于单片机各个应用到的模块进行初始化；第二局部是应用程序初始化，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状态。如果一旦处于直立状态那么启动车模直立控制、方向控制以及速度控制，同时检查车模是否跌倒，跌倒判断通过车模倾角是否超过一定范围进行确定，一定车模跌倒，那么停止车模运行，然后重新进入车

41、模直立判断过程。 MC9S12XS128片内资源简介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16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7。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片内资源表如下图8。图

42、 MC9S12XS128片内资源5.3 主要的控制算法与实现5.3.1 PID控制简介PID(Proportion Integral Differential)控制是模拟控制中最常用的控制规律，图是PID控制系统原理图。是系统的实际输出值，是给定值，是给定值与实际输出值的差值，如式所示9。 )式中，作为PID控制的输入，作为PID控制器的输出和被控对象的输入。PID的控制规律为，如式所示。 QUOTE (5.2)式中，为PID系统比例系数，为PID系统积分系数，为PID系统微分系数。图5.3 PID控制系统在计算机控制系统中，数字PID控制算法通常又分为位置式PID和增量式PID。增量型算法与

43、位置型算法相比，具有以下优点：增量型算法不需要做累加，增量确实定仅与最近几次偏差采样值有关，计算精度对控制量的计算影响较小，而位置型算法要用到过去偏差的累加值，容易产生大的累加误差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大；采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。比例环节的作用是调整瞬间偏差。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使偏差向减少的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数 QUOTE * MERGEFORMAT ，比例系数 QUOTE * MERGEFORMAT 越大，控制作用越强，那么过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小。但是 Q

44、UOTE * MERGEFORMAT 过大，容易产生振荡，破坏系统的稳定性。因此，必须恰中选择比例系数才能减少过渡时间，并得到静差小而又稳定的效果。只要有偏差存在，积分局部的控制作用就会不断地增强；只有在偏差为零时，控制器的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分局部可以消除系统的偏差。但是，积分局部也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差需要较长的时间，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当较小时，那么积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消

45、除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定。运用PID控制的关键是调整三个比例系数，即参数整定。PID参数整定的方法有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。由于智能车整个系统是机电高耦合的分布参数系统，并且要考虑引导线具体环境，要建立精确的智能车运动控制数学模型有一定难度，而且对车身机械结构经常进行不断修正，模型参数变化较频繁，可操作性不强；二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单，采用了这种方法，同时，先后实验了几种动态改变PID参数的控制方法10。5.3.2 车模直立控制车模直立控制是系统设计

46、最为关键的一局部，车模直立是通过负反应实现的。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。控制车模稳定需要以下条件：(1) 能够精确测量车模倾角 QUOTE 角速度 QUOTE 的大小；(2) 可以控制车轮的加速度。通过测量车模的倾角和倾角加速度控制车模车轮的加速度来消除车模的倾角。因此车模倾角以及倾角加速度的测量成为控制车模直立的关键。测量车模倾角和倾角加速度可以通过加速度传感器和陀螺仪实现。MMA7260是一款三轴低半导体加速度计，可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号，通过设置可以使得MMA7260最大输出灵敏度为80

47、0mV/g。只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比方使用Z轴方向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在Z轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度便会在Z轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化，变化的规律如式所示。 QUOTE ()式中，为重力加速度； QUOTE 为车模倾角，为比例系数。当倾角比拟小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角加速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的运动所产生的加速度会产生很大的干扰信号叠加在上述测量信号上，使得输出信号无法准

48、确反映车模的倾角，因此对于车模直立控制所需要的倾角信息需要通过另外一种器件获得，那就是角速度传感器陀螺仪。陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。选用ENC03系列的角速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到克里利奥力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜的角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体振动影响。因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用

49、陀螺仪所得到的信号。由于从陀螺仪的角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号。可以通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正来消除这个累积误差，利用加速度计所获得的角度信息与陀螺仪积分后的角度进行比拟，将比拟的误差信号经过比例放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进行积分。对于加速度计给定的角度，经过比例、积分环节之后产生的角度必然最终等于加速度计所获得的角度。由于加速度计获得的角度信息不会存在积累误差，所以最终将输出角度中的积累误差消除了。 车模速度

50、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。电机的运动控制有两个作用：(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。电机运动控制是通过改变施加在其上的驱动电压实现的，车模运行速度调整时间相对很长。此时，电机速度与施加在其上的电压成正比。通过传统的PID反应控制，便可以精确控制电机的运行速度，从而控制车模的运行速度。电机速度控制需要测量电机的转速，电机旋转速度可以通过安装在电机输出轴上的光电编码器方便获得。 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

51、的关键。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。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。通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模偏差，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。5.3.5 车模直立行走控制算法总图通过上面介绍，将车模直立行走主要的控制算法集中起来，形成控制算法总框图，如下图。图 控制算法总框图图中，为了实现车模直立行走，需要采集如下信号：(1) 车模陀螺仪信号；(2) 车模加速度计信号(Z轴信号)；(3) 车模电机转速脉冲信号；(

52、4) 车模电磁偏差信号四路。需要进行如下控制环节，控制车模电机转动：(1) 车模直立控制：使用车模倾角的PD比例、微分控制；(2) 车模速度控制：使用PI比例、积分控制；(3) 车模方向控制：使用P比例控制。可通过单片机软件实现上述控制算法，各模块程序见附录11。车模的三种控制直立、速度、方向最终是将控制量叠加在一起作为电机输出电压控制量。直立控制是根底，它的调整速度非常快，速度和方向控制相对调整速度慢。速度和方向控制的输出量是直接叠加在电机控制电压上。它们假定直立控制会始终保持车模不跌倒，直立控制会自动调节车模的倾角以适应车模的加速、减速和转弯的需要。稍作分析如下：车模加速前进时，由速度控制

53、算法给出电机增加的正向电压，电机开始逐步加速旋转。在此同时，车模直立控制会迅速进行调整，使得车模往前倾斜，车模开始加速。当车模速度到达设定值，由车模速到控制算法使得电机进入恒速运行。此时车模直立控制算法也会相应调整车模出于直立状态，车模恒速运行。车模减速过程与此类似，由速度控制算法减少了电机的电压，电机开始减速运行。直立控制算法会自动调整车模往后倾斜，使得车模减速。车模转向控制是在车速控制根底之上，调节两个电机驱动电压差使得电机运行速度出现差动，进而调整车模的方向。在此控制算法中，直立控制一直维持车模的直立状态，速度与方向控制将会成为直立控制的外部干扰。为了确保车模不会跌倒，因此外部的速度和方

54、向控制算法调整速度不能够过快，过于剧烈。5.4 调试与参数整定前面给出的算法存在很多参数，虽然从理论上可以对这些参数进行优化计算。但是由于受到车模模型精度的影响，计算所得到的参数也只能够作为参考值，实际优化参数需要通过一定参数整定。(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；(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量；(3) 测试车模直立判断程序和跌倒判断程序：此时禁止车模直立控制环节，通过读取加速度计的数值，判断车模是否直立或者跌倒。车

55、模直立要求，车模倾角在正负10度之内，保持2秒钟，车模跌倒判断车模的倾角大于45度；(4) 车模直立控制调试：只启动车模直立控制，调整两个控制参数：倾角比例和角速度比例，使得车模能够稳定的直立。此时由于没有速度控制，车模可能会朝一个方向加速行驶。可以通过微调加速度计的零偏值，减小车模在直立的时候朝一个方向的加速度，尽量控制车模静止；(5) 车模速度控制调试：启动车模的直立控制和速度控制，调节速度控制的PI参数，使得车模能够静止稳定在一个地点。然后再给定一个设定速度，车模可以稳定的前行或者后退；(6) 车模方向控制调试：启动车模的直立控制、速度控制和方向控制。将车模放在电磁导引跑道上，车模可以稳

56、定在跑道上运行。5.5 开发与调试环境在制作过程中，运行的编译环境为CodeWarrior5.0，CodeWarrior5.0是Metrowerks公司一套比拟著名的集成开发环境，具有直观，易用的优点。CodeWarrior5.0包括工程管理，代码生成，语法敏感编辑器等，具有快速下载，单步调控的特点，同时可以融合C语言和汇编语言的混合编程。CodeWarrior5.0具有在线调试，单步运行程序的功能，同时能够观察到主程序中定义的所有的变量的值。这一功能在进行程序错误检查和改正时起到了至关重要的作用。CodeWarrior5.0首先要新建一个基于MC9SXS128的HCS12的工程，选用语言为C

57、，建立好新的工程后，就可以在编译器里进行程序的编写。结 论本文首先对智能车整体结构进行了具体分析，清晰地认识了智能车设计的根本任务，就此做出了设计的总体思路，并对小车直立行走任务进行具体分解。然后针对各模块进行具体电路制作、调试，验证了其应用电路原理的合理性。最后将所有模块组合起来，设计控制算法，编写程序，利用单片机进行整体系统调试，最终设计制作完成了两轮自平衡直立行走小车。取得的主要成果有：(1) 角度传感器模块的设计：深入研究了加速度计和陀螺仪的原理及应用，设计电路并结合两传感器各自的优点测量准确的车模角度。(2) 电磁传感器模块设计：分析了电磁传感器信号的处理方法，并根据算法需要设计了感

58、应线圈布局结构，完成了电路设计制作。(3) 电机驱动模块的设计：设计出符合要求的驱动电路。(4) 直立运行控制算法设计：实现小车直立、稳定的沿赛道运行。完成上述工作，仅仅是实现了电磁车的根本功能，因此还有许多要做的工作，比方在控制算法方面进一步提高赛车的性能。控制算法是电磁车的灵魂，还有很大的提升空间，今后还需要在直立行走控制算法方面做深入的研究。需要进一步改良的方面：(1) 改良控制算法，提高小车性能。当前设计的控制取算法只能是小车低速行走，改良控制算法能使小车各个模块更加协调工作，进而能高速稳定运行。(2) 改良各模块电路设计，系统更稳定。角度传感器模块电路设计有缺陷，运行时还是不稳定，需

59、要进一步细化电路。致 谢本设计的工作是在我的老师悉心引导下完成的，他严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢老师对我的关心和指导。在整个毕业设计的完成过程中，他不厌其烦地催促我们，循循善诱的引导我们，并为我们解答难题。他以其严谨求实的治学态度，高度的敬业精神，兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生了重要影响，他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪！在实验室工作及撰写论文期间，得到了实验室同学的热情帮助，在此向他们表达我的感谢之情。参考文献1 卓晴,黄开胜.学做智能车挑战“飞思卡尔杯M.北京:北京航空航天大学出版社,2007:20-46.

60、2 D.西安:西安电子科技大学,2021:2-10.3 赵凯华.电磁学M.北京:高等教育出版社,2003:78-93.4 M.北京:北京大学出版社,2021:10-45.5 华成英,童诗白.模拟电子技术根底M.北京:高等教育出版社,2006:261-298.6M.北京:机械工业出版社,2021:150-165.7 王宜怀,曹金华.嵌入式系统设计实践基于飞思卡尔S12X微控制器M.北京:北京航空航天大学出版社,2021:207-265.8 孙同景,陈桂友.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术M.北京:机械工业出版社,2021:53-98.9 李华,范多旺,魏文军等.计算机