国赛技术报告-电磁组第十一届全国生恩智浦杯

I 编............................................................................................. 参考文 附录A：全车主要电路原理 本章主要介绍智能汽车系统总体方案的选定和总体设计思路，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汽车控制系统进行深入的介绍和分析。本届智能汽车大赛电磁组比赛对传感器有着严格的规定，我们决定选用工字型电感作为电磁信号的检测装置。此电路具有简单实用，可靠准确的因此在保持车身平衡方面，我们确定以加速度计作为角度传感器，陀螺仪作为角速度传感器。另外，车身转向控制方面，也使用陀螺仪作为转向反馈。遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞思卡尔的32位微控制器K60N256ZV10单片机作为控制单元，用于智能汽车系统的控制。三对工字型电感依据法拉第电磁感应定律，感知铺设在赛道中间的电磁导引线中的20Kz交变电流信号，返回到单片机作为转向控制的依据。加速度计返回的模拟信号作为车身当前角度的信号，陀螺仪车身转动的角速度。主控输出波控制电机的转速以保持车身的平衡和锁定赛道。同四轮车们使用编作为速度传感器。编返回的信号可以形成闭环，使用PID控制电机转速。平衡组加会导致车身的倾角剧烈变化，这并不利于车身保持平衡。因此整个调试过程就是要保证车身稳定的前提下不断提高车模前进的平均速度。根据以上系统方案设计，共包括六大模块：MK60DN256ZVLL10主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下：K60N256ZV10主控模块，作为整个智能汽车的“大脑”，将工字型电感传感器、陀螺仪、加速度计、编和等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动两个直流电机完成对智能汽车的控制；传感器模块，是智能汽车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间，同时使用陀螺仪和加速度计计算车模行进过程中的实时角速度和加速度信息，用以保持车模稳定行进；电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能汽车的加控制速度检测模块，检测反馈智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制；辅助调试模块，主要用于智能汽车系统的功能调试、状态本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体个系统的各个模块进行详细介绍。3智能汽车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识，然建立相应数学模型从而再对具体的设方案来调的械结构，并在实际的调试过程中不断的改进优化和提高结构的稳定性。本章将主要介绍智能汽模型车型车的机械结构和调整方案。此次竞赛选用的是科宇通博科技生产的智能车竞赛模型车(E型模型车)，配套的电机型号为RS-380SH。智能车的控制采用的是4图2.3编安装完5图2.4重心的高度是影响智能车稳定性的因一。当重心高度偏高时，智能车在转弯过程中会发生抬轮现象，严重时甚至翻车。此种现象会严重影响系统的稳定性和控制的连续性，使得系统进入一个极不稳定的状态，我们需要尽力避免此种现象的出现。因此，从小车稳定性出发，我们尽量降低重心高度，从而保证小车可靠稳定。模型车的性能与机械结构有着非常密切的联系。良好的机械结构是模影响十分显著。我们非常重视对智能汽车的机械结构的改进，经过大量的理论7首先了解一下不源的特点，电源分为开关电源和线性电源，线性电源的电压反馈电路是工作性状态，开关电源是指用于电压调整的管子工作在饱和和截至区即开关状态的。线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压，但开关电源是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的。从其主要特点上看：线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音，开关电源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赛使用智能汽车竞赛统一配发的标准车模用7.2V2000mAhNi-cd供电，而单片机系统、编、陀螺仪和加速度传感器均使用的是3.3V的电源。工字电感和干簧管需要5V电源，伺服电机工作电压范围为4V到6V（为提高伺服电机响应速度，采用7.2V供电），直流电机可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电，智能汽车电压调节电路示例见图3.1。85V电源模块用于为工字电感、干簧管供电。常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2940TPS系列、7805等和开关型稳压电源（LM2596LM2575、AS1015等）两大类。前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，电流大，但电路却比较复杂，电路的纹波大。本次电路5V的电源由1个稳压来提供，一个为H桥IR2184S提供5V电源，同时为干簧管和工字电感的电路提供电源。由于本次使用的是3.3V电源分为2个电源，一个为传感器供电，另一个为单片机，键盘，液晶供电。总体上来说，我们电源的分离是为了保证传感器电源的稳定。工字电感，陀螺仪，加速度计都是模拟传感器，电源的纹波将影响传感器的性能。减小电源的纹波的大小可以保证传感器的可靠性。本次光电平衡组需要驱动2个电机，驱动的设计尤为重要。常用的电机驱动有两种方式：一、采用集成电机驱动；二、采用N沟道MOSFET和栅极驱动设计。市面上常见的集成H桥式电机驱动中，飞思卡尔公司的33886型性能较为出色，该具有完善的过流、欠压、过温保护等功能，MOSFET导通电阻为120毫欧，具有最大5A的9连续工作电流。使用集成的电路设计简单，可靠性高，但是性能受限。由于比赛电机内阻仅为几毫欧，而集成的每个OSFET导通电阻在120毫欧以上，大大增加了电枢回路总电阻，此时直流电转速降落较大，驱动电路效率较低，电机性能不能充分发挥。由于分立的N沟道MOSFET回路总电阻。另外，专门设计的栅极驱动电路可以提高MOSFET的开关速度，使控制方式的调制频率可以得到提高，从而减少电枢电流脉动。并且栅极驱动通常具有防同臂导通、硬件死区、欠电压保护等功能，可以提高电路工作的可靠性。IR公司号称功率半导体，所以我们主要在IR公司的产品中进行选择。其中IR2184型半桥驱动可以驱动高端和两个N沟道MOSFET，能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功能。使用两片IR2184型半桥驱动可以组成完整的直流电机H桥式驱动电路。由于其功能完善，价格低廉容易采购，所以我们选择它进行设计，如图3.2所示。选择MOSFET时主要考虑的因素有：耐压、导通内阻和封装。智能汽车电源是额定电压为7.2V的电池组，由于电机工作时可能处于再生发电状态，所以驱动部分的元件耐压值最好取两倍电源电压值以上，即耐压在16V以上。而导通内阻则越小越好。封装越大功率越大，即同样导通电阻下通过电流更大，但封装越大栅极电荷越大，会影响导通速度。常用的MOSFET封装有TO-220、TO-252、SO-8TO-252封装功率较大、而栅极电荷较小。于是我们最终选择了IR公司TO-252封装的LR7843型N沟道MOSFET，VDSS=55伏、RDS(on)=8.0毫欧、ID=110安。IR2104的控制信号有两个管脚：IN和SD。IR2104输入输出信号关系图如图3.3所示：而当两片IR2104驱动如图3.4所示可逆桥式电路时，其真值表为表HHLHHLLHLHHHLHHLHHHHHLHLLHLHLHLHXLXLLLLL我们用两片IR2184及四个MOSFET组成全桥的电机驱动电路，并且采用单极应。图6中IC是个驱动2桥SVVs为端;o;OM供o;s当时s管2时c管D容2近c当2时s,由于容端的压能变因b的电接近s和Vc端压之而和s近Vc电.当2时,2为个浮的压驱动2在2间在周举式用s动高端输出晶体管源极电压上下浮动。图2.6中的D和2是I2184在脉宽调制（ ）应用时应严格挑选和设计的元器件,根据一定的规则进行计算分析;并在电路实验时进行调整,使电路工作处于最佳状态,其中D是一个重要的自举器件,应能阻断直流干线上的高压,其承受的电流是栅极电荷与开关频率之积,为了减少电荷损失,应选择反向漏电流小的快恢复二极管,内高压部分的供电都来自图中自举电容2上的电荷;为保证高压部分电路有足够的能量供给应适当选取2的大小.OSFET具有相似的门极特性,开通时需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷,在自举电容的充电路径上,分布电感影响了充电的速率,下桥臂功率管的最窄导通时间应保证自举电容有足够的电荷以满足栅极所需要的电荷量再加上功率器件稳态导通时漏电流所失去的电荷量因此从最窄导通时间为最小值考虑,自举电容应足够小;综上所述,在选择自举电容大小时应考虑既不能太大影响窄脉冲的驱动性能;也不能太小影响宽脉冲的驱动要求,应从功率器件的工作频率、开关速度、门极特性等方面进行选择、由于今年比赛规则对电磁平衡组的传感器有明确的规定，所以我们在传感器的选择上没有花费时间。对于的传感器的优化，我们也主要是传感器对环境的适应性方面。20kHz20kHz频电路（带通电路3.9所示。内阻，C是并联谐振电容。电路谐振频率为：11f=20kHz，L=10mH，可以计算出谐6.8nF，6.8nF测量放大后的感应电动势的幅值E可以有多种方法。最简单的方法就是使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，然后再通过单片机的AD采见的的肖特基二极管1N5817。速度计使用MMA7361。在转向控制方面，加入陀螺仪的反馈可以使转向更流畅。L3G4200是3轴陀螺仪，我们读回与Y轴垂直的Z轴数据，反馈回转向差速控制环节，较好的优化了装 块是直接的成品。硬件电路是模型汽车系统的必备部分。只有稳定的硬件电路才能保证程序的正确控制。为此，我们在设计电路之时，考虑了很多问题，采用了模拟部分与数字部分等措施。我们的硬件电路的设计思想是在保证正确检测信号的前提下，尽可能精简电路。同时，在本部分重点介绍了我们的电感信号检测电路及原理，详细阐述了实用的做法。AD的数据进行相应的滤波，去掉错误的数据，让数据更加平滑，消除毛刺21002100PI调节器或PID调节器。成PD或PID控制器。本章详细介绍了智能汽车的控制软件的设计和思路。传感器部分重点介绍了方向的控制原理，进行了算法理论正确性的验证。在控制策略上主要介绍了PID控制理论及PID参数整定的具体方法。程序的开发是在提供的IAREmbeddedWorkbench下进行的包括源程序的编写、编译和，并最终生成可执行文件。IARSystems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的发和测试的每一个阶段包括：带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境(IDE)实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。IAREmbeddedWorkbench（简称EW）的C/C++交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。EWEW358/1632ARMEW包括：嵌入式C/C++优化编译器，汇编器，连接，库管理员，编辑器，项目管理器和C-SPY调试器中。使用IAR的编译器最优化最紧凑的代码，节通过提供的IAR编译软件的调试功能，可以得到大量的信息，为智能汽车的调试提供了很大的帮助。在调试过程中，我们使用串口助手、VisualScope等上位机辅助调试软件，将小车的实时数据反馈给上位机，图形化直观显示各个变量的实时变化。这对于排除程序的逻辑错误和优化控制策略非常有帮助。经过改装后，智能汽车的外形参数为：车长：500mm；车宽：210mm；车高：85mm；车重：智能汽车相关技术参数如表6.10 “”杯大学生智能汽车竞赛已经成功举办了十届（从第十一届开始由“飞思卡尔杯大学生智能汽车竞赛更名为杯大学生智能汽车竞赛”），该竞赛涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科，培养了学生的知识融合和实践动手能力。在此份技术报告中，我们主要介绍了准备比赛时的基本思路，包括机械，电路，以及最重要的控制算法的创新思想。在传感器的制作上，我们实际测验了多种排布方法的优劣，考虑到程序的稳定性、简便性，我们最后敲定了单排竖斜横“一”字形排布，并通过反复实践决定了传感器的数量和最佳位置。在电路方面，我们以模块形式分类，在电源管理，电机驱动，接口，控制，信号，传感器这六个模块分别设计，在查找资料的基础上各准备了几套方案，由队员分组实验，最后确定了最终的电路图。在算法方面，使用C语言编程，利用比赛推荐的开发工具调试程序，经过小组成员不断讨论、改进，终于设计出一套比较稳定的程序。在这套算法中，我们结合路况调整车速，做到直线加速，弯道，保证在最短时间跑完全程。准备初始阶段，由于自身知识积累不够，我们遇到很多，走了不少弯路，也犯了不少错误。通过不断学习和实践，最终解决了问题，同时也完善了自己。让我们感触最深的就是硬件滤波器的问题，由于缺少对理论的透彻以及对集成元器件的英文Dtaht的深入阅读，使我们在数据上耽误了几天的时间。经过不断地摸索和查阅资料，通过对硬件的改进，才解决了这个问题。十届比赛中我们看到智能汽车的发展非常迅速，很多汽车模型的机资源，加强信息处理能力以及选用更加智能化的控制方式才能使电磁智能汽车有更大的进步空间。在准备比赛的时间里，我们团队精诚合作，分工明确而又互相帮助，通过一次次的摸索和学习，我们在小车的机械结构，硬件电路及软件控制算法上都有了深刻的体会，学到了很多上无法学到的内容，是一次，也是一次飞跃。我们相信酬勤，我们认真付出的努力，一定会在赛场上表现出来。期待在比赛中和其他高校的同学交流切磋，取得满意的成绩！最后，非常感谢在我们备赛期间，各位指导老师和其他同学以及智能车前辈的无私和热心帮助，大家集思广益和建议是我们解决问题的有力助手。在大家的无私帮助下，我们电磁平衡组才得以解决遇到的一些繁琐的问题，大家一起进步，不断追求、尝试更快的速度。同时也很感谢“”公司提供的这样的一个平台，正是这个平台为我们提供了发挥自己所学的可能，祝公司发展越来越好，智能汽车竞赛越办越！ #include"main.h"{}voidGPIO_Init(void){IO_init_struct.GPIO_PTx=PTA; 间用A15是系统版上的小灯IO_init_struct.GPIO_Dir=DIR_OUTPUT;IO_init_struct.GPIO_Output=OUTPUT_H;IO_init_struct.GPIO_PinControl=IRQC_DIS;IO_init_struct.GPIO_PTx=PTE;IO_init_struct.GPIO_Pins=GPIO_Pin24;IO_init_struct.GPIO_Dir=DIR_OUTPUT;IO_init_struct.GPIO_Output=OUTPUT_L;IO_init_struct.GPIO_Isr=Ghg_isr;}voidPIT0_Init(void){pit0_init_struct.PIT_Pitx=PIT0;pit0_init_struct.PIT_PeriodMs=2;pit0_init_struct.PIT_Isr=pit0_isr;}voidPIT1_Init(void){pit1_init_struct.PIT_Pitx=PIT1;pit1_init_struct.PIT_PeriodUs=500;pit1_init_struct.PIT_Isr=pit1_isr;}{UART_InitTypeDefuart3_init_struct;uart3_init_struct.UART_Uartx=UART3;uart3_init_struct.UART_RxPin=PTC16;uart3_init_struct.UART_TxPin=PTC17;uart3_init_struct.UART_RxIsr=uart3_isr;}voidNVIC_Init(void){nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelPIT0_IRQn;//指明要配置的通道号2nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x00; //响应优先级0nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelEnable=TRUE; nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelPIT1_IRQn;//指明要配置的通道号2nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x00; //响应优先级0nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelEnable=TRUE; nvic_init_struct.NVIC_IRQChannel=UART3_RX_TX_IRQn;0nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x00; //响应优先级0 道 nvic_init_struct.NVIC_IRQChannel=PORTA_IRQn;nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x00; //响应优先级0nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelEnable=TRUE; //根据NVIC_InitStruct中指定的nvic_init_struct.NVIC_IRQChannel=PORTD_IRQn;nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x00; //响应优先级0nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelEnable=TRUE; //根据NVIC_InitStruct中指定的nvic_init_struct.NVIC_IRQChannel=PORTE_IRQn; nvic_init_struct.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x00; //响应优先级0 道 }voidFTM__Init(void){ftm0_init_struct.FTM_Ftmx=FTM0;ftm0_init_struct.FTM_Freq=14000;LPLD_FTM__Enable(FTM0,FTM_Ch4,0,PTD4,ALIGN_LEFT);LPLD_FTM__Enable(FTM0,FTM_Ch5,0,PTD5,ALIGN_LEFT);LPLD_FTM__Enable(FTM0,FTM_Ch6,0,PTD6,ALIGN_LEFT);LPLD_FTM__Enable(FTM0,FTM_Ch7,0,PTD7,ALIGN_LEFT);}//正交模块voidQD_init(void){ LPLD_FTM_QD_Enable(FTM1,PTA12,PTA13);

//AB相输入模 ftm_init_struct.FTM_QdMode=//初始化FTMLPLD_FTM_QD_Enable(FTM2,PTB18,}

//AB相输入模voidGyro_init(void){gpio_init_struct1.GPIO_PTx=PTA;gpio_init_struct1.GPIO_Dir=DIR_OUTPUT;gpio_init_struct1.GPIO_Output=OUTPUT_H;gpio_init_struct1.GPIO_PinControl=IRQC_DIS;}AD初始voidADC_Init(void){adc1_init_struct.ADC_Adcx=ADC1;adc1_init_struct.ADC_BitMode=SE_16BIT;adc1_init_struct.ADC_HwAvgSel=HW_4AVG;adc1_init_struct.ADC_CalEnable=TRUE;adc1_init_struct.ADC_MuxSel=MUX_ADXXB;LPLD_ADC_Chn_Enable(ADC1,AD14);LPLD_ADC_Chn_Enable(ADC1,AD15);LPLD_ADC_Chn_Enable(ADC1,AD4);LPLD_ADC_Chn_Enable(ADC1,AD5);LPLD_ADC_Chn_Enable(ADC1,AD6);