第八届南昌大学江铃电磁一队电磁组.docx

1、第八届南昌大学江铃电磁一队电磁组第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学 校： 南昌大学队伍名称: 江铃电磁一队参赛队员： 杜利平 黄海林 徐海强指导老师： 武和雷王光辉关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名： 带队教师签名： 日 期： 摘要该系统以Freescale 32位单片机K60P14

2、4M100SF2 作为系统控制处理器，采用电磁检测获取赛道路况信息，利用欧姆龙编码器测速，控制舵机实现系统的闭环控制，保证模型车能够稳定运行。在机械结构上，本设计做了一些改进和创新，对舵机的安装位置和高度做了一些调整，对电磁传感器的摆设也做了调整，这对提高车模的稳定性打下了基础。硬件电路部分选用电源管理芯片LM2940-5.0和LM1117-3.3V以及LM2941-6V组成的降压稳压电路为系统的各功能模块提供工作电源，供电电池为7.2伏，采用LM1117-3.3V为单片机系统、干簧管、蓝牙等模块供电；采用LM2940-5.0V为电磁检测模块、速度采集模块提供5伏电源；采用LM2940-6v的

3、降压稳压电路为舵机提供6伏电源；采用MC34063升压芯片，升压至12伏为电机驱动模块开启MOS管提供电压；采用IRF3205-NMOS搭建H桥模块稳定、有利地驱动直流电动机，可获得电机的最佳性能：高速、快速响应和高起动频率；这为智能车的稳定工作提供了可靠的保证。软件部分主要包括以下内容：(1)主控芯片各功能的初始化；(2)传感器信号的获取，(3)利用经典PID算法进行路径识别和速度控制。本系统应用IAR开发工具进行编程，用BDM进行程序下载，利用蓝牙无线串口传输的数据，完成了软件的设计、编程和调试工作，很好的实现了路径识别的功能。关键字：电磁检测，PID控制，路径识别目录第一章 引言 61.

4、1赛事介绍 61.2智能汽车制作情况概述 61.3文献综述 71.4技术报告结构 7第二章 智能汽车系统整体方案设计 92.1 设计要求 92.2 智能汽车系统总体设计 92.3 智能汽车机械结构设计 112.4 系统软件结构 12第三章 智能汽车硬件设计 143.1 机械结构的安装 143.1.0电磁传感器的安装 143.1.1 舵机的安装 153.1.2 光电编码器的安装 153.1.3 系统板的安装 163.1.4 总体布局 163.2 机械调整 173.2.1主销内倾 173.2.2 主销后倾 173.2.3 前轮外倾角 173.2.4 前轮前束 183.2.5车体重心 183.3硬件

5、电路 183.3.1主板的设计 193.3.2 电源模块 193.4电机驱动模块 213.5测速模块 233.6电磁传感器的设计 24第四章 智能汽车软件设计 334.1 K60P144M100SF2片内资源简介 334.2软件流程 33图4.2 整体流程图 344.3电磁信号采样处理 344.3.0数字与模拟信号采集对比 344.3.1电磁信号数据的采样与处理 354.4速度和舵机PID控制算法及其改进形式 354.4.0速度控制 354.4.1舵机控制 39第五章 系统调试 415.1基于MATLAB的参数计算及仿真 415.2 辅助调试工具 41第六章 车模主要技术参数说明 43第七章

6、存在问题及总结 447.1 制作成果 447.2问题与思考 447.3不足与改进 44参考文献 45附录A：程序代码 46A.1 main.c 主函数文件 46A.2 isr.c 中断服务函数 47A.3 car.h 小车功能函数 48A.3 car.c 小车功能函数实现 50第一章 引言1.1赛事介绍全国大学生智能汽车竞赛由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办，以飞思卡尔半导体公司为协办方，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出

7、创造条件。到目前为止，该竞赛已发展成全国30个省市自治区近300所高校广泛参与的全国性竞赛。2008年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一。该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公

8、正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与”的16字方针，充分调动各方面参与的积极性。1.2智能汽车制作情况概述受教育部高等教育司委托(教高司函2005201 号文)，高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的“飞思卡尔”杯全

9、国大学生智能汽车邀请赛是在飞思卡尔公司资助下以K60P144M100SF2单片机为主控微控制器芯片的模型车体的基础上进行设计，制作出具有自主道路识别能力的智能汽车，是教育部主办的全国大学生五大竞赛之一。 该赛事下设秘书处，挂靠在清华大学，竞赛是以“立足培养，重在参与，追求卓越”为指导思想，以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技性竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动，旨在促进高等学校素质教育发展，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。 全国大学生智能汽车竞

10、赛与己举办的全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计四大专业竞赛不同，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。智能汽车以比赛组委会提供的飞思卡尔32位微控制 K60P144M100SF2为控制器，采用电感传感器进行赛道路径检测，控制小车的运动方向。电机驱动选用IRF3205搭建的H桥,同时使用K60P144M100SF2单片机的PWM模块，结合速度编码器，运用PID控制算法，控制电机的转速，完成对智能汽车运动速度和运动方向的闭环控制。系统还扩展了蓝牙模块作为人机操作界面，以便于智能小车的相关参数调整。1.3文献综述

11、针对本次飞思卡尔智能汽车比赛，主要存在的技术问题就是如何设计出合理的传感器队赛道信息做出正确及时的判断，如何控制舵机和电机在最优的线路上以最短的时间通过赛道。对于K60芯片的寄存器设置和操作，参考了飞思卡尔的K60用户使用手册。由于选择采用电感传感检测赛道上20Khz的方波，最终完成对赛道信息的判断，学习的电磁原理的相关书籍，即李仕伯.马旭.卓晴.著基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究，并且参考了竞赛组秘书处技术组的20KHz 电源参考设计方案。在选择传感器时，我们研究了宋文绪，杨帆传感器与检测技术。邵贝贝1文中详细介绍了如何在K60系列单片机上进行程序代码编译和IAR 编译器使用方法，对程序

12、调试和软件开发提供了很好的参考。1.4技术报告结构技术报告以智能汽车的设计为主线，包括小车的构架设计、硬件设计、软件设计，以及控制算法研究等，分为七章。其中，第一章为引言部分，第二章主要介绍了小车的总体设计方案以及车模的相关参数，第三章对小车的硬件设计进行了详细的介绍，其中包括机械改造，电路设计两大部分，第四章对小车的软件设计思想和相关算法进行介绍，第五章详细介绍了赛车系统开发的调试工具，第六章介绍了车模主要技术参数说明，第七章是心得和总结以及问题的发现。第二章 智能汽车系统整体方案设计2.1 设计要求在本次的飞思卡尔第八届智能汽车的比赛中，要求参赛队伍设计的智能汽车具有自动循迹的功能，跑道下

13、铺有20Khz的方波电源信号线，在引导线周围激起交变的磁场，从而通过检测此磁场引导车辆行驶。使用电磁场作为引导智能车的优点，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、湿度等环境因素的影响。智能车系统的方案设计要求就是智能车将采集的信号作出正确合理的处理，使其快速稳定的行驶。因此，能沿着方波信号线自动行驶是前提，想要取得较好的成绩还得尽量提高智能小车的运行速度。2.2 智能汽车系统总体设计根据电磁车循迹的要求，电磁车设计包括赛车的设计和恒流源的设计。根据电磁传感器方案设计，赛车共包括六大模块：电磁传感器模块、速度传感器、K60P144M100SF2模块，电机驱动模块、电源管管理模块

14、、人机交互模块。其中系统结构框图如下：图2.2.1 智能车系统结构旋转编码器直流电机K60PWM驱动电磁传感器伺服舵机电源管理模块 可充放电源图2.2.2 功能模块示意图各个模块的作用如下所示： 1. 电磁传感器模块：选用LMV358轨对轨双运放，在该模块中对采集到的信息进行处理，以此信息来判断当前智能小车所在赛道的变化趋势、小车的当前速度转角的信息。将处理得到的信息传给单片机以采取相应的控制决策。 2. 速度传感器：选择500线欧双相姆龙编码器，采集当前的电机速度，作为系统速度控制的反馈。同时与设置的目标速度作比较，选择合适的算法使其变化为目标速度，从而实现电机的加速减速。 3. K60模块

15、：K60 单片机是系统的核心部分。它负责接收赛道信息数据，赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来驱动电机进行控制。4. 驱动模块：在该模块中包括了驱动电机和舵机，当接收到单片机的命令后便执行相应的操作，同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息，反馈给单片机 。从而整个系统构能够形成一个闭环系统，保证了小车的平稳运行。5. 电源管管理模块：为了使各模块正常工作，必须供给各自所需的电压，我们采用了5V，3.3V和6V稳压以及12V的升压电路。 6.恒流源模块：由单片机产生频率20KHz的的方波信号，驱动三极管构成的电流源，然后经H桥进行功率放大，产生恒流功率信号。7

16、. 辅助调试模块：辅助调试模块用于构建一个良好的人车交互界面，如智能车调试时的一些重要信息的显示以及一些重要参数的设定等。2.3 智能汽车机械结构设计机械结构在很大程度上影响着小车的速度与转向特性，在准备比赛初期，由于没有经验，单纯为了提高小车的速度，忽视了机械性能对小车的速度有很大的关系，将电磁检测的支架架的很高，采用的支架数也较多，导致小车的重心偏前，转弯过程不协调。为此，我们选择改用质量较轻的碳纤管作为支撑材料。此外，为了解决模型车的前轮倾角，差速的松紧等问题，我们在参考往届赛队的基础上，通过不断实践将小车的机械结构调整到最佳的状态。智能汽车结构特点：小车重心的调整：我们在调试的时候发现

17、，降低重心可以大大减少小车在高速过弯时小车冲出赛道的几率。鉴于此，我们调整了小车电池位置，将其尽量靠近后轮，而且位置放到了几乎最后，这样小车的重心就会靠后，小车在转弯的时候不会因为离心力而偏离赛道，这点是后期提速的关键。传感器的调整：传感器作为模型车控制的重中之重，就像是一个人得眼睛。要想跑得快，就得看得远，但也不是越长越好，长了容易受到另一个赛道的干扰，发生窜道现象，短了又不能提前预知前方赛道的变化，所以电磁检测的长度要根据车子自身和算法来选择合适的长度。为此，我们在车模整体结构允许的情况下，为小车选择了合适的传感器长度，优化了智能车的前瞻效果，这种方案的优越性，在模型车转弯和控速方面体现的

18、尤为明显。如下图，我们通过改变电池位置来改变重心的办法来达到转弯调速不侧滑问题，通过选择适合杆长达到控制前瞻。图2.3.1 重心调整2.4 系统软件结构系统硬件是整个系统的基础，系统软件结构则根据硬件和控制需求来制定。系统的基本软件流程为：首先，对各功能模块和控制参数进行初始化。然后，通过电磁传感器采集到的数据获取前方赛道的情况，同时通过速度传感器模块获取赛车的速度。采用PD 对舵机进行反馈控制。另外根据检测到的速度，结合速度控制策略，对赛车速度不断进行适当调整，使赛车在符合比赛规则的前提下，沿赛道快速行驶。图2.4.1 系统软件结构图第三章 智能汽车硬件设计3.1 机械结构的安装机械安装是整

19、个系统中的基础，决定智能汽车在运行过程中的稳定性，因此对机械结构的合理安装就显得非常重要。3.1.0电磁传感器的安装电磁传感器主要考虑的问题有：固定电磁传感器的材料，安装位置和安装高度。固定材料我们选择了硬度较好而且使用灵活的三通塑料连件。安装位置刚开始我们把传感器支架固定在车的后半部分，导致车体摆动不灵活，而且将还会加长支架的长度，使得小车重量变大，同时电磁传感器的支架过高也会影响车子的整体重心。我们进过多次反复的实验最终确定了传感器离地面的高度为18cm，支架固定在车体的前部。下图是安装支架的位置和固定方式：图3.1.1 电磁传感器支架的安装3.1.1 舵机的安装舵机起着转向的作用，其安装

20、非常重要。如果安装不好就会出现转向不足或者转向左右不对称的问题。同时舵机的安装方式也会影响车子的重心，综合考虑，我们采用立式安装舵机。舵机安装方式如下图所示：图3.1.1舵机安装图3.1.2 光电编码器的安装光电编码器安装主要考虑的问题是与齿轮的咬合，太紧会使电机转动吃力并且会发出很大的噪声，太松有时候会丢齿。因此最好使得安装的编码器松紧程度能够调整最好。安装方式如图：3.1.3 系统板的安装最小系统板是购买的系统板，所以安装容易。如下图图3.1.3 系统板3.1.4 总体布局经过各个部件的安装车的总体布局如下图图3.1.4 小车的整体布局3.2 机械调整车模的前轮可调节的参数比较丰富，前轮定

21、位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个项目。在刚开始调试的时候中，我们没有重视这几个参数的调节，后来发现这几个参数对赛车直线的稳定性和弯道灵巧性都有很重要的影响。 3.2.1主销内倾主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。 3.2.2 主销后倾主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原

22、来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。我们将车模控制主销后倾的黄色垫片改为 3：1（前 3 后 1）， 使其倾角为负 23。这样则可以减小回正力矩的作用，使转向更为灵活，但也会使回正比原来稍慢。3.2.3 前轮外倾角前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。如果前面两个轮子呈现“V”字形则称正倾角，呈现“八”字则称负倾角。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。 3.2.4 前轮前束前轮前束是前轮前端向内倾斜的程度，当两轮的前端距离小后端距离大时为内八字，前端距离大后端距离小为

23、外八字。由于前轮外倾使轮子滚动时类似与圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。但由于拉杆的作用使车轮不可能向外滚开，车轮会出现边滚变向内划的现象，从而增加了轮胎的磨损。前轮外八字与前轮外倾搭配，一方面可以抵消前轮外倾的负作用，另一方面由于赛车前进时车轮由于惯性自然的向内倾斜，外八字可以抵消其向内倾斜的趋势。外八字还可以使转向时靠近弯道内侧的轮胎比靠近弯道外侧的轮胎的转向程度更大，则使内轮胎比外轮胎的转弯半径小，有利与转向。3.2.5车体重心由于车运行时，重心越低越好，而且重心集中在中后位置最利于转弯。于是我们利用调整底盘高度来调节车的重心。但是由于赛道存在凸起和坡度，重心太低车可能被卡住。为此我们

24、把车底盘高度最终调整为离地面 1cm 高。如下图：图3.2.5 底盘高度3.3硬件电路硬件电路主要包括：电源模块，驱动模块及调试模块。电源模块主要包括单片机电源，编码器电源，电磁检测电源，舵机电源等等。驱动模块主要包括电机驱动和舵机驱动。调试模块主要包括 BDM 下载和串口的设计。3.3.1主板的设计我们采用了组委会提供的K60P144M100SF2作为主控芯片，为了拆卸跟换方便，我们购买了现成的最小系统板，在主板上集成了电源模块、电磁检测模块、显示模块、蓝牙发射模块等。原理图及PCB图如下：3.3.2 电源模块为了保证各个部件的正常工作，电源的供给是十分重要的，需要对配发的标准车模用蓄电池进

25、行电压调节。单片机系统、电磁检测、车速传感器电路、电机驱动等各个电路的工作电压不同，需要想办法来使得电压满足各自的要求，一种方法是利用升压或降压的芯片来达到它们的要求，另一种方法是利用双电源供电的方法，来实现各模块的不同需要，由于电路模块较多，该方案中仍需要升压或降压芯片。实际应用中，我们确定采用升压降压芯片等来实现对各个模块的供电要求。而且，在电路设计中，考虑到由于电机驱动所引起的电源不稳定，在电源输入端，各芯片电源引脚都加入滤波电路。电源管理分配图下：（1）5V电源图3.2.2-1电源分配管理市场上常用的5v芯片有LM2940，LM7805，LM2575，LM2596。其中LM2940和L

26、M7805转换效率低（40%）输出波纹小,而且稳定，对于电源要求比较高的元件适合。LM2575和LM2596转换效率高（75%80%）输出波纹大，可能会让单片机出现重启。所以我们选择前者而LM2940比LM7805压差小，而且更加稳定因此我们最终选择LM2940作为5v稳压芯片。原理图如图图3.2.2-2 LM2940原理图（2）6V电源舵机的响应速度与其电源电压有关。因此，为了获得更快的响应速度，舵机的供电采用其工作上限电压+6V，舵机的工作电压为4-6v因此，为了稳定起见我们给舵机也做了稳压电路，器件选择的是LM2941，原理图如下图3.2.2-3 LM2941 原理图3.4电机驱动模块驱

27、动芯片的选择直接影响小车的加速效果，智能车大赛的主要标准就是速度，因此驱动芯片至关重要。最初我们的电机驱动元件选择的是BTS7960,利用两片BTS7960来驱动电机，电路连接简单，但是用了一段时间后我们发现，他的驱动能力不强，而且BTS7960发热较严重，成本较高。于是我们自己用场效应管自行搭建了H桥电路，作为电机驱动。由于场效应管要用IR2104来驱动场效应管，所以需要用12V升压电路。12V升压电路和H桥电路如下图3.4.1 12V 升压电路图3.4.2 H桥电路为了阻止电流的反向倒流，有效的保护单片，我们采用74LS244作为单片机和电机驱动隔离。原图如下：图3.4.3 芯片保护电路3

28、.5测速模块测速模块好的控速效果是建立在精确的反馈的基础上的，同时也是各种速度控制算法的基础。在初期的调试阶段，我们用自制的光电码盘配合光电管和比较器获取小车的当前速度，但我们发现这种方法产生的信号并不整齐，影响速度的采集。最后我们放弃了这种方案而改用信号比较整齐精确的光电编码器来测速。我们采购到了双向500线的光电编码器。在单片机软件设计中，通过DMA每隔10ms将脉冲累加器中的值读回并将寄存器清零。这样就能获取光电编码器10ms的发出的脉冲，进而根据齿轮的比例就能计算出小车的实际速度。光电编码器的电路如图所示：图3.5 光电编码器电路图 3.6电磁传感器的设计(1)导线周围的电磁场根据麦克

29、斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。磁导航自平衡车路径导航的交流电流频率为20kHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间，为3kHz30kHz，波长为100km10km。如图3-5-所示：图3.6.1 电流周围的电磁场示意图导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。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，这正是笔者进行电磁导航的目的。由于引导线导航电线和平衡车尺寸l 远远小于电磁波的波长 ，电磁场辐射能量很小（如果天线的长度l 远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射功率正比于天线长度的四次方），所以能够感应

30、到电磁波的能量非常小。为此，笔者将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，从而进行位置检测。由毕奥-萨伐尔定律知：通有稳恒电流I 长度为L 的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r 处P 点的磁感应强度为： （3.1）图3.6.2 直线电流的磁场由此得，对于无限长直电流来说，则有 （3.2）图3.6.3 无限长导线周围的磁场强度在上面示意图中，感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。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。(2)磁场检测方案分析现在有很多测量磁场的方法，磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应：磁电效应（电

31、磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应）、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量原理以及相应的传感器：(a)电磁感应磁场测量方法：电磁线磁场传感器，磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器。(b)霍尔效应磁场测量方法：半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。(c)各向异性电阻效应（AMR）磁场测量方法。(d)载流子自旋相互作用磁场测量方法：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。(e)超导量子干涉（SQUID）磁场测量方法：SQUID 薄膜磁敏元件。(f)光泵磁场测量方法：光泵磁场传感器。(g)质子磁进动磁场测量方法。(h)光导纤维磁场测量方法。以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大。笔者需要选择适合平衡车的检测方法，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。引导线中的100ma电流产生的磁场强度很小，常见的很多检测方法，并不能准确的识别出来。在下面所介绍的检测方法中，笔者选取电磁感应线圈