湖北汽车工业学院电磁组惠捷二号技术报告

I第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：湖北汽车工业学院队伍名称：惠捷二号参赛队员：吴相昆熊小龙张君带队老师：石振东全国大学生智能汽车邀请赛技术报告II2010年8月1日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五届“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：III目录第一章引言.......................................................5第二章智能车整体设计.............................................62.1技术方案的实现..............................................62.2系统机械结构设计............................................62.3智能车前轮定位的调整........................................82.3.1主销后倾角............................................82.3.2主销内倾角............................................82.3.3车轮外倾角............................................82.3.4前轮前束.............................................92.4其它机械结构的调整..........................................9第三章系统硬件设计..............................................103.1电源部分...................................................103.2电机驱动电路...............................................113.3测速电路...................................................113.4检测模块..................................................13第四章系统软件设计..............................................154.1主程序流程框图............................................154.2程序初始化................................................16全国大学生智能汽车邀请赛技术报告IV4.3速度测量..................................................164.4舵机和速度的PID控制算法..................................164.4.1经典PID控制算法介绍................................164.4.2经典PID算法在本智能车上的应用......................18第五章系统调试..................................................195.1基于LABVIEW的调试平台.....................................19第六章智能车技术参数说明.........................................23参考文献......................................................24部分程序代码...................................................255第一章引言本智能小车以飞思卡尔16位微控制MC9S12XS128作为唯一的核心控制单元，采用一组线圈作为传感器，感应由赛道中心导线产生的交变磁场检测道路信息，通过单片机处理优化，把控制信号发送给电机和舵机。同时通过自制的转速传感器获取小车速度，进行速度反馈处理，最后利用PID控制方式作为电机驱动。本文对线圈的选择及对跑道位置的的检测进行了简要的分析，对小车的硬件与软件设计进行了介绍。技术报告以智能小车的设计为主线，包括小车的构架设计、软硬件设计，以及控制算法研究等，共分为五章。其中，第一章为引言部分。第二章主要介绍了小车的总体方案的选取。第三章介绍了硬件设计，主要介绍了电路的设计；检测模块的设计。第四章对小车的软件设计进行了详细的介绍。第五章描述了小车的软件调试过程。全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6第二章智能车整体设计2.1技术方案的实现第五届智能车竞赛新增磁导航组，感应由赛道中心导线产生的交变磁场检测道路信息。在准备比赛的初始阶段，组委会提供的设计参考方案给我们很大的帮助。在路径检测方面，我们最终采用了使用单片机直接采样交变电压信号。其电路简单可行。与光电组和摄像头组相比，磁导航组最大的缺点是其前瞻的局限性，但采用线圈检测具有一定的稳定性且干扰小。在线圈的选择方面，我们经过了一个长期的过程，尝试了各种不同类型的线圈作为传感器,从最初电感到磁敏二级管，最后选择了电感值为100MH的线圈且等间距布置。在起跑线识别方面，我们选择了干簧管检测。在车体左右各布置3个干簧管且相互并联，作为一路I/O且采用查询检测方式。系统主板采用主办方提供的飞思卡尔16位微控制器MC9S12SX128作为核心控制单元，采用PWM和PID技术，控制舵机的转向和电机转速。在转向控制方面，我们采用了双舵机的摇头方案，一个舵机控制前轮转向，另一个舵机控制摇头角度，这样能使小车具有很好的随线性。在速度控制方面，采用PID控制，在智能车后部安有光珊，采集关于车轮转速的脉冲信号,经由MCU进行PID计算后自动调节对电机的PWM波的占空比，控制车速度。我们还扩展了液晶和键盘模块作为人机操作界面，以便于智能小车的调试与相关参数调整。2.2系统机械结构设计2.2.1摇头方案的实现为了使小车具有较好的随线性，在转向过程中给一个合适的转向，我们选择了摇头方案。舵机带动T形摇头摆臂摆动，进而带动前面传感器支架摆动。考虑到小车经过坡道及信号强弱处理，T形摇头摆臂与传感器支架设计成可调结构，可调整传感器离地间隙。具体结构图形如下：7图2.1摇头方案的实现2.2.2舵机的固定舵机的固定我们考虑到以下3点：1舵机与底盘之间的固定可靠。2整车结构紧凑。3尽量减轻整车质量，使用轻质量的固定材料。具体结构图如下：图2.2舵机的固定全国大学生智能汽车邀请赛技术报告82.3智能车前轮定位的调整现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，其主要的参数有：主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束[2]。智能车竞赛模型车的四项参数都可以调整，但是由于模型车加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着一些偶然性。2.3.1主销后倾角主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角[2]。它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。所以，主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在1°到3°。模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于竞赛所用的转向舵机力矩不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为0°，以便增加其转向的灵活性。2.3.2主销内倾角主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前轮自动回正[2]。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于8°。对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为0°~3°左右，不宜太大。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。2.3.3车轮外倾角前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角[2]，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向9安全性和转向操纵的轻便性[1]。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。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。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在1°左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0°即可，并且要与前轮前束匹配。2.3.4前轮前束所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角[2]。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。在实际的汽车中，一般前束为0~12mm。在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束0~2mm可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。2.4其它机械结构的调整1为有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失，我们对前轮进行了粘胎处理。2为了防止小车在高速时急转弯时发生侧滑甩尾等现象，在底盘下部车尾与车身也进行了粘接处理。3为提高小车的稳定性，我们尽量做到使小车重心降低且使小车的重心后移，如将电池后移。全国大学生智能汽车邀请赛技术报告10第三章系统硬件设计3.1电源部分为了能使智能车系统能正常工作，就需要对电池电压调节。其中，单片机系统、车速传感器电路需要5V电压，路径识别的电路电压工作为5V、伺服电机工作电压范围4.8V到6V(或直接由电池提供)，直流电机可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电。考虑到由于驱动电机引起的电压瞬间下降的现象，因此采用低压降的三端稳压器成为必然。我们在采用LM7806，和LM2940作为稳压芯片。经试验电压纹波小，完全可以满足要求。图3.1系统电压调节图5V6V7.2V舵机测速板Encoder电机单片机对管稳压电路电池（7.2v）2000mAhNi-cd11图3.2电源模块示意图3.2电机驱动电路电机驱动使用功率管搭建的桥式驱动电路。驱动电路如图4.4所示。系统使用PWM控制电机转速，充分利用单片机的PWM模块资源。电机PWM频率设定为8KHz。因为桥路需要的电压和稳压要求，驱动电路通过一个升压块升压供电，PW