基于飛思卡爾16位單片機電磁型智能小車的設計_畢業設計論文(完整版)

　　

【正文】 的時候，需要考慮在車模前后安裝有防撞支架或者緩沖物，一旦車模傾倒或者失控，防撞支架可以保護車模機械的安全性。 由于時間的限制，仍有許多地方需要完善。軟件部分的設計影響小車正常高速的穩定運行，主要包括單片機初始化模塊、車模運行狀態檢測、電機輸出、車模運行控制等。一般建議將這塊帶有陀螺儀和加速度計的電路板固定在整個車模中間質心的位置。 圖 固定好碼盤和光電對管的后輪 由于電機在運行過程中發熱，而且振動大，碼盤的固定一定要使用熱穩定性比較好復合膠水。 安徽理工大學畢業設計 37 （ 3） 去掉后輪，準備安裝電機測速光碼盤 拆裝后輪可以使用原車模配備的十字套筒扳手。 安徽理工大學畢業設計 36 智能車機械設計 車模簡化改裝 （ 1）去掉前輪及其支撐部件，去掉后輪懸掛緩沖支架拆卸后的情況如 圖 、 圖 。 （ 4）車模直立控制調試：只啟動車模直立控制，調整兩個控制參數：傾角比例和角速度比例，使得車模能夠穩定的直立。在此過程中，測試車模電機死區補償電壓數值： MOTOR_OUT_DEAD_VAL。 } else if(g_nCarSpeedCount == 4) { g_nCarMagicLeftAverage = (int)CV_MAGNETLEFT_VAL。 CarAngleAdjust()。 if(!MOTOR_LEFT_SPEED_POSITIVE) g_nLeftMotorSpeed = g_nLeftMotorSpeed。 g_nCarSpeedCount ++。 long lnDelta。 程序 車模速度控制子程序 車模方向控制子程序 車模方向控制是通過比較車模兩個電感檢波電壓進行的。 g_nMotorOutSpeedNew = (g_nMotorOutSpeedKeep 3) nP。 nLeftSpeed = (int)g_nLeftMotorSpeedCount。 計算得到 g_nLeftMotorSpeedOut， g_nRightMotorSpeedOut。 if(g_nLeftMotorOut MOTOR_OUT_MIN) g_nLeftMotorOut = MOTOR_OUT_MIN。 nSpeed = nD + nP。 由于現在還沒有加入速度閉環，所以由于加速度傳感器零偏的誤差，會導致 車模在直立的時候會往一個方向加速行駛。 g_lnCarAngleSigma += (g_nCarGyroVal + lnDeltaValue)。 安徽理工大學畢業設計 31 g_nCarAcceVal = (int)lnDeltaValue。為了不損失積分的精度，使用一個長整型數字 (g_lnCarAngleSigma)進行積分。這個數值會帶有一定的誤差，往往會使得車模往一個方向加速行駛。 nLeftVal = nLeftVal 4。 if(nLeftVal 0) nLeftVal += MOTOR_OUT_DEAD_VAL。對于電機施加比較小的電壓時， 由于存在靜摩擦力，車模實際上是不運動的。 setReg(PWM_PWMVAL3, nRightVol)。 nLeftVol = mult(nLeftVol, nPeriod)。 具體的程序參見如程序 所示。因此，速度調節的周期為 100 毫秒。由于 AD 轉換啟動到完成需要一定時間。 安徽理工大學畢業設計 26 中斷程序框架如圖 所示。 程序在主循環中不停發送監控數據，在通過串口發送到上位機進行監控。這兩 類任務之間可以通過全局變量實現相互的通訊。 電磁線檢測電路 道路中心線的電磁線檢測是保證車模能夠運行在賽道上。 每個光電管輸出兩個脈沖信號，它們波形相同，只是相位相差 90176。 圖 電機驅動電路 為提高電源的應用效率，驅動電機的 PWM 波形采用單極性的驅動方式。由于加速度傳感器采用是低 g 值的傳感器 MMA7260，它 的輸出信號非常大，不需要再進行放大。 單片機的最小系統電路如圖 所示。 d) 輔助調試：（備用） 1 到 3 路，用于車模調試、設置作用。此時車模直立控制算法也會相應調整車模出于直立狀態，車模恒速運行。 可通過單片機軟件實現上述控制算法。為了避免該信號對于角度 θ的影響，因此比例系數 Tg應該非常小。 由于從陀螺儀的角速度獲得角度信 息，需要經過積分運算。它利用了旋轉坐標系中的物體 會受到克里利奧力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動單元。當傾 θ比較小的時候，輸出電壓的變化可以近似與傾角成正比。由于加速度使得機械懸臂與 兩個電極之間的距離發生變化，從而改變了兩個電容的參數。 安徽理工大學畢業設計 11 車模傾角測量 通過測量車模的傾角和傾角加速度控制車模車輪 的加速度來消除車模的傾角。 對于電機速度 PID 控制方法如圖 所示。其中，在加速階段，電機帶動車模后輪進行加速運動，加速度近似和施加在電機 上的電壓成正比，加速階段的時間長度取決于時間常數T1，該常數由電機轉動慣量、減速齒輪箱、車模的轉動慣量決定；在恒速階段，電機帶動車模后輪進行恒速運行，運行速度與施加在電機上的電壓成正比。 電機的運動控制有三個作用： （ 1） 通過電機加速度控制實現車模直立穩定。顯然，如果 k1 g，（ g是重力加速度）那么回復力的方向便于位移方向相反了。存在一個阻尼臨界阻尼系數，使得單擺最快穩定在平衡位置。在空氣中運動的單擺，由于受到空氣的阻尼力，單擺最終會停止在垂直平衡位置。 圖 通過車輪運動控制保持車體直立 那么車輪如何運行，才能夠最終保持車體垂直穩定？為了回答這個問題，一般的做法需要建立車模的運動學和動力學數學模型，通過設計最優控制來保證車模的穩定。通過手掌移動抵消木棒的傾斜角度和趨勢，從而保持木棒的直立。三者之間的配合如圖 所示。車模運動控制任務可以分解成以下三個基本任務： （ 1） 控制車模直立：通過控制兩個電機正反向運動保持車模直立狀態； （ 2） 控制車模速度：通過控制兩個電機轉速速度實現車模行進控制； （ 3） 控制車模轉向：通過控制兩個電機之間的轉動差速實現車模轉向控制。 本課題的研究內容 本課題的主要研究內容包括： （ 1）競賽用智能賽車系統的總體設計，圍繞智能賽車系統要求，從而確定了控制系統的硬件設計和軟件設計方案。智能車輛的一個基本特征是在一定道路條件下實現全部或者部分的自動駕駛功能。本系統是以飛思卡爾 MC9S12XS128 單片機為核心通過傳感器識別道路的智能 車控制系統。 與以往的專業競賽不同，智能汽車競賽是以快速發展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳 感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉的科技創新比賽，己經成為各高校展示科研成果和學生實踐能力的重要途徑，同時也為社會選拔優秀的創新人才提供了重要平臺。該自主駕駛轎車在正常交通情況下，在高速公路上行駛的最高穩定速度為 130 公里 /小時，最高峰值速度為 170 公里 /小時，并且具有超車功能，其總體技術性能和指標已經達到世界先進水平。為了能夠方便找到解決問題的辦法，首先將復雜的問題分解成簡單的問題進行討論。 在上述三個任務中保持車模直立是關鍵。 車模直立控制 控制車模直立的直觀經驗來自于雜技表演。因為車模有兩個輪子著地，因此車體只會在輪子滾動的方向上發生傾斜。如圖 所示。 如果沒有阻尼力，單擺會在垂直位置左右擺動。 控制倒立擺底部車輪，使得它作加速運動。其中， k1決定了車模是否能夠穩定到垂直位置，它必須大于重力加速度； k2 決定了車模回到垂直位置的阻尼系數，選取合適的阻尼系數可以保證車模盡快穩定在垂直位置。施加在電機上一個階躍電壓 Eu(t),電機的速度變化曲線為 ω (t)=Ekm(1et/T1)u(t) (24) 式中， E為電壓； u(t)為單位階躍函數； T1為慣性環節時間常數； km為電機轉速常數。電機速度控制需要測量電機的轉速，電機旋轉速度可以通過安裝在電機輸出軸上的光電編碼盤方便獲得。如圖 所示。該系列的傳感器采用了半導體表面微機械加工和集成電路技術，傳感器體積小，重量輕。車模直立時，固定加速度器在 Z 軸水平方向，此時輸出信號為零偏電壓信號。因此對于車模直立控制所需要的傾角信息需要通過另外一種器件獲得，那就是角速度傳感器 陀螺儀。因此該信號中噪聲很小。從圖 ，對于加速度計給定的角度 θg，經過比例、積分環節之后產生的角度 θ必然最終等于 θg 。此后，加速度計的輸出只是消除積分的偏移，輸出角度不會出現很大的偏差。 車模加速前進時，由速度控制算法給出電機增加的正向電壓，電機開始逐步加速旋轉。 系統的輸入輸出包括： （ 1） AD 轉換接口（至少 4 路） a) 電磁監測：左右兩路，用于測量左右兩個感應線圈電壓。 整體電路框圖如圖 安徽理工大學畢業設計 17 圖 整體電路框圖 根據圖 ，控制電路劃分為如下子模塊： （ 1） 單片機最小系統：包括 DSC 處理器，程序下載調試接口等； （ 2） 電磁線檢測：包括兩路相同的電磁感應信號放大與檢波電路； （ 3） 陀螺儀與加速度計：包括兩個姿態傳感器信號放大濾波電路； （ 4） 速度檢測：檢測電機光電碼盤脈沖頻率； （ 5） 電機驅動 ：驅動兩個電極運行電路； （ 6） 電源：電源電壓轉換、穩壓、濾波電路； （ 7） 設置與調試：顯示系統運行狀態、速度設定、程序下載與監控。 （ 5） 串口監控 UART 接口： a) RXD（ PIN1）； b) TXD（ PIN3）。實際的電路圖如圖 。 圖 兩片 33886 組成的電機驅動電路 為了防止電機輸出電流對于電源的沖擊，在電路板的電源輸入（ ） 端口并聯了一個 1000 微法的電容。通過他的頻率測量得到電機的轉速。第二類包括 45 功能。 初始化完成后，首先進入車模直立檢測子程序。然后重新進入車模直立判斷過程。 這些任務包括： （ 1）電機測速脈沖計數器讀取與清除。包括車模角度計算、直立控制計算、電機 PWM 輸出等。 函數輸入參數： nLeftVol， nRightVol：分別表示左右兩個電機輸出電壓數值。 setReg(PWM_PWMVAL1, nLeftVol)。} else {setReg(PWM_PWMVAL2, 0)。 輸出參數：調用 MOTOR_SET()實際上就是上面的子程序。 void MotorSpeedOut(void) { int nLeftVal, nRightVal。 if(nLeftVal MOTOR_OUT_MIN) nLeftVal = MOTOR_OUT_MIN。 對于讀取的陀螺儀和加速度計的數值需要減去零偏值。具體的方式為：對于陀螺儀的輸出進行積分，將車模由垂直狀態放置為水平狀態，得到積分的數值。 ADC_GetValue16(g_nCarVoltage)。 g_nCarAngle = (int)(g_lnCarAngleSigma 10)。此時再逐 步增大 CAR_AA_D_INT，消除震蕩。 nP = (int)mult_r(nP, CAR_AA_P_INT)。 g_nLeftMotorOut = nLeft 6。其中速度采用了左右電機速度的平均值進行計算。 速度控制子程序代碼如下： void MotorSpeedAdjustCal(void) { int nLeftSpeed, nRightSpeed。 nI = mult_r(nDeltaValue, MOTOR_SPEED_I_INT)。 nValue = nValue * (g_nCarMotionCount + 1) / (CAR_MOTION_PERIOD 1) + g_nMotorOutSpeedOld。然后再乘以一個比例系數 CMA_P_MAX。 nP = (int)(lnDelta * CMA_P_MAX / nSigma) / 2。 ClearMotorSpeed()。 g_nRightMotorSpeedCount += g_nRightMotorSpeed。 安徽理工大學畢業設計 35 g_nRightMotorSpeedCount = 0。實際優化參數需要通過一定的工程步驟最終確定，這個過程稱為參數整定。此時禁止車模直立控制環節，通過讀取加速度計的數值，判斷車模是否直立或者跌倒，通過外部的 LED 顯示結果。然后再給定一個設定速度，車模可以穩定的前行或者后退。這樣后輪與車體之間形成一個剛體，便于進行直立控制。如圖 所示 圖 使用復合膠水將光電碼盤固定在電機輸出軸上 安徽理工大學畢業設計 38 粘合碼盤之后，再固定檢測光電對管。 安徽理工大學畢業設計 39 圖 電磁傳感器安裝支架示意圖 為了避免車模在通過十 字交叉線路口時受到的影響，在固定兩個電感線圈的時候，盡量保持這兩個線圈呈水平位置。 此外，也可以在防撞支架上安裝車模跌倒檢測開關，一旦車模