电磁组东北师范大学东狮三队技术报告word版本文档格式.docx
- 文档编号:21426902
- 上传时间:2023-01-30
- 格式:DOCX
- 页数:54
- 大小:4.60MB
电磁组东北师范大学东狮三队技术报告word版本文档格式.docx
《电磁组东北师范大学东狮三队技术报告word版本文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电磁组东北师范大学东狮三队技术报告word版本文档格式.docx(54页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
本文根据第七届全国大学生飞思卡尔的竞赛规则制作了一种磁导航两轮自平衡车模。
该智能车系统以飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128为控制芯片,以陀螺仪、加速度计为角速度和角度检测装置,以一排六个10mH电感为路径检测的主要传感器,以光电编码器作为智能车的测速装置。
在调试过程中,在硬件上,不断降低车的重心来提高车的稳定性。
在软件上,利用MC9S12XS128的串口通信功能将角度、角速度、速度和路径传感器采集到的信息发送给上位机,用DigitalScope显示这些信息,进行软件调试。
在软件调试中我们对比了卡尔曼滤波和互补滤波的优劣并最终确定了卡尔曼滤波为陀螺仪和加速度计融合的算法,来为直立控制服务。
综合增量式PID算法对速度和前进方向进行调节控制,结合闭环控制的策略,控制智能车及时调整车身的行驶速度和运动姿态,使其准确、快速的跑完全程。
关键词:
两轮自平衡智能车,MC9S12XS128微控制器,卡尔曼滤波,电磁传感器,增量式PID
Abstract
Twoself-balancedvehiclemovementisflexible,simplestructure,suitableforworkingintightspaces,tocompletethecomplexmovementsandoperationofwhatthemulti-wheeledrobotcannotcomplete,hasabroadapplicationprospects.UnderthecompetitionrulesoftheSeventhNationalStudentsFreescalehasproducedamagneticnavigationtwoself-balancingCars.
TheintelligentvehiclesystemuseFreescale'
s16-bitMC9S12XS128microcontrollerasitsbrain,gyroscopes,accelerometersasdetectiondeviceofangularvelocityandangle,arowofsix10mHinductanceaspathdetectionsensors,opticalencoderasasmartcarspeedmeasuringdevice.Intheprocessofdebuggingonthehardware,thecenterofgravityofthecarisloweredtoimproveitsstability.Astosoftware,theserialcommunicationfunctionoftheMC9S12XS128isusedtosendinformation,angle,angularvelocity,speedandpathofthesensor,tothehostcomputer,thentheDigitalScopeisusedtofinishsoftwaredebug.Forsoftwaredebugging,wecomparedtheprosandconsoftheKalmanfilterandcomplementaryfilter,andfinalizetheKalmanfilterasalgorithmfusionofgyroscopesandaccelerometersfortheverticalcontrolling.IncrementalPIDalgorithmisusedforregulationandcontrollingofspeedandtheforwarddirection.Itcombinedwiththeclosed-loopcontrolstrategy,theycontroltheintelligentvehicleinatimelymannertoadjustthespeedandathleticstanceofthebodysothatitisaccurate,fasttofinishthewholetrack.
Keywords:
atwo-wheeledself-balancingelectricvehicle,theMC9S12XS128microcontroller,Kalmanfiltering,electromagneticsensors,incrementalPID
第一章引言
1.1比赛背景介绍
随着科学技术的不断发展进步,智能控制的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域。
智能车技术依托于智能控制,前景广阔且发展迅速。
目前,掌握着汽车工业关键技术的发达国家已经开发了许多智能车的实验平台和商品化的车辆辅助驾驶系统。
有研究认为智能汽车作为一种全新的汽车概念和汽车产品,在不久的将来会成为汽车生产和汽车市场的主流产品。
面向大学生的智能汽车竞赛最早始于韩国,全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛从2006年开始已经举办了六届,得到了各级领导及各高校师生的高度评价。
大赛为智能车领域培养了大量后备人才,为大学生提供了一个充分展示想象力和创造力的舞台,吸引着越来越多来自不同专业的大学生参与其中。
今年电磁组在往年四轮车的基础上有了较大的改动,组委会要求电磁组的车模实现直立行走,车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式,让车模以两个后轮驱动进行直立行走。
近年来,两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。
国内外有很多这方面的研究,也有相应的产品。
两轮自平衡车作为一种本征不稳定轮式移动机器人,具有多变量、非线性、强耦合和参数不确定等特点,这使得它成为验证各种控制算法的理想平台。
同时它运动灵活、结构简单,适于在狭小的空间工作,有着广泛的应用前景。
两轮自平衡机器人能够完成多轮机器人无法完成的复杂运动及操作,特别适用于工作环境变化大、任务复杂的场合,如空间探索、地形侦察、危险品运输等,此外,还可以用于玩具、教育和服务机器人等领域。
开展两轮自平衡机器人的研究对于提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。
1.2本文章节安排及文献综述
本文系统的介绍了制作直立行走智能模型车的各项技术。
具体章节安排如下:
第一章引言介绍了本次比赛的背景,讲述了两轮平衡车的研究意义,引出下文。
第二章智能车设计思想概述在本章节中我们从车模的机械、硬件电路和软件设计思想出发,阐述模型车设计制作的主要思路以及实现的技术方案的概要说明。
第三章机械结构设计与安装介绍了智能车的搭建与调整,以及电感线圈、光栅编码器与电路板的安装。
应用了一些相关的汽车理论知识。
第四章硬件系统设计及实现分析智能车系统各组成部分为实现特定功能应采用的电路形式,尽可能达到最好效果并使之能有效地降低噪声、抑制各电路间的干扰。
第五章软件系统设计与实现介绍了本智能车系统的初始化、传感器数据归一化、阈值设定、卡尔曼滤波和互补滤波的对比、PID算法简介、PID参数整定以及路径取优的方法。
第六章开发与调试工具的使用介绍了软件开发的环境,以及模型车参数调试工具。
我们软件开发环境为Metrowerks公司开发的软件集成开发环境Codewarrior,因此,我们仔细研究了Codewarrior使用指南。
第七章模型车的主要技术参数以表格形式列出了模型车的重量,电路功耗,传感器种类等技术参数。
第八章总结与展望总结了几个月来的工作,总结了几点模型车的不足之处和改进方向。
第二章智能车设计思想概述
2.1系统方案设计的要求、任务与目标
本届电磁组智能车要求直立行走,车模直立行走比赛是仿照两轮自平衡电动车的行进模式,让车模以两个后轮驱动进行直立行走。
车模在直立的基础上还要实现速度和方向的控制,最终使智能车能够在指定的轨道上实现稳定快速循迹。
本参赛队设计基于MC9S12XS128单片机的自动控制器,控制模型车在封闭的跑道上自主直立循线运行。
比赛跑道表面为白色KT板,宽度为45cm。
中心粘贴有直径0.1-0.8mm漆包线,其中通有20kHz,100mA的交变电流。
频率范围20k±
1k,电流范围100±
20mA。
在保证模型车运行稳定又不冲出赛道的前提下,跑完一圈的时间越短,成绩越好。
本系统以单片机为核心,配合有传感器、电机、电池以及相应驱动电路。
同时对机械结构进行必要的调整,在保证智能车可靠运行前提下,设计简洁紧凑的电路,选择合适的控制算法从而达到最终的目标:
灵活、快速、稳定、节能。
我们的设计理念是:
降低重心,增加前瞻,增加舵机的灵活性。
2.2系统硬件结构概述
图2.1系统流程图
本系统采用飞思卡尔公司16位微控制器MC9S12XS128为主控制芯片;
采用日本村田公司的陀螺仪ENC-03测量角速度,飞思卡尔公司的MMA7361测量角度;
采用工字型10mH电感作为路径检测传感器;
直流电机作为被控对象。
如图2.1是系统流程图。
其中主控芯片MC9S12XS128是一款16位微控制器。
包括一个16位中央处理单元(MC9S12XS128CPU),128KB闪速FLASH,14KBRAM,4KBEEPROM,两个异步串行通信接口(SCI),三个串行外设接口(SPI),一个8通道IC/OC增强型捕捉定时器,两个8通道,10位模数转换器(ADC),一个8通道脉冲发生器(PWM)一个数字链接控制器(BDLC),29个离散数字I/0通道(PortA,PortB,PortK和PortE),20个带有中断和唤醒功能的离散数字I/O,五个兼容CAN2.0A,B的CAN总线(MSCCAN12)和一个Inter-IC总线。
MC9S12DP512有16位通道,但是外部总线可执行8位模式因此可以连接8位存储器。
加入一个PLL电路,允许电源功耗和性能的调整以满足各种需要。
本系统用到DP512的ADC、PWM、ECT、I/O以及SCI等模块,微控制器功能分配图如图2.2所示。
图2.2微控制器功能分配图
2.3系统软件结构概述
系统硬件是整个系统的基础,系统软件结构要根据硬件和控制需求来制定。
其基本软件流程为:
第一步,初始化各功能模块和控制参数;
第二步,从陀螺仪和加速度计分别获得当前车的角速度和角度;
第三步,利用得到的角度和角速度信息进行直立控制;
第四步起动车模的方向控制,从获取的赛道路径信息中识别出赛道位置,从而控制转向;
第五步根据检测到的速度,结合由赛道信息得出的速度控制策略,采用PID对电机进行反馈控制,对赛车速度不断进行调整。
在整个控制过程中,对车模进行跌倒保护,一旦车模跌倒电机立即停止运行,避免模型车的损坏。
系统的基本软件结构如图2.3所示。
图2.3控制流程图
第三章机械结构的设计与安装
本文在第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛组委会提供的电磁组C车模基础上进行智能车的组装和设计。
机械结构是智能车能够行驶的根本,对于本届的直立车来说更是重中之重。
3.1车体结构及重心的布局
模型车在行驶过程中只能两个轮子着地,车身要直立,所以模型车的车体重心要尽可能低且稍向前。
为了较少车模的惯量,要尽量减轻车体的质量。
如图3.1是车整体图。
图3.1智能车的整体图
3.1.1车体改装与加固
对于直立车来说,模型车的前轮就是累赘了,所以将模型车的前轮及相关部件拆掉后如图3.1所示。
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。
此外,为了模型车的刚性更强,在车底盘的后轮支架与底盘的缝隙处使用电路板进行固定,如图3.2所示。
图3.2电路板固定车体图
3.1.2电池的安装
电池是车模上所有部件最重的一个,为了降低车模重心,将电池安装在车模后面最靠近车轴的位置。
这是针对官方方案的一大突破和创新。
图3.3电池安装位置图
3.2车模各个电路模块的安装
3.2.1主控板的安装
主控板是另一个比较重的部分,且其面积较大,将它安装在车身前面中部。
如图3.4是主控板安装位置。
图3.4主控板安装位置图
3.2.2角速度及加速度传感器的安装
为了减小车模运行时前后振动对于测量倾角的干扰,将带有陀螺仪和加速度计的传感器电路板固定在车身后面偏下的位置。
如图3.5是陀螺仪和加速度计安装位置。
图3.5陀螺仪、加速度计传感器的安装
3.2.3道路检测模块的安装
道路检测模块包括两部分,一个是电感支架部分,另一个是放大检波电路部分。
电感支架部分采用质轻、刚性好的碳素杆。
如图3.6是电感支架安装方法。
图3.6电感支架的安装
3.3其他机械结构的调整
测量车模倾角的陀螺仪和加速度计对于安装的要求很高,所以在实际测试过程中要精细的调整传感器的水平。
如果陀螺仪安装不能够保证水平,则会影响车模过弯时的速度。
表现为车模过弯时加速或减速。
当车模过蝴蝶十字时,两个过弯时车模的速度差不多就表示传感器安装的比较水平了。
齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。
齿轮传动部分安装位置的不恰当,会大大增加电机驱动中间差速器的负载,会严重影响最终成绩。
调整的原则是:
两传动齿轮轴保持平行,齿轮间的配合间隙要合适,过松容易打坏齿轮,过紧又会增加传动阻力,浪费动力;
传动部分要轻松、顺畅,不能有迟滞或周期性振动的现象。
判断齿轮传动是否良好的依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。
声音刺耳响亮,说明齿轮间的配合间隙过大,传动中有撞齿现象;
声音闷而且有迟滞,则说明齿轮间的配合间隙过小,或者两齿轮轴不平行,电机负载变大。
调整好的齿轮传动噪音很小,并且不会有碰撞类的杂音,后轮减速齿轮机构就基本上调整好了,动力传递十分流畅。
第四章硬件系统设计与实现
硬件电路设计是智能车系统的基础。
本系统以MC9S12XS128为核心控制处理器,建立最小系统,并在此基础上集成了下载、调试以及外围接口等电路,形成了完备的调试控制中心电路。
智能车的硬件电路主要包括主控板模块(电源模块、最小系统模块、电机驱动模块、显示调试模块)、角速度与加速度传感器模块、道路检测模块、测速模块。
智能车系统的硬件电路结构框图如图4.1所示。
图4.1硬件电路结构框图
4.1主控板模块
主控板板模块是本系统的核心模块。
本次智能车与往届不同,采用的是两轮直立运行,根据前面机械结构的要求,并且为了减少电路板与电路板之间的连线,我们的主控板要尽可能的做小、做集成。
所以此主控板模块主要包括四个小模块,它们是电源模块、最小系统模块、电机驱动模块、显示调试及计数模块。
主控板的PCB设计图如图4.2所示。
图4.2主控板的PCB设计图
4.1.1电源模块
电源模块是其他各个模块运行的电能来源,它从电池获取电能,然后经过串联型线性稳压电源芯片LM2940CT的转换,为整个系统提供稳定的5V电压。
常用的电源有串联型线性稳压电源(LM2940、7805等)和开关型稳压电源(LM2576、LM2596等)两大类。
前者为低电压稳压芯片,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,但电路却比较复杂,电路的纹波大。
考虑到电路板的大小,我们采用电路结构简单的LM2940进行供电,并且使用的四片,可以有效地防止各器件之间发生干扰,以及电流不足的问题,使得系统能够稳定地工作。
电源模块的电路原理图如图4.3所示。
图4.3电源模块的电路原理图
电池电压从VCC_POWER端输入,5V电压从VCC1端输出。
这样的电路共有四个。
为了和电机驱动不产生干扰,电源模块位于主控板的最下面。
4.1.2最小系统模块
最小系统模块是在MC9S12XS128单片机的基础上扩展下载、串口调试等接口。
这里我们主要设计的是串口,即通过MAX232芯片来完成电平的转换。
最小系统模块电路原理图如图4.4所示。
图4.4最小系统模块电路原理图
4.1.3电机驱动模块的设计与绘制
电机驱动模块对于小车来说就像是“肌肉”,肌肉越发达,运动越有动力。
模型车后轮有两个电机,电机的型号为RN260-CN/18130,工作电压为7.2V,最大效率点电流为0.679A,转速为13050r/min。
工作电流为1.537A,转速为8044r/min时,电机的工作效率最大。
BTS7960是应用于电机驱动的大电流、半桥高集成芯片,它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。
P沟道高边开关省去了电荷泵的需求,因而减小了EMI(电磁干扰)。
集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。
BTS7960通态电阻典型值为16mΩ,驱动电流可达43A。
综上所述,我们采用两片BTS7960构成一个全桥驱动。
由于BTS7960是大电流驱动芯片,故需要在单片机控制信号的输出和BTS7960的IN端之间加入74LS244反相器起到隔离保护的作用。
防止电路出现过流、短路等故障时,大电流流入单片机使单片机损坏。
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(7.2V)端口并联了一个220uF的电容。
所以我们设计的电机驱动模块原理图如图4.5所示。
图4.5电机驱动模块原理图
在绘制PCB板时,我们考虑到电机驱动中流过的电流比较大,并且考虑到模拟电路和数字电路间的隔离问题,这对电路布局以及布线等提出了更严格的要求。
针对以上问题,首先,电机驱动部分电路的走线相比于其他数字部分采用2mm宽度和0.7mm宽度,这就最大限度防止了导线宽度对于电流大小的限制。
4.1.4测速计数及显示调试模块
两轮直立车有两个电机分别控制两个车轮,这样在车子控制中就需要有两个测速装置(两个光电编码器),一个光电编码器脉冲数读取采用单片机的脉冲累加器,另一个则选用外部计数器来计数然后通过I/O口来读取。
两个计数装置同时工作,节省了控制所需时间。
为了使车子质量尽量的轻,显示调试部分只有8位拨码开关和8个0805封装的LED分布在主控板两侧。
外部计数原理图如图4.6所示,显示及调试原理图如图4.7所示。
图4.6外部计数原理图
图4.7显示及调试原理图
4.2角速度与加速度传感器模块
为了使车模直立,通过测量车模的倾角和倾角速度控制车轮的加速度来消除车模的倾角。
这就需要加速度传感器和陀螺仪来实现。
根据官方参考电路图,我们绘制了相应的电路原理图及PCB图,如图4.8、4.9所示。
图4.8角速度及加速度传感器原理图
图4.9角速度及加速度传感器PCB图
4.2.1陀螺仪、加速度传感器的调整
在实际使用中,陀螺仪输出信号较小,通过调节电路中的个别电阻的阻值,最后得到了较理想的输出。
4.3道路检测模块的设计
道路检测模块是智能车的重要组成部分,相当于智能车的“眼睛”。
本届电磁组的赛道仍然是20KHz、100mA的交流电,所以要设计电磁线检测电路。
我们需要选择适合车模竞赛的检测方法,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。
由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低,价格比较高。
因而我们选取最为传统的电磁感应线圈,它具有原理简单、价格便宜、体积小、频率响应快、电路实现简单等特点。
感应线圈采用市面上常见的工字型电感。
4.3.1工字型电感的选型及排布
首先,我们选定了两种规格的工字型电感:
6*8mm,8*10mm。
分别使用这两种规格的电感进行电路实验发现,两种电感的检测效果基本一致,综合质量因素,我们决定使用6*8mm的工字型电感。
然后,我们开始研究要选择几个电感,这几个电感又如何排布。
根据毕奥萨伐尔定律可知,通过水平放置的电感线圈检测的电压值可以估计车子中心距离电磁线缆的距离,这个距离是我们控制车子转向的依据。
车子的限制宽度为25cm,为了检测范围更广,选定放置电感线圈的支架长度同样为25cm。
据此,我们得出两个方案。
图4.10电感布局
方案一:
采用两个电感。
采用两个电感进行方向控制时,使用左右两个线圈感应电动势之差除以感应电动势之和,利用比值来控制可以消除检测线圈角度的影响。
当两个电感位于25cm固定板条的两侧时,即两个电感分别放置在1号,6号两个位置。
电感反馈回来的道路信息在固定板条中心附近几乎检测不出来,不能全面反应道路信息。
当两个电感位于25cm固定板条的3号,4号两个位置时,两边的道路信息又不够清晰。
所以两个电感的方案被否决。
方案二:
采用四个电感。
此时的方向控制,我们选取“全局求位置法”来判断道路信息。
全局求位置法介绍:
通过各个传感器的信号可以计算出电磁线的位置,较简单的办法是用类似于长杆求重心的方法,将各个传感器的输出分别乘以传感器为之后求和,再除以所有传感器输出之和就可得到连续的位置信息。
在用这个方法之前,还需要做一些准备工作。
由于不同的传感器具有差异,直接用A/D转换结果计算的误差较大。
所以具体操作为:
程序开始前让每个传感器在赛道上进行扫描,分别记录每个传感器输出信号的最大值Max(对应读到中心的情况)和最小值Min(对应远离中心的情况),用最大值减去最小值得到每个传感器在赛道上的输出范围,在小车形式的过程中将每个传感器输出的信号减去最小值,再除以该传感器的输出范围即可得到其相对输出值,再用每个传感器的相对值与传感器位置作加权平均得到的结果即为车子相对于电磁线的位置。
公式为
公式1
其中,pos为位置;
vn为第n个传感器的相对输出值;
pn为第n个传感器的位置。
综上所述,并且考虑到各种弯道,道路检测采用四个水平放置的电感1,3,4,6外加2号,5号两个倾斜45度的电感。
最后电感布局PCB图如图4.11所示。
图4.11电感布局PCB图
4.3.2电磁放大检波电路的比较与选择
三级管电磁放大检波电路简单实用,已经在比赛中得到了广泛的使用。
如果需要进一步提高检波的灵敏度,可以再增加一级三极管放大电路。
使用三极管组成的分立元件的放大检波电路存在着以下缺点:
(1)工作点电压调整比较复杂;
(2)电路的放大倍数依赖于三极管的电流放大倍数和基极导通阻抗等
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电磁 东北师范大学 东狮三队 技术 报告 word 版本