电磁组-华南理工大学-Crusader技术报告

第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：华南理工大学队伍名称：Crusader参赛队员：施尚军陈迪王艺霖带队老师：陈安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七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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：目录第一章引言 (1)1.1 概述 (1)1.2 系统框架图及车模 (1)第二章硬件设计 (3)2.1 电源模块 (3)2.2 K10最小系统模块 (4)2.2.1 电源稳压电路 (4)2.2.2 J-TAG调试接口 (4)2.2.3 单片机外部接口 (5)2.2.4 其他外围电路 (5)2.3 加速度及陀螺仪模块 (6)2.4 电磁传感器运放电路 (7)2.5 电机驱动模块 (8)2.6 速度检测模块 (9)2.7 调试模块 (10)2.7.1 无线调试模块 (10)2.7.2 液晶调试模块 (10)2.7.3 拨码开关 (11)第三章软件设计 (12)3.1 程序流程图 (12)3.2 自平衡环节 (12)3.3 赛道检测 (15)3.4 软件滤波 (17)3.5 PID控速 (18)3.6 上位机分析数据 (19)第四章车模主要技术参数 (21)第五章结论 (22)参考文献 (23)第一章引言1.1 概述“飞思卡尔”全国大学生智能车比赛今年进行到第七届，比赛规则完善，为广大同学提供了一个良好的学习提高的平台。

第七届比赛，在原来电磁组的基础上要求车子只用两个轮子直立前进，这使得参赛选手对传感器的使用有更高的要求。

两轮直立车是一个倒立摆的模型，如何通过加速度计、陀螺仪控制车子稳定直立，这个早已有研究，大赛秘书处也给出了参考方案，这使得参赛队员比较容易入门，大赛的门槛很低。

电磁检测与光电组、摄像头组的检测有本质上的不同，而如今车子还要直立前进，这样车子跑起来的算法结构跟光电组、摄像头组有进一步的不同。

为了能学到更多的知识，我们从2011年10月份就开始备赛，综合上几届留下来的经验，继续加强在电源管理、噪声抑制、驱动优化、整车布局等方面的研究工作。

同时，对电磁传感器以及今年新增的自平衡需要的加速度计、陀螺仪进行了深入的研究，利用传感器所得信息实现了对赛车直立、前进的控制，使得赛车能够满足高速情况下的稳定性需求，获得了良好的结果。

本技术报告将针对多种传感器的设计安装、电路设计、控制算法等方面进行阐述，并对车子的机械安装做一些简要的说明。

1.2 系统框架图及车模整个车子的工作过程大致如下：对于平衡板块，加速度计与陀螺仪取得的值输入到K10，K10通过滤波算法得出车子的角度，调整电机输出使得车子直立；对于行走板块，电磁传感器取得赛道电磁特性，K10通过赛道算法得出车子当前位置，结合测速传感器读到的值，对电机进行PID控制。

图1.1 智能车的系统框架图机械结构方面，我们的车子电池放在背面，车身往前倾，这样可以让车的重心更低，如下图所示：图1.2 车子外观图第二章硬件设计2.1 电源模块供电部分是整个系统最关键的一部分，由于单片机、放大电路、电机驱动等模块的工作电压均不一致，要求的电压纹波系数也不同，我们采用了多种稳压芯片为整个系统提供稳定工作的电压，其分配图如下：图2.1 电源分配图供电模块有多种选择，由于开关电源纹波系数较大，最后我们选择了7805稳压芯片作为5V供电芯片；3.3V对电源的要求更高，经过一些筛选测试最后我们用了2块1117，输出端接一个适当的电容以虑开系统的高频干扰；-5V的变压则没有前面两个电源的要求高，最后我们选了LT1054为电磁运放电路供电。

2.2 K10最小系统模块本次比赛我们队伍使用的单片机是飞思卡尔公司生产的K10系列的PK10FN512VLQ12，国内没有供应，只能申请样片，因此核心板只能由自己画。

核心板上面我们有一个电源稳压电路将5V转换为3.3V给单片机供电，J-TAG调试口方便调试，此外还将大部分引脚都引了出来。

2.2.1 电源稳压电路图2.2 单片机电源稳压电路1117已经可以为单片机提供稳定的3.3V电压，而AD参考电压方面则是用了大量的电容、电感以虑开3.3V稳压芯片的高频噪音。

2.2.2 J-TAG调试接口图2.3 J-TAG调试接口J-TAG调试接口可以很方便地实现下载、在线调试等功能。

2.2.3 单片机外部接口图2.4 单片机引脚K10的外设资源丰富，我们将绝大部分引脚都引了出来，方便利用。

2.2.4 其他外围电路图2.5 单片机其他外围电路上图中，左边的是晶振，这个为单片机工作提供了必要保障。

中间的是电源指示灯，能清楚知道单片机是否处于工作状态。

右边的是复位电路，可以软启动单片机。

2.3 加速度计及陀螺仪模块加速度计使用飞思卡尔公司生产的MMA7260，陀螺仪使用村田公司的ENC-03M，这两个模块关系到小车的自平衡系统能否稳定工作，所以需要将传感器自带的高频干扰、温漂虑开，其电路如下：图2.6 加速度计、陀螺仪电路2.4 电磁传感器运放电路电磁传感器的摆放对车子的行走有很大的影响，放大电路的放大倍数、频率特性也决定了电磁信号能否完好地传给单片机。

竞赛秘书处早在第五届就给出了一个电磁信号放大的方案，采用的是三极管放大。

此电路很简单，但是有明显的不足之处，第一是单个三极管的放大倍数太小；第二是放大倍数的调整不方便；第三则是电路中三极管的发射极没有接电阻，这使得此放大电路对温漂没有抑制作用，三极管的静态工作点受温度影响大，导致工作不正常。

运放跟三极管相比，有很大的优势，其放大倍数可调并且调整方便、范围大，运放工作稳定，受温度的影响小。

运放的输出需要一个整流电路，二极管半波整流电路简单，使用的元件少，并且精度达到系统的要求，最后我们的放大、整流电路如下：图2.7 电磁运放、整流电路2.5 电机驱动模块电机驱动影响到车子的加速性能，C车使用了两个电机，功率都比较小，经过筛选，最后我们使用了两片7970拼成H桥作为电机驱动，其电路图如下：图2.8 电机驱动2.6 速度检测模块速度检测模块使用双线编码器，其得到的信号传给单片机的FTP即可完成对速度的读取。

2.7 调试模块为了现场调试的方便，我们做了几个调试模块。

2.7.1 无线调试模块图2.9 无线调试模块上图中，左边的是RF无线通讯模块，用于将数据传回电脑上位机拟合图像分析数据。

右边的是蓝牙通讯模块，主要用于串口调参数，这样就可以不用那么频繁地刷单片机。

2.7.2 液晶调试模块图2.10 液晶调试模块为了方便地在新场地调参数，我们做了一个液晶显示模块以及键盘以调试。

2.7.3 拨码开关比赛现场是不允许刷写单片机程序以及使用无线模块调试的，为了适应各种场地不同因素的变化，我们做了一排拨码开关用于调节车子主要的参数。

第三章软件设计3.1 程序流程框图图3.1 程序流程图主程序要尽量写得简洁，而对于单片机丰富的中断我们只用了1ms的时钟中断，利用这个时钟作为一个基础时间块，方便调整控制频率，经过测试，2ms到20ms的控制周期均可满足车子自平衡、行走的要求。

3.2 自平衡环节自平衡环节是两轮直立车最基本也是最重要的一个功能。

加速度计和陀螺仪测量得到的加速度以及角速度信息传给单片机之后，需要进一步的处理。

加速度对应着车子目前的角度，但是加速度计传回来的信息是有高频的噪音的。

陀螺仪比加速度计要精确很多，但是它不能够直接反应车子的角度，通过积分运算才可以得到车子目前的角度。

对角速度值进行积分运算会由于时间的积累而产生误差，这个误差越积越大，最后会使得数值有很大的偏差，因此需要每隔一段时间读一次当前角度值，而加速度计刚好能直接反应当前角度，所以两个传感器联合起来用效果会很好。

由于两个传感器都存在着高频的噪音，陀螺仪还有温漂，我们在硬件电路上就已经做了一部分滤波，但是这是远远不够的，通过卡尔曼滤波融合可以准确地得到当前车子的角度以及车子的运动趋势，这对车子的直立控制带来很大的好处。

自平衡控制的基础由PD控制算法实现，为了适应车模大角度摆动时控制系统的稳定性，我们对其进行了改进，加入了非线性控制方式，使得车模的平衡控制稳定性更好。

实现代码：void PID_Balance(void){GyroHistory=(GyroHistory*0.2+angle_dot*0.8);//角速度滤波if((angle-TagAngle1)>0){if((Kp_Balance*(angle-TagAngle1))>MaxKp)KpP=MaxKp;elseKpP=Kp_Balance*(angle-TagAngle1);KpP2=Factor_D2*((angle-TagAngle1)*(angle-TagAngle1));//二次项非线性输出}else{if((Kp_Balance*(angle-TagAngle1))<(0-MaxKp))KpP=0-MaxKp;elseKpP=Kp_Balance*(angle-TagAngle1);KpP2=Factor_D2*((angle-TagAngle1)*(TagAngle1-angle)); //二次项非线性输出}if(GyroHistory>0) //微分控制{if((Kd_Balance*(GyroHistory))>MaxKd)KdP=MaxKd;elseKdP=Kd_Balance*(GyroHistory);}else{if((Kd_Balance*(GyroHistory))<(0-MaxKd))KdP=0-MaxKd;elseKdP=Kd_Balance*(GyroHistory);}DeltaPWMB=KpP+KdP;TempPWML+=DeltaPWMB;TempPWMR+=DeltaPWMB;}3.3 赛道检测道路的检测决定了车子的前进方向，传感器的布局就为车子检测赛道提供了方便，我们使用了三个电磁传感器，从车子的俯视图看，这三个电感从左到右是对称的，左右两边两个电感的距离为24cm。

传感器为车子提供了一定的前瞻，所以软件就要利用好传感器得到的数据，判断车子目前在跑道中的位置，使得车子在过弯的时候都切内道。

对于赛道中出现的十字弯，由于我们的电感摆放是垂直于赛道的，所以十字弯的另一条线对电感是没有影响的，实测结果是，在没有任何特殊处理的情况下过十字弯不会出现跑错的情况，因此程序上没有特别的处理，这也许是电磁组与其他两组（光电组跟摄像头组）对比起来一个非常大的优势了。