飞思卡尔智能车电磁组车辆设计方案
基于飞思卡尔芯片电磁引导智能车设计
基于飞思卡尔芯片的电磁引导智能车设计飞思卡尔智能车竞赛是由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的全国大学生智能汽车竞赛。
所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型车，由组委会统一提供。
比赛跑道为表面白色，中心有0.1 mm～0.3mm直径的连续漆泡线作为引导线，其中漆泡线通有100ma交流电流。
比赛规则限定了跑道宽度50cm和拐角最小半径50cm。
飞思卡尔智能车竞赛一、硬件设计1.电磁传感器对于电磁组来说，传感器的选择是尤为重要的，最原始的办法用线圈产生磁场的办法去切割跑到上的磁场来检测道路信息，开始因为线圈的缠绕是有要求的，电感的大小也是有要求的，漆泡线的粗细也是有要求的，基于上面的问题，我们实验没有成功。
后来，围绕传感器做了很多的实验，做了两个传感器：一个是用三极管做放大的，另一个是用运放做放大的，但结果用运放成本高，运放要双电源而且一般的放大器频带窄满足不了要求，所以选择用三极管做放大。
在距离导线50mm的上方放置垂直于导线的10mh 电感，为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1v～5v左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db）。
最简单的设计，可以只是用一阶共射三极管放大电路就可以满足要求。
2.速度传感器车模的驱动力来源于一个直流电动机，为了能很好地控制车模的速度，我们引入了闭环控制系统，这就需要车体能实时地或者尽可能快地了解到速度变化，从而对驱动的电压电流进行调整，尽可能快地达到设定速度并且稳定在设定速度上。
从往届的参赛队伍经验得知，使用一个增量编码器能很好地解决以上问题，终选择了欧姆龙的180线增量型光电编码器。
这款编码器为2相输出。
在实际的测试中，让单片机每10ms返回一次传感器的值，当车模在1米/秒左右速度时能返回60～70多个脉冲，当大于2.5米能返回170多个脉冲，反复测试反馈准确，稳定。
飞思卡尔智能车 电磁组 技术报告
//#define K10
//#define Kp 1;//PID的//#define Kd 1;
#include <hidef.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <MC9S12XS128.h>
3.1.3
考虑到适当增加力臂来提高舵机的灵敏度和为了赛车布局的的紧凑，采取了如图3.2所示的安装方法。
图3.2舵机安装结构
3.1.4
采用接插件与焊接结合的方式连接传感器、主控板、编码器、电机驱动电路、电机、赛道起始检测等单元，既考虑可靠性，又兼顾结构调整与安装的便利性。具体安装结构如图3.3所示，
图3.3主控板安装结构
[6]卓晴.基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究[J].清华大学.2009
[7]杨延玲.载流直导线的电磁场特性分析[J].山东师范大学.2007
[8]王毅敏.马丽英等.一种改进的数字PID控制算法及其在励磁系统中的应用电网技术[J].1998
[9]高金源，夏洁.计算机控制系统[M].清华大学出版社.2007
本校积极组队参加第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。从2010年底着手准备，历时半年多，经过不断试验设计，最终设计出较为完整的智能赛车。在赛区比赛中获得了较好的综合性能和成绩。
在本次比赛中，采用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元，构思控制方案及系统设计，进行包括机械结构的调整与优化，硬件的设计与组装、软件控制算法的编写与改进等过程（小车上的具体方案模块有传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等）从而实现小车智能化的识别道路，最终实现智能化竞速。
飞思卡尔单片机智能汽车设计方案
基于飞思卡尔单片机的智能汽车设计摘要本智能车系统设计以 MC9S12DG128B微控制器为核心，通过一个CMOS 摄像头检测模型车的运动位置和运动方向，使用LM1881视频分离芯片对图像进行处理，用光电传感器检测模型车的速度并使用PID 控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。
为了提高智能车的行驶速度和可靠性，采用了自制的电路板，在性能和重量上有了更大的优势，对比了各种方案的优缺点。
实验结果表明，系统设计方案可行关键词：MC9S12DG128，CMOS 摄像头，PIDThe Research of Small and Medium-sized Electric Machinesin FuanCityAuthor：Yao fangTutor：Ma shuhuaAbstractFujianFuanCity industry of electric motor and electrical equipment is the one of the most representative phenomenon of industry cluster in FujianProvince mechanical industry. Its output value of small and medium-sized electric machines accounts for 20% of the whole province’s electrical equipment industry. The output amount of small and medium-sized electric machines from this region takes up 1/3 of that of the whole nation. Fuan electric motor and electrical equipment industry plays a significant role in the development of local national economy, being considered to be the main growth point of local economy and called "the Chinese electric motor and electrical equipment city ".This paper launched a research on small and medium- sized electric machines in Fuan city from two angles. The first one inferred the situation of Fuan electric machine industrial cluster as well as the analysis of the temporary existed problems, and then propose a few of suggestions on the part of local government. The second part focus on the improvement of the competitiveness of Fuan electric machine enterprises, through the application of Michael Porter's Five Forces Model into the local industry of electric machine, consequently carried out some strategies local enterprises should take.Key Words:small and medium-sized electric machines, Five Forces Model, industrial cluster目录1 绪论11.1智能车竞赛背景介绍11.2智能车系统设计思路及方案分析21.3系统整体设计结构图32 机械结构的调整与设计32.1机械安装结构调整42.2舵机安装方式的调整42.3摄像头的安装52.4测速码盘的安装52.5前轮倾角的调整62.6地盘高度的调整72.7齿轮传动机构及后轮差速的调整73 硬件电路的设计与实现83.1硬件电路设计方案83.2硬件电路的实现83.2.1 以S12为核心的单片机最小系统83.2.2 主板133.2.3 电机驱动电路183.2.4 摄像头233.2.5 速度传感器243.2.6 加速度传感器243.2.7 去抖动电路254 软件系统设计与实现274.1软件系统结构方案选择274.2软件主流程274.3端口分配284.4底层驱动程序设计294.4.1 时钟模块294.4.2 PWM模块304.4.3 外部中断模块304.4.4 ECT模块314.4.5 AD模块314.4.6 串口模块324.4.7 普通IO模块324.4.8 实时中断334.5图像信息处理及道路识别程序设计334.5.1 赛道提取算法344.5.2 有一定抗干扰和抗反光能力的黑线提取算法364.5.3 道路识别算法384.6起跑线识别程序设计394.7车体控制程序设计404.7.1 舵机控制算法404.7.2 速度控制算法42结论42致谢43参考资料43附录44附录A441 绪论1.1智能车竞赛背景介绍全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛是教育部主办的面向全国大学生的五大赛事之一<另外四个：数学建模、电子设计、机械设计、结构设计）。
第五届飞思卡尔智能车大赛华中科技大学电磁组技术报告
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：华中科技大学队伍名称：华中科技大学五队参赛队员：方华启张江汉诸金良带队教师：何顶新罗惠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全国大学生“飞思卡尔”杯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1章引言 (1)1.1 概述 (1)1.2 全文安排 (2)第2章电路设计 (3)2.1 电路系统框图 (3)2.2 电源部分 (4)2.3 电机驱动部分 (5)2.4 电磁传感器 (6)第3章机械设计 (8)3.1 车体结构和主要参数及其调整 (8)3.2 舵机的固定 (10)3.3 传感器的固定 (11)3.4 编码器的固定 (11)第4章软件设计 (12)4.1 程序整体框架 (12)4.2 前台系统 (13)4.3 后台系统 (13)4.4 软件详细设计 (14)第5章调试 (15)第6章全文总结 (16)6.1 智能车主要技术参数 (16)6.2 不足与改进 (16)6.3 致谢与总结 (17)I参考文献 (18)附录A 源代码 (18)II第1章引言第1章引言教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大竞赛的基础上，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛（教高司函[2005]201号文）[1]。
为响应教育部的号召，本校积极组队参加第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。
从2009 年12 月开始着手进行准备，历时近8 个月，经过设计理念的不断进步，制作精度的不断提高，经历 2 代智能车硬件平台及相关算法的改进，最终设计出一套完整的智能车开发、调试平台。
(整理)飞思卡尔智能车比赛电磁组路径检测设计方案
精品文档电磁组竞赛车模路径检测设计参考方案（竞赛秘书处2010-1，版本 1.0）一、前言第五届全国大学生智能汽车竞赛新增加了电磁组比赛。
竞赛车模需要能够通过自动识别赛道中心线位置处由通有100mA 交变电流的导线所产生的电磁场进行路径检测。
除此之外在赛道的起跑线处还有永磁铁标志起跑线的位置。
具体要求请参阅《第五届智能汽车竞赛细则》技术文档。
本文给出了一种简便的交变磁场的检测方案，目的是使得部分初次参加比赛的队伍能够尽快有一个设计方案，开始制作和调试自己的车模。
本方案通过微型车模实际运行，证明了它的可行性。
微型车模运行录像参见竞赛网站上视频文件。
二、设计原理1、导线周围的电磁场根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。
智能汽车竞赛使用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3kHz～30kHz，波长为100km～10km。
如下图所示：图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，这正是我们进行电磁导航的目的。
由于赛道导航电线和小车尺寸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），所以能够感应到电磁波的能量非常小。
为此，我们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。
精品文档由毕奥-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：精品文档图 2 直线电流的磁场⎝1 4 r由此得: B = cos⎝4 r对于无限长直电流来说，上式中⎝1 = 0 ，⎝ 2 = ，则有B = （1）。
图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。
基于飞思卡尔单片机的智能小车设计
安徽建筑工业学院毕业设计（论文）专业：通信工程班级：08通信2班学生姓名：谢春林学号：课题：基于飞思卡尔单片机的智能小车设计与应用主控制板硬件设计指导教师：夏巍2012 年 6 月1日摘要本文的主要内容是利用飞思卡尔公司的32位单片机Kinetis10，设计能在特定跑道上循迹行驶的智能小车。
智能车系统以Kinetis10为核心，用它来进行信号采集、数据传输与运算等动作，并产生PWM波控制舵机和电机。
整个系统由单片机模块、路径识别模块、速度检测模块、舵机模块、直流电机驱动模块、电源模块等组成。
智能小车的硬件设计包括：双向控制的电机驱动，可同时对多模块供电的电源系统，3.3V PWM波形驱动舵机电路，与上位机通信的RS232通信模块等。
关键字：智能小车，Kinetis10，电源系统，双向控制。
AbstractThe main content of this paper is to use the 32-bit SCM freescale company Kinetis10, in particular the runway design can trace the car driving on intelligence. Intelligent car system to Kinetis10 as the core, and use it to signal acquisition, data transmission and computing such action and create PWM wave to control the steering gear and motor. The whole system of microcomputer module, path recognition module, speed detection module, steering gear module, dc motor driver module, power supply module.Intelligent car of hardware design including: two-way control motor drive, but at the same time for more power supply module of the power supply system, 3.3 V PWM waves of steering gear drive circuit, and the upper machine RS232 communication module of communication, etc.Key word: Intelligent vehicles, Kinetis10, Power system, Two-way control.目录1 绪论 (1)1.1选题意义 (1)1.2 国内外概况 (1)1.2.1国外概况 (1)1.2.2 国内概况 (2)1.3智能车的发展前景 (3)2 系统设计与方案论证 (3)2.1 系统设计要求 (3)2.2 系统设计方案 (3)2.2.1 主控芯片的选定 (4)2.2.2 传感器模块 (4)2.2.3 测速传感器模块 (5)2.2.4 转向舵机模块 (5)2.2.5电机驱动模块 (5)3 主控芯片简介 (6)3.1 Kinetis K10简介 (6)3.2 所用模块简介 (6)3.2.1 PWM 模块 (7)3.2.2 PIT模块 (7)3.2.3 I/O模块 (7)3.2.4 SCI模块 (7)4 智能车机械设计与安装 (7)4.1 舵机的安装 (8)4.2 前轮倾角的调整 (8)4.3 后轮差动轮的调整 (9)4.4 速度检测模块安装 (9)4.5 传感器的安装 (9)5 主板电路设计 (9)5.1 主控芯片电路 (9)5.2 外围电路 (11)5.2.1 电源管理模块 (11)5.2.3 速度检测电路 (15)5.2.4 舵机驱动电路 (16)5.2.5拨码开关电路 (17)5.2.5 RS232通信模块 (17)6 软件设计 (18)6.1 开发工具 (18)6.2 软件流程图 (18)7 总结 (20)8 致谢 (21)参考文献 (22)附录： (23)基于飞思卡尔单片机的智能小车设计————主控制电路设计电子与信息工程学院通信工程 2008级2班谢春林指导教师夏巍1 绪论1.1选题意义智能车辆( intelligent vehicles, IV)是智能交通系统( in2telligent transportation systems, ITS)的重要构成部分,其研究的主要目的在于降低日趋严重的交通事故发生率,提高现有道路交通的效率,在某种程度上缓解能源消耗和环境污染等问题。
飞思卡尔智能车电磁组分区算法介绍
飞思卡尔智能车电磁组分区算法介绍写在之前的话:1、⽬前我是⼀名在校学⽣，这也是我第⼀次写博客，不周之处，请多谅解；2、此算法并⾮原创，借鉴⾃⼭东德州学院第⼋届⽩杨队（PS：个⼈看法，对于⼀些⼈把别⼈的开源东西改头换⾯⼀下就说是⾃⼰的原创⾏为⼗分鄙视）；3、对于此算法的理解和说明并⾮纸上谈兵，算法已经被我运⽤到了⼩车⽐赛中并取得好的成绩（具体就不多说了，⽐赛时车莫名其妙坏了，⽐赛前调试的速度绝对能进国赛，⽐较遗憾），总之这算法是我尝试过的最好的算法；4、这⼀次所介绍的只是路径算法和⼀些知识普及，后⾯有时间会介绍其余部分算法及许多好的思路（舵机电机控制思路（不只是简单的PID），双车策略）；5、希望对于这⽅⾯有涉及的⼈能与我联系并交流或指出不⾜之处。
---------------------------------------------------------------分割线-----------------------------------------------------------------------------⼀、没有这⽅⾯了解的可以看看 飞思卡尔智能车分为三组：摄像头、光电、电磁，我做的是电磁车，三种车队区别在于传感器的不同，所以获得路径信息的⽅法也不⼀样，摄像头和光电识别的是赛道上的⿊线（⽩底赛道），⽽电磁车则是检测埋在赛道下的通⼊100mh电流的漆包线，摄像头和光电采⽤的是摄像头和ccd作为传感器，电磁则是⽤电感放在漆包线周围，则电感上就会产⽣感应电动势，且感应电动势的⼤⼩于通过线圈回路的磁通量成正⽐，⼜因为漆包线周围的磁感应强度不同，因此不同位置的电感的感应电动势就不同，因此就可以去确定电感位置；因此在车⼦前⾯设置了50cm的前瞻，电感布局如下(怎么发不了图⽚)：分为两排，前排3个，编号0，1，2（前期还加了两个竖直电感⽤来帮助过直⾓弯，后来改为了⼋字电感）；后排2个，编号3，4；现在车⼦获得了不同位置的感应电动势的⼤⼩了，但这些值是不能处理的:1、感应电动势太微弱；2、是模拟信号，信号太微弱就放⼤它；这就涉及到模拟电路的知识了，就不多说了（因为要把这讲完到PCB绘制的篇幅就⾜够写另开⼀号专门写这些⽅⾯来（PS：题外话（我的题外话⽐较多））：放⼤部分外围你设计的再好也抵不过⼀个更好的芯⽚，有两个例⼦，⼀个是我⾃⼰的:之前⽤的是NE5532，但是效果不理想，加了好多什么滤波，补偿，都⽤上，没⽤，软件⾥处理后⾯再说，后来⼀狠⼼换了AD620，感觉像是春天来了，因为它是仪⽤放⼤器，还有就是贵。
第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛电磁组直立行车参考设计方案(版本2.0)官方方案2.0
第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛电磁组直立行车参考设计方案（版本2.0）目 录目录 (2)图表索引 (3)一、前言 (7)二、原理篇 (9)2.1直立行走任务分解 (9)2.2车模直立控制 (11)2.3 车模角度和角速度测量 (19)2.3车模速度控制 (26)2.4车模方向控制 (33)2.6车模直立行走控制算法总图 (36)三、电路设计篇 (37)3.1整体电路框图 (37)3.2 DSC介绍与单片机最小系统 (39)3.3倾角传感器电路 (42)3.4电机驱动电路 (44)3.5速度传感器电路 (45)3.6电磁线检测电路 (46)3.7 角度计算电路 (50)3.8 车模控制电路全图 (55)四、机械设计篇 (57)4.1车模简化改装 (57)4.2传感器安装 (59)4.3注意事项 (63)五、软件开发篇 (64)5.1软件功能与框架 (65)5.2 DSC的硬件资源配置 (68)5.3主要算法及其实现 (69)六、车模调试篇 (82)6.1 调试参数 (82)6.2调试条件 (85)6.3 桌面静态参数调试 (91)6.4 现场动态参数调试 (101)6.5 方案改进与车模整体水平提高 (101)七、结束语 (102)附录： (103)图表索引第一章图1- 1 电磁组车模直立运行模式 (7)图1- 2参考设计方案内容 (8)图1- 3 车模制作路线图 (9)第二章图2- 1 车模控制任务分解 (10)图2- 2 车模倾角会引起车速速度变化 (10)图2- 3 三层控制之间相互配合 (11)图2- 4 保持木棒直立的反馈控制 (12)图2- 5 通过车轮运动保持车模直立 (12)图2- 6 车模简化成倒立的单摆 (13)图2- 7 普通单摆受力分析 (13)图2- 8 不同阻尼力下的单摆运动 (14)图2- 9 在车轮上的参照系中车模受力分析 (14)图2- 10 车模控制两个系数作用 (16)图2- 11 车模运动方程 (16)图2- 12 加入比例微分反馈后的系统框图 (17)图2- 13 电机在不同电压下的速度变化曲线 (18)图2- 14 加速度传感器原理 (19)图2- 15 MMA7260三轴加速度传感器 (20)图2- 16 车模运动引起加速度信号波动 (21)图2- 17 实际测量MMA7260Z轴信号 (21)图2- 18 车模运动引起加速度Z轴信号变化 (22)图2- 19角速度传感器及参考放大电路 (22)图2- 20 角速度积分得到角度 (23)图2- 21 角速度积分漂移现象 (23)图2- 22 通过重力加速度来矫正陀螺仪的角度漂移 (24)图2- 23 双加速度传感器获得车模角加速度 (25)图2- 24 角度控制框图 (25)图2- 25 电机速度检测 (26)图2- 26 车模倾角给定 (27)图2- 27 车模倾角控制速度中的正反馈 (28)图2- 28 车模倾角控制分析 (29)图2- 29 车模运动速度控制简化模型 (29)图2- 30 增加微分控制后的系统 (30)图2- 31 改进的微分控制 (30)图2- 32 车模角度和速度控制框图 (31)图2- 33 速度角度控制方案的改进 (32)图2- 34 改进后的速度和角度控制方案 (32)图2- 35 检测道路中心电磁线方式 (33)图2- 36 通过电机驱动电压的差动控制控制车模方向 (34)图2- 37 检测车模转动速度的陀螺仪 (34)图2- 38 电感线圈的偏角影响感应电动势 (35)图2- 39 车模方向控制算法 (35)图2- 40 车模运动控制总框图 (36)第三章图3- 1 直立车模控制电路整体框图 (39)图3- 2 56F8013内部资源示意图 (40)图3- 3 F8013最小系统电路 (41)图3- 4 F8013最小系统电路实物 (42)图3- 5 陀螺仪、加速度传感器电路 (43)图3- 6 车模倾角传感器电路实物图 (43)图3- 7 双电机驱动电路 (44)图3- 8单极性PWM、双极性PWM (45)图3- 9 两片33886组成的电机驱动电路 (45)图3- 10 速度传感器电路 (46)图3- 11 基于三极管的电磁信号放大检波电路 (47)图3- 12 基于三极管的电磁放大检波电路实物图 (48)图3- 13 使用R-R运放进行电磁信号放大检波 (49)图3- 14 LMV358放大检波输出波形 (49)图3- 15 基于LMV358放大检波电路实物图 (50)图3- 16 双加速度测量角速度电路 (51)图3- 17 双加速度计测量角度波形图 (51)图3- 18 简化角速度电路 (52)图3- 19 实测车模角速度信号波形 (52)图3- 20 角度信号处理电路 (53)图3- 21 不同角速度比例情况下输出波形 (53)图3- 22 角度计算环节的传递函数 (54)图3- 23 一个运算放大器实现角度计算 (54)图3- 24 不同P1阻值对应的输出波形 (55)图3- 25 简化的角度和角速度处理电路 (55)图3- 26 车模控制电路全图 (56)第四章图4- 1 完整的C型车模底盘 (57)图4- 2 简化后的C型车模底盘 (57)图4- 3 使用热熔胶固定电机支架与车模底盘 (58)图4- 4 去掉后轮之后的车模底盘 (58)图4- 5 电机引线转接板 (59)图4- 6 使用复合胶水固定光电编码盘 (59)图4- 7 固定好的光电码盘和光电检测管 (60)图4- 8 电磁传感器支架 (61)图4- 9 车模组装全图 (64)第五章图5- 1 主程序框架 (65)图5- 2 中断服务程序 (66)图5- 3 任务中断时间波形 (67)图5- 4 算法框图中与控制相关的软件函数 (70)图5- 5 控制函数调用与参数传递关系 (71)图5- 6 程序中变量命名规范 (72)图5- 7 电机死区补偿 (78)第六章图6- 1 调试车模参数复杂而关键 (82)图6- 2 需要调整的参数和相关的单位 (84)图6- 3 车模运动坐标定义 (85)图6- 4 电源检查 (86)图6- 5 单片机串口通信 (86)图6- 6 PWM信号输出 (87)图6- 7 采集电机光电码盘信号 (87)图6- 8 陀螺仪、加速度传感器AD采集信号 (88)图6- 9 车模静态参数调整桌面 (88)图6- 10车模动态参数调试场地 (89)图6- 11 监控软件界面 (89)图6- 12 无线遥控开关 (90)图6- 13 无线通信模块进行参数监控 (90)图6- 14 F8013内部FLASH应用划分 (91)图6- 15 需要整定的传感器参数 (91)图6- 16 车模保持垂直静止 (92)图6- 17 测量加速度传感器的极值 (92)图6- 18测量陀螺传感器比例因子，角度补偿回路断开 (93)图6- 19 几种不同陀螺仪比例因子角度输出 (94)图6- 20 车模控制参数 (95)图6- 21 角度参数调整过程 (96)图6- 22 速度参数调整过程 (97)图6- 23 方向参数调整过程 (98)图6- 24 角度补偿时间常数调整 (99)图6- 25 Z轴附加信号分析 (100)图6- 26 死区常数调整 (100)附录图7- 1 参考设计方案视频截图 (103)图7- 2 参数整定与调试指南 (104)图7- 3 软件控制算法全图 (106)图7- 4 参考方案电路全图 (107)第一章、前言为了提高全国大学生智能汽车竞赛创新性和趣味性，激发高校学生参与比赛的兴趣，提高学生的动手能力、创新能力和接受挑战能力，智能汽车竞赛组委会将电磁组比赛规定为车模直立行走，如图1- 1所示。
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电磁组直立行走任务分解 车模直立控制 车模速度控制
原理篇
车模方向控制 车模倾角测量 控制算法总框图 整体电路框图 DSC最小系统 倾角传感器电路
电路设计篇
电机驱动电路 速度传感器电路 电磁检测电路 车模简化与修改
机械设计篇
传感器安装 其它注意事项 软件功能框架 DSC资源配置
软件编写与调试篇
主要算法以及实现 程序调试与参数整定 运行测试
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一、前言
为了提高全国大学生智能汽车竞赛创新性和趣味性， 激发高校学生参与比赛的兴趣， 提高学生的动手能力、创新能力和接受挑战能力，智能汽车竞赛组委会将电磁组比赛规 定为车模直立行走（如图 1.1 所示） ，其它两个组别的车模行走方式保持不变。
图 1.1 电磁组车模直立运行模式
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。在电磁组比赛中，利用 了原来 C 型车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平衡行走。相对于传统的四轮行走的车 模竞赛模式，车模直立行走在车体检测、控制算法等方面提出了更高的要求。为了能够 帮助参赛同学尽快制作车模参加比赛， 竞赛秘书处编写了 C 型车模直立行走的参考设计 方案。参赛队员可以在此基础上，进一步改进硬件和软件方案，提高竞赛水平。 为了适应初学者，方案介绍过程中，尽可能过程中的核心环节。本文的主要内容如图 1.2 所 示。
图 1.2 参考设计方案内容
参考设计方案经过了实际验证测试，车模测试运行视频请在竞赛网站上下载。 参考设计方案最后附录中给出了用于下载资料的相关网站。
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二、原理篇
2.1 直立行走任务分解
电磁组比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮 着地状态，车模控制任务更为复杂。为了能够方便找到解决问题的办法，首先将复杂的 问题分解成简单的问题进行讨论。 为了分析方便，根据比赛规则，假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两 个后车轮，后轮转动由两个直流电机驱动。因此从控制角度来看，由控制车模两个电机 旋转方向及速度实现对车模的控制。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本任务： （1） 控制车模直立：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态； （2） 控制车模速度：通过控制两个电机转速速度实现车模行进控制； （3） 控制车模转向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。 以上三个任务都是通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。可以假设车模的电机可 以虚拟地被拆解成三个不同功能的驱动电机， 它们同轴相连， 分别控制车模的直立平衡、 前进行走、左右转向，如图 2.1 所示。
第七届全国大学生 “飞思卡尔” 杯智能汽车竞赛
电磁组直立行车参考设计方案
（版本 1.0）
直立控制 速度控制 方向控制
竞赛秘书处
2011-12-22
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目
录
一、前言 .................................................................................................................................... 4 二、原理篇 ................................................................................................................................ 6 2.1 直立行走任务分解 .............................................................................................................. 6 2.2 车模直立控制 ...................................................................................................................... 7 2.3 车模速度控制 .................................................................................................................... 11 2.4 车模方向控制 .................................................................................................................... 14 2.5 车模倾角测量 .................................................................................................................... 15 2.6 车模直立行走控制算法总图 ............................................................................................ 19 三、电路设计篇 ...................................................................................................................... 21 3.1 整体电路框图 .................................................................................................................... 21 3.2 DSC 介绍与单片机最小系统 ........................................................................................... 22 3.3 倾角传感器电路 ................................................................................................................ 25 3.4 电机驱动电路 .................................................................................................................... 27 3.5 速度传感器 ........................................................................................................................ 28 3.6 电磁线检测电路 ................................................................................................................ 29 四、机械设计篇 ...................................................................................................................... 30 4.1 车模简化改装 .................................................................................................................... 30 4.2 传感器安装 ........................................................................................................................ 31 4.3 注意事项 ............................................................................................................................ 33 五、软件编写与调试篇.......................................................................................................... 34 5.1 软件功能与框架 ................................................................................................................ 34 5.2 DSC 的资源配置 ............................................................................................................... 37 5.3 主要算法及其实现 ............................................................................................................ 38 5.4 程序调试与参数整定 ........................................................................................................ 46 5.5 现场运行测试 .................................................................................................................... 47 六、结束语 .............................................................................................................................. 47 附录： ...................................................................................................................................... 48