《車模電磁組方案》word版

1、摘 要本文以智能汽車為模型，基于電磁傳感器，采用 MC9S12XS128 微控制器，構(gòu)建自主尋跡控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法。主要包括：微控制器模塊、電源模塊、光電傳感器模塊、速度檢測模塊、舵機驅(qū)動模塊，電機驅(qū)動模塊。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。從結(jié)構(gòu)上看，軟件程序主要包括以下幾個部分：主體循環(huán)程序，增量式 PID 速度控制程序，中斷服務(wù)程序，舵機控制算法程序，速度控制算法程序以及一些其他控制程序。軟件設(shè)計重點研究PID 控制算法、PWM 控制、模糊控制、閉環(huán)控制在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。PID及PWM 控制主要運用于電機的控制，模糊控制運用于道路信息的采集中，閉環(huán)控制系統(tǒng)是

2、針對整個系統(tǒng)而構(gòu)建的。關(guān)鍵詞：MC9S12XS128，電磁傳感器，H 橋，PID 控制總體結(jié)構(gòu)設(shè)計本模型車采用電感來判別跑道上的電磁引導(dǎo)線，通過MC9S12XS128單片機來控制模型車各個模塊的工作。路徑識別系統(tǒng)電路由14個電感組成。通過傳感器的不同方位設(shè)計，來判斷車的行進角度，速度加減，賽道預(yù)測等等。路徑識別模塊會將當(dāng)前采集到的一組信號值傳遞給微控制器。轉(zhuǎn)速測量模塊采用光電編碼器，安裝在車尾部，用來測量模型車行駛過程中的瞬時速度。測量出的瞬時速度將輸入到單片機中，以幫助分析確定模型車下一步的速度、轉(zhuǎn)角等。為了能夠及時設(shè)置調(diào)整一些重要的控制參數(shù)，如速度檔位，需增加一個8路的撥碼開關(guān)?？傮w設(shè)計分

3、為控制系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計三大部分。1、控制系統(tǒng)設(shè)計智能車系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)是以微處理器為核心，車速控制器、直流電機和測速傳感器構(gòu)成一個閉環(huán)，該閉環(huán)的輸入為路徑判別后經(jīng)模糊控制處理后的速度給定，輸出直接驅(qū)動后輪；而舵機控制器構(gòu)成一個控制系統(tǒng)通道，其輸入為模糊處理后的路徑轉(zhuǎn)角偏差，輸出直接控制前輪轉(zhuǎn)向；最后以車體位置情況作為道路識別反饋控制器的輸入，其輸出直接與道路中心線參數(shù)比較從而構(gòu)成一個大的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在控制策略的選擇方面，遵循以下幾點原則：（1）對于驅(qū)動電機，必須使用閉環(huán)控制。這樣在行駛的過程中，保證有效的加速和減速機制。高效的加速算法使小車能在直道上高速行駛，而快速減速則保證了小車

4、彎道的穩(wěn)定、流暢。為了精確控制速度，實時對速度進行監(jiān)控。（2）對舵機的控制，要保證在任何情況下，總能給舵機一個合適的偏移量，保證小車能始終連貫地沿電磁線以最佳路徑行駛。電感采集到的是離散的數(shù)據(jù)，而舵機的輸出要連續(xù)化，這樣在過彎的時候才可以保持連貫性。（3）系統(tǒng)整體采用前饋-串級以及解耦控制結(jié)構(gòu)。前饋-串級控制能及時克服進入前饋回路和串級副回路的干擾對被控制量的影響，因為前饋控制的輸出不是直接作用于執(zhí)行機構(gòu)，而是補充到串級控制副回路的給定值中，這樣就降低了對執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)響應(yīng)性能的要求。（4）智能車是一個最優(yōu)位置隨動系統(tǒng)，從理論上講應(yīng)采用Bang-Bang控制。但Bang-Bang控制很難保證足夠

5、高的定位精度，所以宜采用Bang-Bang控制和線性控制相結(jié)合的方式，在線性控制段采用數(shù)字PID控制。圖1 控制系統(tǒng)框圖2、 硬件設(shè)計智能車的硬件設(shè)計包括：電源模塊，微控制器模塊，傳感器模塊，速度傳感器模塊，舵機驅(qū)動模塊，電機驅(qū)動模塊。其中微控制器模塊是系統(tǒng)的核心部分，它負責(zé)接收路徑數(shù)據(jù)、車體速度等反饋信息，并對這些信息進行迅速處理，形成合適的控制量控制舵機和電機。傳感器模塊采用電感獲取數(shù)據(jù)，輸入到微控制器內(nèi)部，通過模糊控制算法來判斷小車車體與路徑中心線的偏差。速度傳感器模塊由光電編碼器和ECT脈沖捕捉功能構(gòu)成。舵機驅(qū)動模塊和電機驅(qū)動模塊分別用于實現(xiàn)賽車轉(zhuǎn)向和后輪驅(qū)動。硬件系統(tǒng)的框圖如下所示：

6、圖2 硬件系統(tǒng)框圖3、軟件設(shè)計軟件是系統(tǒng)的靈魂，軟件的好壞決定了系統(tǒng)的優(yōu)劣。本系統(tǒng)軟件程序主要包括以下幾個部分：1.初始化。系統(tǒng)初始化、端口初始化、中斷初始化、A/D初始化、PWM初始化、定時器初始化；2.獲取AD值，采樣道路信息，并對采樣信息進行二值化。3.車體狀態(tài)位置計算。對道路信息采用模糊控制算法處理后將輸出作為舵機和驅(qū)動電機的輸入值。4.電機控制。微控制器通過測速電路反饋的脈沖數(shù)，通過ECT部分來捕獲，進而獲得轉(zhuǎn)速值，通過改變PWM的占空比的方法控制其轉(zhuǎn)速。5.舵機控制。微控制器通過位置計算，采用模糊控制算法給出一個輸出等級，把該值乘以角度的系數(shù)接可以精確控制舵機的轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)路徑跟蹤。

7、軟件框圖如下所示：圖3 軟件設(shè)計框圖二、機械結(jié)構(gòu)機械結(jié)構(gòu)分成影響車行進中穩(wěn)定性及車速等性能的幾部分：舵機、懸架、輪胎、差速器、齒輪、電路板等。圖4 機械結(jié)構(gòu)改裝1 、舵機的改裝智能車舵機的改裝直接關(guān)系到舵機的靈活性和角度的準確性。將舵機直立居中放置并架高一定高度，使得舵機輸出軸距左右前輪的連桿等長。這樣的調(diào)整可以使轉(zhuǎn)向更加精確，并且減少轉(zhuǎn)向控制時軟件的編程量。抬高舵機加大連桿長度，可自行設(shè)計。2 、前輪定位的調(diào)整對智能車的前輪進行了調(diào)整，如主銷內(nèi)傾，主銷后傾，前輪外傾，前輪前束等，這些調(diào)整統(tǒng)稱為前輪定位。它的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由

8、主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4個項目決定，反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關(guān)系。3 差速齒輪的調(diào)整差速器的特性是：阻力大的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速低；而阻力小的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速高。差速機構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，使兩個驅(qū)動輪之間存在一個速度差，進而保證過彎的平滑性。4 電路板的設(shè)計安裝電路板的安裝也關(guān)系到車子的整體性能。一般來說，重心越低，加減速越快，可操控性也越好。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計1、電源模塊電路中各個模塊需要的電壓不一樣需要有不同電壓的電源供電，若采用7.2v電壓的蓄電池供電可采用如下方法得到5v、6v的電源電壓，5v供給傳感器、微控制器、編碼器電壓，6v電壓供給

9、舵機使用，7.2v電壓供給電機應(yīng)用。圖5 電源模塊的電路結(jié)構(gòu)采用的是LM2940-5，它是一款低壓差芯片，靜態(tài)電流小，輸出精度高。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池電壓降至7.0V時整個系統(tǒng)仍然可以正常工作。得到5v電壓的電路如下示：圖6 5v電壓電路得到6v電壓電路的電路圖如下示：圖7 6v電壓電路2、微控制器模塊MC9S12XS128為核心自己設(shè)計一個最小系統(tǒng)，可以在電路板上任意拔插，方便簡單。（具體圖略）3、傳感器模塊（一）、電感傳感器模塊 1.原理: 根據(jù)電磁學(xué)，我們知道在導(dǎo)線中通入變化的電流(如按正弦規(guī)律變化的電流)，則導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生變化的磁場，且磁場與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場中置一

10、由線圈組成的電感，則該電感上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，且該感應(yīng)電動勢的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置，磁感應(yīng)強度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也應(yīng)該是不同。據(jù)此，則可以確定電感的大致位置。硬件電路設(shè)計圖8 傳感器信號放大電路電感檢測得到的信號經(jīng)過三極管直流放大電路放大輸出到單片機的A/D采樣口。傳感器的布局與安裝 我們的方案使用八個10mH 的電感置于車模頭部作為確定小車位置的傳感器。然后設(shè)計了一個模擬電路，采集、調(diào)理、放大由電感得到的電動勢信號。（二）、起跑線檢測模塊起跑線檢測電路如下所示：圖9 起跑線檢測（三）、速度檢測模塊 光電傳感器是一

11、種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)式，光柵盤與電動機同軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置輸出若干脈沖信號；通過計算單位時間內(nèi)光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。4 舵機驅(qū)動模塊舵機控制是整個智能車控制的核心，舵機控制的好才可以將速度提上去，否則車子會沖出賽道。對智能車進行方向控制，就是根據(jù)采集到電磁信號，通過一定的控制策略，使智能車能夠?qū)崟r跟蹤電磁信號導(dǎo)向，自動控制舵機帶動前輪轉(zhuǎn)向，完成自動尋跡行駛。智能小車在行駛的過程中是一個參數(shù)不定的系統(tǒng)。一輛具有智能化的小車必須能夠根據(jù)賽道的特征將參數(shù)調(diào)整到最佳

12、，以實現(xiàn)最優(yōu)控制。舵機控制可利用調(diào)節(jié)PWM輸入信號的占空比來改變輸出的角度。5、直流電機驅(qū)動模塊方案一：可以用LM298驅(qū)動直流電機電路圖如下：圖10 LM298驅(qū)動直流電機方案二：電路原理如圖11所示，MC9S12XS128有8個可編程控制周期和占空比的P的通道，通過級聯(lián)可用做16位4通道，以提高控制精度。MC9S12XS128的PWM1PWM3管腳分別控制電機的正反轉(zhuǎn)。工作原理簡介：左邊給高電位1，右邊給低電位0時，原理圖中左下的TIP1和右上的TIP127為通路，馬達電流由右流到左，反轉(zhuǎn)；左邊給高電位0，右邊低電位1時，馬達電流由左流到右，正轉(zhuǎn)。運用光電偶合器的原因是為了簡化路，同時避免干擾。數(shù)字地與模擬地之間也要進行隔離。圖11 H橋電機驅(qū)動電路原理圖附錄：名稱型號數(shù)量備注單片機最小系統(tǒng)MC9S12XS1281套LM298LM2985片555時基芯片NE5555片LM2940-5穩(wěn)壓塊LM2940-52片LM324LM3245片CS3503起跑線霍爾元件CS35034個L7805L78055個L7806