競(jìng)速組-電磁工學(xué)院冰封極速

校：中原工學(xué)院隊(duì)伍名稱：極速冰封參賽隊(duì)員：帶隊(duì)教師：牛繼高楊樹(shù)峰本人完全了解第十屆“飛思卡爾”杯大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽關(guān)保留、使技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在日本智能車以MC9S12XS128處理器的S12環(huán)境，軟件平臺(tái)為CodeWarriorIDE片機(jī)為控制，以不同擺放位置的電感為循跡傳感器，由互感線圈賽道信息，通過(guò)智能精確控制的PID算法起到尋線方向控制；度控制是由1個(gè)編對(duì)電機(jī)兩端進(jìn)速，將測(cè)得的速度與給定的速度進(jìn)行PID速度閉環(huán)控制；用第一章引 緒 整車設(shè) 第二章系統(tǒng)硬件電路設(shè) 硬件電路整體架構(gòu)框 單機(jī)片最小系統(tǒng)板電路選 傳感器設(shè) 信號(hào)放大電路設(shè) 檢波電路設(shè) 起跑線檢測(cè)電路設(shè) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè) 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè) 電源電路設(shè) 主板電路設(shè) 第三章智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào) 前輪定 主銷后 主銷內(nèi) 前輪外 前輪前 底盤高 差速結(jié) 傳感器支 舵機(jī)的安 編安 第四章智能車控制算法設(shè) 軟件控制的總體思 控制系統(tǒng)結(jié) 傳感器處 PID控 軟件開(kāi)發(fā)平 工程的創(chuàng) 程序源代碼的編輯、編譯與..................................................BDM調(diào) 現(xiàn)場(chǎng)調(diào) 調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決方 第六章車模技術(shù)參數(shù)說(shuō) 第七章總 附件A電路板詳細(xì)設(shè)計(jì)原理圖與算法子程序分程序代 緒大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能車競(jìng)賽是由教育部高等自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司為協(xié)辦的一項(xiàng)以智能車為研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路徑的智能車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，最快跑完全程而沒(méi)有沖出跑道并且技術(shù)報(bào)告評(píng)分較高為獲勝者其設(shè)計(jì)內(nèi)涵蓋了控、模式別、傳感技、、電氣計(jì)算機(jī)、機(jī)械、能源等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，具有良好的推動(dòng)作用。在本技術(shù)報(bào)告安排上，第一章是引言，主要對(duì)智能車制作情況進(jìn)行概述，闡明后面報(bào)告安排及對(duì)整車設(shè)計(jì)的綜述；第二章是系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了電源部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路模塊的設(shè)計(jì)思路及方案；第三章是智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整，主要是模型車機(jī)械部分安裝及改造、傳感器的設(shè)計(jì)安裝、系統(tǒng)電路板的固定及連接等；第四章是智能車控制算法，包括控制安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)明，講述了我們自己在調(diào)車訓(xùn)練時(shí)的方法和訓(xùn)練工具；第六章為智能車的主要參數(shù)技術(shù)匯總說(shuō)明；第七章為結(jié)論。整車設(shè)根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則相關(guān)規(guī)定，智能車系統(tǒng)采用大賽統(tǒng)一提供的型車模以飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的16位微控制器C9S12XS128作為控制器，在CodeWarriorIDE開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。的位置信號(hào)由車體前方的電磁傳感器，經(jīng)內(nèi)部D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸入到控制，用于控制舵機(jī)的打角從而控制的運(yùn)動(dòng)方向。電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用PID控制，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)1.1。1.1對(duì)于車模的強(qiáng)度，我們用板對(duì)車模底部進(jìn)行了加固，保證整個(gè)車身的第一章引言電磁車的前瞻較短而且容易出現(xiàn)誤判。比如十字交叉線的磁場(chǎng)信號(hào)和90度彎的磁場(chǎng)信號(hào)極為相似，容易發(fā)生車子行駛時(shí)直接忽略90度彎的情況而竄道，我們采用3電感，特地用2化率有一定聯(lián)系和區(qū)別，傳感器放置為對(duì)賽道信號(hào)變化敏感的方向以便最快、最靈敏的檢測(cè)到賽道變化引起的信號(hào)變化，如下圖1.2模型車整體圖。硬件電路整體結(jié)構(gòu)圖圖2.1智能車硬件電路整體結(jié)構(gòu)圖第二章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)單機(jī)片最小系統(tǒng)板電路選用MC9S12XS128單片機(jī)作為我們的MCUMC9S12XS128子市場(chǎng)的性能16位單片機(jī)，具有速度快、功能強(qiáng)、成本低、功耗特點(diǎn)。主要包括時(shí)鐘、旁路電容、電源接口和內(nèi)部強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)信號(hào)圖2.2a第二章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)傳感器設(shè)計(jì)傳感器。路徑傳感器以電磁傳感器為，用安裝在智能車車頭支架上的電磁強(qiáng)度和方向，通過(guò)信號(hào)選頻放大檢波后，送入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。單片機(jī)對(duì)的信息進(jìn)行處理，通過(guò)算法優(yōu)化和PID件，選擇合適的速度檢測(cè)傳感器，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路，如下圖2.3傳感信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)采用Railtorail儀表放大器，就可以用一個(gè)比較低的電源電壓得到比較大的電壓信號(hào)。我們按照這個(gè)思路查找器件選型表，最終選擇了INA128雙電源INA12850μV0.5μV/C5nA120dBCMR。G=1+49.8/RKΩ/R2.5NA128圖 INA128放大電路第二章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖 INA128放大電路檢波電路設(shè)計(jì)從儀表放大器出來(lái)的信號(hào)是類似正弦波的信號(hào)。為了將該信號(hào)轉(zhuǎn)化成直觀的直流電平，我們選用運(yùn)放檢波。這種方法是最穩(wěn)定，反映最快，效果最好的電路。制作出來(lái)的PCB考的文檔《電磁小車設(shè)計(jì)參考》內(nèi)的檢波電路，在此就不再?gòu)?fù)述，如下2.5所示。圖2.5a檢波典型原理圖圖2.5b檢波實(shí)際原理圖起跑線檢測(cè)電路設(shè)計(jì)按照比賽規(guī)則，起跑線是6個(gè)按照一定間隔放置的磁鋼（3000到5000）組成，而且磁鋼的極性是隨機(jī)放置的。如果使用霍爾方式檢測(cè)那么極性問(wèn)題就一定要考慮進(jìn)去，所以一對(duì)霍爾傳感器至少是兩個(gè)。但第二章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖2.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)MOSH圖2.7驅(qū)動(dòng)PCB舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)8133舵機(jī)的控制除了需要5.4V的供電電壓還需要一路波，以20ms為周期（實(shí)際S-A6數(shù)字舵機(jī)可以用最大300HZ信號(hào)控制，不同的占空比會(huì)使舵機(jī)穩(wěn)定在不同的角度上，具體如圖2.8所示。第二章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖2.8不同對(duì)應(yīng)的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角為了保證舵機(jī)打角的精準(zhǔn)，所以0和1兩個(gè)8位（最大值為255）級(jí)聯(lián)形成16位（最大值為65535），即01，顯著提高（float電源電路設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)是硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，智能車使用由提供的7.2V2000mAh舵機(jī)提供5.5V電壓，如下圖2.9a所示。第二章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主板電路設(shè)計(jì)圖2.10所示。2.10PCB前輪定主銷后確定主銷后傾角為2度，如圖3.1所示。3.11第三章主銷內(nèi)前輪外正外傾。前輪外傾角具有提高轉(zhuǎn)向的輕便性和車輪工作安全性的作用。經(jīng)過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)得出，外傾角一般設(shè)定為13.2所示。前輪前3.133.14（實(shí)物圖第三章底盤高奠定基礎(chǔ)，本車的高度示意如圖3.6所示，其離地間距為6mm。3.2差速結(jié)3.3差速實(shí)物圖傳感器支架電磁組磁場(chǎng)信號(hào)較為復(fù)雜，如果小車的前瞻較近則不利于小車的快速靈活轉(zhuǎn)向；如果前瞻較遠(yuǎn)，那么在賽道之間過(guò)近的情況下則容易出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤使小車跑出賽道，致使比賽失敗。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出，前瞻的最佳距離為。第三章3.4舵機(jī)的安裝3.5a3.5b3.5b第三章編安導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸變形，編信號(hào)線最好使用膠帶固定在編外殼上避免長(zhǎng)期使用過(guò)程中的拉扯導(dǎo)致信號(hào)線脫落，安裝好的實(shí)物圖如圖3.6所示。圖3.6軟件控制的總體思路制是連接電路與機(jī)械的橋梁，也是該比賽的部位?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。圖 傳感器處運(yùn)放的放大倍數(shù)可調(diào)。然后對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波，最終得到的信號(hào)電壓0V-5V。AD采樣的精度8位，所得到的值為0-256。我們采用單排傳感器檢測(cè)PID控制PIDe(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微PIDPIDPID70它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)ID，或不能通過(guò)有效的測(cè)量來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PIDPIPDu(t)

e(t)

te(t)dt

（公式4- I

PID控制實(shí)現(xiàn)的控制方式又分為模擬方式和數(shù)字方式PID控制框圖如圖4.4.14.4.1PID為控制量；E(s)為被控量與設(shè)定值R(s)的偏差。時(shí)域表達(dá)式為 u(t)Ke(t) te(t)dt

de(t)

Ti

dtku(k)KPe(k)KIe(i)KD[e(k)e(k

表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k)，所以被稱為數(shù)字PID位置控制算PIDPID的增量型控制算式如公式4-5所示：u(k)u(k)u(k K[e(k)e(k1)]Ke(k)K 2e(k 4.4.2PID第五 開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)CodeWarriorCodeWarrior是面向以HC12和S12為CPU的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件包，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家?guī)?、全仿真、可視化參?shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、器以及調(diào)試器等。在CodeWarrior軟件中可以使用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言，以及兩種語(yǔ)言的混合編程。所示。5.1CodeWarriorCodeWarriorIDE5.1選擇目標(biāo)型號(hào)以及與電腦的連接方式，這里選擇以“TBDML”項(xiàng)，如圖5.2圖5.4所示。5.4程序源代碼的編輯、編譯與BDM現(xiàn)如下窗口，點(diǎn)擊“確定”按鈕，如圖5.5所示。圖 之后BDM會(huì)自動(dòng)擦出Flash，如圖5.6所圖5.6擦除再新程序如圖5.7所示圖5.7新程BDM5.85.8BDM現(xiàn)場(chǎng)調(diào)在基本程序完成之后還需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)程序進(jìn)行微調(diào)。所以我們了按鍵和液晶模PDKpKd圖5.2a藍(lán)牙發(fā)送模 圖5.2液晶模調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決過(guò)程2，還有可能的電感問(wèn)題（換電感還，同時(shí)換一對(duì)四，調(diào)程序問(wèn)題：車模主要技術(shù)參數(shù)4編精0從去年11月開(kāi)始籌備比賽，由于上一屆沒(méi)有學(xué)長(zhǎng)參加比賽，我們一切步走到現(xiàn)在，車速?gòu)?.8m/s不斷修改參數(shù)，每0.1m/s不斷往上加，才有了今4個(gè)人的無(wú)數(shù)個(gè)日日夜夜的心血，在智能車控制算法設(shè)計(jì)方面,我們編寫函數(shù)SC_black_Init()，控制ADC語(yǔ)言編程，采用比賽推薦的開(kāi)發(fā)工具調(diào)試程序，在不斷的編寫調(diào)試中,我們確定了一套比最后，感謝首先要感謝學(xué)校和學(xué)院對(duì)我們的大力支持，以及指導(dǎo)舍地相伴與付出；感謝山東大學(xué)和能組織這么一場(chǎng)有意義的比賽。[2],馬旭,卓晴.基于磁場(chǎng)檢測(cè)的尋線小車傳感器布局研究[J].電子產(chǎn)品世[3]臧杰，.汽車構(gòu)造[M].:機(jī)械工業(yè).2005.[5].單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)方法[M].:， 附件A電路板詳細(xì)設(shè)計(jì)原理圖與算法子程序分程序代電路板詳細(xì)設(shè)計(jì)原理圖如下如圖A-1floatdianji_PID(floatdesired_vehiclespeed,floatfeedback_speed);voidspeed_control(void);voidGet_ADValues(byten_ci);//4Expert)*/wordwordwordword word wordg_wCurrentPlusValue=0; //當(dāng)前值floatkp=0.4,ki=0.09,kd=0.1; //PI控制floatVehicle_Speedcmps=0.0; //小車車速cm/sfloatvehicle_curr_error=0; //車速偏差cm/sfloatDesired_vehiclespeed=150;//目標(biāo)車速float //增量式PID算法輸出的dert_ufloatvehicle_last_error=0; floatvehicle_pre_error=0; floatU_Control_noRevised=0; float float //編反饋的車byte wordcounter_PITflag=0;//用于驗(yàn)證中斷是否正常,無(wú)實(shí)際意義wordCOUNTER_TI1test=0;//用于驗(yàn)證中斷是否正常,無(wú)實(shí)際意義bytetemp_lock=0;floatvoidTurn_LeftDTYControl(floatangleCMD);voidTurn_RightDTYControl(floatangleCMD);float word#defineAD_SAMPLECISHU10wordADShuZu_0[AD_SAMPLECISHU]={0},ADShuZu_1[AD_SAMPLECISHU]={0};采樣值存放的數(shù) 24[AD_SAMPLECISHU]={0};2float voidDuoJiPIDControl(void);floatwordg_wPIDservo;floatDuo_kd=0;wordDuoJi_,Pre_DuoJi_;wordDuoJi_Mid_=3080;wordDuoJi_LTurn_wordDuoJi_RTurn_Limit=3700;/*左直角轉(zhuǎn)彎變量word/*藍(lán)牙變量wordLanYaCounter=0;floatAA=45,BB=16,CC;floatDDTest;worda=0,b=0;intgewei,fenwei;/*直道判斷bytebyteSTOP_LOCK=0,stop_flag=0;byteTEMP_FLAG=0;void{/*Writeyourlocalvariabledefinitionhere*/byteerrror,temp,OneByteData;//word/***ProcessorExpertinternalinitialization.DON'TREMOVETHISCODE!!!***//***EndofProcessorExpertinternal/*WriteyourlocalvariabledefinitionhereDTY0=0;/*DTY0>1且DTY2=0小車前進(jìn)*/DTY2=0;/*DTY0>1且DTY2=0小車前進(jìn)*/{{PITCFLMT_PITE=PITCFLMT_PITE=}{if(PORTA_PA6==0||PORTA_PA7==0)回到斷開(kāi)狀態(tài),即PA6PA7仍未高電平{{}//PITCFLMT_PITE=/*舵機(jī)刷新程序//Get_ADValues(AD_SAMPLECISHU);//Get_ADDTPJ(AD_SAMPLECISHU);}}//if(DoubleCar_Lock==1&&LanYaCounter>=80)if(DoubleCar_Lock==1&&LanYaCounter>=120)//越過(guò)干簧管終點(diǎn)后繼2{{}//if(Speed_feedback>=0&&//////}}/***Endoffor(;;)}/***Endofmain#pragmaCODE_SEG NEAR_SEGNON_BANKEDISR(mypit)/*PITPITPITPITPITPITPITPITPITPITPITPIT斷5ms{if(LanYaCounter%20==0)LanYaSendDataFlag=1;**g_wCurrentPlusValue=capPulcounter;g_wDeltaPlus=g_wCurrentPlusValue-g_wPrePlusValue=Vehicle_Speedcmps=g_wDeltaPlus*0.01472*200;//計(jì)算反饋的車速,單位cm/s,編盤旋轉(zhuǎn)一圈輸出512個(gè)脈沖Get_ADValues(AD_SAMPLECISHU);{if(PORTB_PB2==0&&PORTB_PB5==1)//1.3m/s{{}{整}}{{ }{}}} Dert_u=dianji_PID(Desired_vehiclespeed,Speed_feedback);PITTF_PTF01;}#pragmaCODE_SEG**voidspeed_control(void){{U_Control_noRevised=DTY1+Dert_u;//得到當(dāng)前的DTY0(正轉(zhuǎn),else}else{U_Control_noRevised=DTY3+elseDTY3=}}floatdianji_PID(floatdesired_vehiclespeed,float{vehicle_curr_error=desired_vehiclespeed-ki*vehicle_curr_error+\kd*(vehicle_curr_error+vehicle_pre_error- //把k-1賦給k-2 returndert_u;//注意dert_u為正值或負(fù)值}函數(shù)名:Get_ADValues(byte功能 獲得工字電感的采樣值要求4voidGet_ADValues(byten_ci){byteword //n_ci次AD{{}}{}My_FinalADValue[0]=jj0/n_ci;My_FinalADValue[1]=My_FinalADValue[2]=jj2/n_ci;My_FinalADValue[3]=jj3/n_ci;My_FinalADValue[4]=} 舵機(jī) void{//舵機(jī)PID算 e[3]-1000)/