智能车电磁组比赛技术

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1、第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛电磁组技术报告学校：河南理工大学队伍名称：志成队参赛队员：杨宗保黄号凯毛学宇指导教师：张新良63/65摘要本文介绍了基于MC9S12XS128控制器的直立小车的设计方案。目的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。63/65目录第一章绪论4第二章原理分析72.1直立行走任务分解72.2车模平衡控制72.2车模角度和角速度测量122.3车模速度控制192.4车模方向控制242.5车模直立行走控制算法总图26第三章电路设计283.1整体电路框图283.2XS128介绍

2、与单片机最小系统293.3倾角传感器电路343.4电机驱动电路363.5速度传感器电路373.6电磁线检测电路383.7电源模块40第四章、机械设计404.1车模简化改装404.2传感器安装43第五章程序设计465.1相关模块初始化465.2软件功能与框架5163/655.3主要算法及其实现535.3.1算法框图与控制函数关系535.4参数整定595.4.1角度参数整定595.4.2速度参数整定605.4.3补偿时间常数整定60图表索引63/65图1-1电磁组规定的C车车模7图1-2电磁组车模运行状态7图1-3车模控制任务8图1-4

3、车模制作调试流程图9图2-1保持木棒直立的反馈控制11图2-2通过车轮运动保持车模平衡11图2-3车模简化成倒立的单摆12图2-4普通单摆受力分析12图2-5在车轮上的参照系中车模受力分析13图2-6电机在不同电压下的速度变化线15图2-7加速度传感器原理16图2-8MMA7260三轴加速度传感器16图2-9车模运动引起加速度信号波动17图2-10车模运动引起加速度Z轴信号变化18图2-11角速度传感器及参考放大电路19图2-12角速度积分得到角度19图2-13角速度积分漂移现象20图2-14通过重力加速度来矫正陀螺仪的角度漂移20

4、图2-15角度控制框图21图2-16电机速度检测22图2-17车模倾角给定23图2-18车模倾角控制分析24图2-19车模运动速度控制简化模型25图2-20车模角度和速度控制框图2663/65图2-21改进后的速度和角度控制方案27图2-22检测道路中心电磁线方式28图2-23车模方向控制算法29图2-24车模运动控制总框图30图3-1直立车模控制电路整体框图32表格1XS128端口说明32图3-2XS128LQFP封装引脚图34图3-3最小系统板（112针脚）35图3-4系统板与下载器BDM的连接图36图3-5V3.0系统板112

5、原理图37图3-6陀螺仪加速度计模块38图3-7陀螺仪加速度计二合一模块实物图38图3-8电机驱动模块实物图39图3-9电机驱动原理图40图3-10速度传感器电路41图3-11LM386引脚图42图3-12LM386典型应用电路42图3-13传感器电路图43图3-14电源模块原理图43图4-1完整的C型车模底盘44图4-2简化后的C型车模底盘44图4-3使用热熔胶固定电机支架与车模底盘45图4-4去掉后轮之后的车模底盘46图4-5使用复合胶水固定光电编码盘4763/65图4-6固定好的光电码盘和光电检测管47图4-7电磁传感器支架4

6、8图4-8陀螺仪加速度计安装示意图49图5-1主程序框架55图5-2中断服务程序55图5-3算法框图中与控制相关的软件函数56图5-4控制函数调用与参数传递关系5763/65第一章绪论本次全国大学生智能汽车竞赛电磁组要求采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位处理器(单核)作为唯一的微控制器，采用C型车模。C型车模如图1-1所示：图1-1电磁组规定的C车车模车模通过感应由赛道中心导线产生的交变磁场，进行路径检测，不允许使用传感器获取道路的光学信息进行路径检测。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1-2所示。图1-2电磁

7、组车模运行状态电磁直立车模需要实现车模的平衡控制、速度控制、方向控制。63/65图1-3车模控制任务车模制作分为方案确定、车模制作、车模调试三个阶段，如图1-4所示。63/65图1-4车模制作调试流程图63/65第二章原理分析2.1直立行走任务分解车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，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。从控制角度来看，车模作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务。（1）控制车模平衡：通过控制两个电机正反

8、转保持车模直立平衡；（2）控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。（3）控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。车模直立和方向控制任务都是直接通过