北京交通大学技术报告北交电磁二队.docx
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北京交通大学技术报告北交电磁二队
第五届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车邀请赛
技术报告
学校：
北京交通大学
队伍名称：
北交电磁二队
参赛队员：
陈荣滕昊马浩宇
带队教师：
马庆龙朱明强
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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：
前言
第五届飞思卡尔杯智能汽车大赛首次加入了基于电磁传感器的寻线智能车，在地面铺设通有交变电流的引导线，在引导线周围激起交变的磁场，从而通过检测此磁场引导车辆行驶。
使用电磁场作为引导智能车的优点，主要体现在磁场信号具有很好的环境适应性，不受光线、温度、湿度等环境因素的影响。
由于电磁场是矢量场，具有方向行，对于不同的传感器和传感器的不同摆放方式，探测到的电磁场也是有所不同的。
这份技术报告中，我们通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的想法，而对程序具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳动。
第一章系统总体架构的设计
1.1总体结构框图
系统是以检测电磁场信号为基础，通过单片机处理信号实现对车体控制，实现车体能够准确沿着预设路径寻迹。
系统电路部分需要包括单片机控制单元、电机驱动电路、电磁传感器电路等部分，除此之外系统还需要一些外部设备，例如编码器测速、伺服器控制转向、直流电机驱动车体。
综上所述，整个系统需要包括以下内容（如图1-1）。
图1-1系统总体结构图
第二章机械结构设计及制作
此次竞赛选用的智能车竞赛专用车模（G768仿真车模）。
智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。
模型车基本尺寸参数如下表
表1
基本尺寸
尺寸
轴距
198mm
前轮距
137mm
后轮距
137mm
车轮直径
52mm
逐减传动比
18/76
2.1前轮转向
对于汽车而言，要保持车辆直线行驶的稳定性，使之转弯自动回正、转向轻便，必须确定车轮定位参数，包括主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束。
主销后倾：
主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩，阻碍车轮偏转。
主销后倾角越大，车速愈高，车轮偏转后自动回正力越强，但回正力矩过大，将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并使转向沉重。
通常后倾角为1°~3°，如图2-1所示。
图2-1主销后倾
主销内倾：
在汽车前后方向上，主销向内倾斜一个角度，主销轴线与垂线间的夹角称为主销内倾角。
当汽车转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾,则车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度，在外力消失后，车轮就会在重力作用下力图恢复到原来的中间位置。
通常主销内倾角不大于8°，如图2-2所示。
图2-2主销内倾
前轮外倾：
在汽车的横向平面内，前轮中心平面向外倾斜一个角度，称为前轮外倾角。
前轮外倾角一方面可以使车轮接近垂直路面滚动而滑动减小转向阻力，使汽车转向轻便；另一方面减少了轴承及其锁紧螺母的载荷，增加了使用寿命，提高了安全性。
一般前轮外倾角为1°左右，但对于有高速、急转向要求的车辆，前轮外倾角可减小甚至为负值，如图2-3所示。
图2-3前轮外倾
前轮前束：
俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是稍微带一些角度，这种现象称为前轮前束。
车轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不良后果，二者相互协调，保证前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。
前轮前束一般为0~12mm。
而现代汽车的前轮外倾角出现减小甚至为负值的趋势，前轮前束也应相应减小甚至也为负值，如图2-4所示。
图2-4前轮前束
2.2后轮差速调节
车在转弯时后轮的速度会不同，所以需要差速器。
在后轮不打滑的情况下，差速越松，转向效果越好，但是太松的差速会导致无法提供驱动力。
实际中在赛道上调整到比较平衡的值就可以了。
在差速和摩擦轴承中适当加点油也可以一定程度上改善差速的性能。
第三章硬件的设计及制作
3.1传感器的设计及制作
经过前述理论分析可知，采用线圈作为传感器有很强的适应能力，能够满足电磁场检测的要求，并且容易实现，比较适合检测变化的电磁场。
在实验的初期，测试过磁阻以及磁敏三极管，对于本电磁场信号（20KHz，100mA）响应较差，几乎无法感受到电磁场信号，输出非常微弱甚至没有输出。
在采用线圈作为电磁场传感器后，通过串联谐振原理，输出信号较大，并且随着位置改变输出信号也有很明显的变化。
根据传感器总体结构图，设计传感器电路图包括LC串联谐振电路感应电磁场信号，经过后级放大电路放大弱小信号，通过半桥检波和低通滤波器后输出直流信号。
在选取LC串联谐振电路时，实验了使用电感和自制线圈方法，由于自制线圈不易固定其电感值，无法找到匹配电容。
考虑到谐振电感、电容市场上能够购买到的标称值和谐振电路的Q值等因素，最终选取10mH电感。
通过公式：
式3-1
可以计算出C=6.33nF，市场上最接近的电容值是6.8nF，所以最终选取10mH电感和6.8nF电容作为LC串联谐振电路。
放大级可以选用三极管和运算放大器实现，考虑电路的频率响应和成本等因素，最终选取三极管作为放大元件。
半波检波电路使用两个二极管实现，在初期实验时，使用的是普通1N4007二极管，经过测试后发现频率响应特性不是很好。
查阅资料后更换为FR104高速二极管作为检波二极管。
前级输出半波波形经过
型低通滤波器后输出直流信号。
整个传感器电路图如图3-1所示，焊接完电路（如图3-2）后用示波器检测是否满足要求。
图3-1传感器电路图
图3-2传感器电路
经过LC串联谐振电路感应出的波形为频率20KHz的正弦波，当传感器原理通电漆包线时，波形如图3-3所示，其峰-峰值大约为54mV。
当传感器靠近漆包线时，波形如图3-4所示，其峰-峰值大约为452mV。
可以看出随着偏移位置的改变输出波形强度会有很大的变化。
图3-3传感器远离漆包线时波形图3-4传感器靠近漆包线时波形
在相同距离下，经过后级放大、检波、滤波电路后输出直流信号如图3-5、图3-6所示。
图3-5远离漆包线时直流输出信号图3-6靠近漆包线时直流输出信号
通过图可以看出，在远离通电漆包线时，其直流输出信号平均值大约为279mV,当靠近漆包线时，其直流输出信号平均值可以达到4.32V。
此信号可以直接输入单片机A/D接口采样，使用12位A/D进行采样大约数值变化范围为44～3539。
为了得到每个传感器的特性，通过测试得到车体在不同位置的时候每个传感器读数，绘制成表格3-1，并用Matlab绘制在不同位置最终直流输出信号的图形如图3-7所示。
其中蓝色代表最左方传感器、绿色代表中间传感器、红色代表最右边传感器，纵坐标Y为直流电压值，单位是mV，横坐标X是偏移位置，单位是cm。
从图中可以看出，用左右两个传感器数值做差进行线性化处理可以得到一条曲线如图3-8所示。
从曲线可以看出，不同的电压数值对应一个位置，可以利用这条曲线辨别出车体偏离漆包线的位置。
表格31传感器在不同位置下的感应电压
-12.5
-11.5
-10.5
-9.5
-8.5
-7.5
-6.5
-5.5
-4.5
1号
3700
3460
3540
3410
3170
3000
2540
1930
1550
2号
16
152
392
733
993
1410
1840
2330
2770
3号
16
16
16
16
16
16
16
16
16
-3.5
-2.5
-1.5
-0.5
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
1号
1190
910
634
402
157
23
16
16
16
2号
3310
3660
3820
4050
4170
4170
4060
3900
3690
3号
16
16
16
16
28
175
427
735
1090
5.5
6.5
7.5
8.5
9.5
10.5
11.5
12.5
1号
16
16
16
16
16
16
16
16
2号
3420
3080
2590
2230
1820
1450
1140
911
3号
1540
2010
2530
2950
3420
3820
4100
4230
图3-7传感器位置与直流输出关系
图3-8左、右两个传感器做差后曲线
3.2测速器的设计及制作
测速采用光电编码器方案，并且通过一块金属支架安装在后轮齿轮处（如图3-9），与齿轮耦合。
通过测量齿轮速率，间接测量车体的运动速率。
光电编码器采用欧姆龙的E6A2-CS3C小型光电编码器，其旋转一周可以输出500个脉冲信号。
将此信号输入单片机的脉冲捕捉模块可以获得编码器输出脉冲数。
单位时间查看脉冲捕捉数值，并且清零即可获得车体运动速度。
例如：
车轮直径为53mm，可以计算得到车轮周长约为166.5mm，通过测试得到车轮选择一周光电编码器输出脉冲数为2138个，可以计算得到车行走1mm输出12.84个脉冲。
如果1ms查看一次脉冲捕捉寄存器数值为128.4，则可以计算得到在1ms时间里车体行走了10mm，则车速为10m/s。
图3-9光电编码器的安装
3.3电机驱动的设计及制作
电机驱动使用逻辑控制电路控制MOSFET管导通驱动电机。
通过单片机输出占空比可调的脉冲信号，控制MOSFET导通时间实现对电机转速的控制。
逻辑控制部分电路如图3-10所示，MOSFET电路如图4-11所示。
逻辑控制电路部分采用5V电压供电，将输入的PWM信号反向输出，这样可以控制上下MOSFET不会同时导通导致短路。
MOSFET电路采用电池7.2V电压供电，并且用多片MOSFET并联。
使用此方法可以减小MOSFET内阻，未并联前电阻大约为16毫欧，通过并联可以减小至一半，这样能够通过电流增加约一倍。
图3-10电机驱动逻辑控制电路原理图
图4-11电机驱动MOSFET电路原理图
3.4单片机
整个系统的核心控制采用Freescale的MC9S12XS128型号16位单片机，5V电压供电。
单片机内部资源有：
128KB的FLASH、8KB的RAM、8KB的DATAFLASH、I/O口有91个、总线频率为40MHz，内部有CAN总线、SCI、SPI，16路12位A/D、8路8位PWM输出（在实际使用时，为了提高输出精度将两路PWM合并为一路则有4路16位PWM输出）、16位定时器、4路PIT。
可见，此单片机有很丰富的资源，可以满足真个系统的需求。
其中，16位PWM输出能够很好的控制S3010伺服器工作，实现精确转向；12位A/D工作时钟最大可以达到8M，满足信号采样的需求；4路PIT可以实现对脉冲信号的上升沿和下降沿捕捉；丰富的I/O口资源能够扩展外部设备，如键盘、LCD、LED。
单片机最小系统原理图如图3-12所示
图3-12MC9S12XS128单片机最小系统原理图
在课题中，使用了单片机内部PWM模块、脉冲捕捉模块、A/D模块、SCI模块、SPI模块及I/O。
PWM模块分为三路输出，其中一路PWM输出频率为50Hz，正脉宽约为1.5ms~2.5ms的信号用于控制S3010伺服器。
不同正脉宽对应不同的转向值，并且恒定某一输出值后，伺服器会保持转角不变。
另外两路PWM输出频率为1KHz的信号，当A路输出低电平，B路输出PWM信号时电机实现正转，通过改变正脉宽可以实现电机转速调节。
当A路输出PWM信号，B路输出低电平时则实现电机反转，用于减速控制。
脉冲捕捉模块配置为上升沿、下降沿检测方式，用于捕捉编码器输入脉冲数，通过测量输入脉冲得到智能车运动速率。
A/D模块用于对传感器输入电压采样，获得传感器电压数值。
采用12位精度采样，时钟配置为2M/s，配置为4路通道循环采样，关闭中断采用查询方式获取转换数值。
使用SCI模块与无线模块通讯，发送数据至电脑端，其波特率配置为9600bit/s，大约一秒能够发送1200字节数据。
SPI模块用于读写TF卡，速率配置为2M/s，能够实现高速读写TF卡，记录智能车的重要数据。
3.5传感器架设方案
由于电磁传感器靠被动检测电磁信号感知道路信息，所以传感器所在位置感应的信号为此位置的信号。
并不像摄像头传感器那样，将摄像头架设在某一位置，当可以感应前方几米远的道路信息。
为了能够提高车速，必须要在小车入弯前感知弯道，并且这个提前感知距离（称为前瞻）越大越好。
电磁传感器只能通过前移传感器提高前瞻距离，架设越靠前则前瞻越大，但是传感器架设过于靠前则会影响车体的重心，降低车体的机械性能。
架设方案使用铝制支架以大约40度倾角伸出（如图3-13）。
图3-13传感器架设图
最初，采用4个传感器架设方案。
但经过测试后发现4个传感器在入弯和出弯时切换会有复杂的耦合过程。
如果采用3个传感器直接对最外面两个传感器做差即可得到偏移量，从而消除了不同组传感器切换之间带来的不连续变化过程。
第四章软件设计及流程
4.1软件流程图
软件运行需要配置单片机各个模块寄存器数值，使单片机各个模块正常工作。
初始化中包括：
单片机时钟配置、I/O口配置、PWM模块配置、A/D模块配置、RTI实时中断配置、脉冲捕捉模块配置。
当初始化完毕后，开始对传感器输入信号进行采样，当完成一次采样后将采样值输入控制算法，控制算法经过运算得到应该偏转的角度和速度，通过改变PWM模块内部寄存器数值可以得到不同占空比的方波信号，实现对舵机和电机的调节。
如图4-1所示：
图4-1软件基本流程图
4.2转向控制软件设计
通过比较两路A/D采集传感器电压大小，可以得知传感器与漆包线之间的位置。
假设1号传感器在车体左方，2号传感器在车体右方。
当车体偏向漆包线左方时，右侧传感器靠近漆包线数值增加，左侧传感器远离漆包线数值下降，用1号传感器数值减去2号传感器数值则会出现负值；当漆包线在车体正中间时，左侧传感器数值等于右侧传感器数值，那么做差之后的数值为0；当车体偏向漆包线右方时，右侧传感器远离漆包线数值下降，左侧传感器靠近漆包线数值增加，做差后会得到正值。
那么根据做差后的数值可以判断车体与漆包线的位置关系，从而控制舵机转向修正车体位置。
得到偏离位置值之后，PID控制器（如图4-2）对输入偏差值运算得到修正值，输入调节小车沿着路径行驶。
通过更改KP_A、KI_A、KD_A三个参数改变小车的控制性能。
Output_position=4490-（（float）（KP_A*Position[i1]+KI_A*Sum_position+KD_A*De_position））/6;
图4-2PID控制系统结构框图
4.3速度控制软件设计
关于速度控制策略的设计需要考虑到直流电机是较大时滞环节，并且不要求过于精细的控制，只需要达到某一速度范围即可。
对于速度控制采取模糊控制的方法，利用MATLAB2008里的模糊逻辑推理系统仿真工具箱设计。
设计步骤如下：
（1）选取速度给定值与反馈值的偏差e和偏差的变化率de作为输入变量。
如图4-3
图4-3选取输入变量
（2）确定模糊控制器结构：
输入变量为速度偏差值和速度偏差值变化率，所以控制器结构为选择二维模糊控制器。
（3）设计模糊语言变量（如图4-4，4-5，4-6）
图4-4速度偏差模糊语言变量
图4-5速度偏差变化模糊语言变量
图4-6输出模糊语言变量
（4）确定模糊控制规则集（如图4-7）
图4-7模糊控制规则集
（5）确定模糊推理算法（如图4-8）
图4-8输入输出三维变化曲面
以上为测速软件的设计，利用单片机的实时中断功能，1ms查询一次脉冲捕捉寄存器数值，通过计算得到编码器测量脉冲值转化为速度值的函数为：
Speed_detect=（（Pulse_counter*100）>>7）*10;
通过此公式计算出的速度值与实际值有一定误差，但是为了提高运算速度采用这种近似运算有一定的好处，可以很快得到速度值，输入模糊控制算法能够较快做出决策。
在加速和减速环节需要进行调试，以达到又快又稳的加速、减速。
在加速过程中，不能突然改变电机的转速。
因为车胎和地面的摩擦力大小一定，当给过快的转速时，后轮会出现侧滑现象，此时车体出现左右摇摆，失去稳定性不利于控制。
最终采取的加速策略是：
在一定时间内（大约一秒左右）缓变电机转速，当达到一定速度以后就保持。
减速相对加速难度更大，快而稳的加速会给车体控制带来极大的便利。
减速过程不能直接将车胎抱死，如果后轮发生抱死，转向能力倒是存在，但极有可能出现后轮侧滑，严重时便出现甩尾。
在减速调试中，采用了类似汽车的ABS技术，过程如下：
当需要加速时，将车轮抱死，然后让其自由滚动，然后再抱死。
如此反复能够消耗车体运动的能量，达到最佳减速效果。
图4-34速度控制流程图
第五章系统调试
5.1开发工具及调试过程
使用CodeWarriorDevelopmentStudioforHCS12（X）V4.7作为程序编写、编译、下载、调试工具。
在软件内部集成了在线调试功能，可以查看程序变量以及寄存器值。
如图5-1所示。
图5-1CodeWarriorDevelopmentStudio调试界面
为了便于调试小车寻迹效果，在实验场地制作了跑道用来调试小车寻迹是否能够满足要求如图5-2所示。
图5-2实际场地
经过多次试跑可以得到小车运行参数，包括运行速率、传感器探测值、输出转向值、输出速度值等，然后将运行参数发送至电脑，在电脑上运用matlab作图分析。
使用单片机的SPI模块与TF传输数据，通过查阅TF卡技术资料编写通信协议，实现高速访问TF卡。
大约2.2ms可以读写512字节数据，相对于市面上常用的波特率为9600的无线通信模块，速度快了越194倍，能够记录大量数据。
第六章赛车主要技术参数
6.1智能车外形参数
车长：
39cm
车宽：
24cm
车高：
11cm
车重（含电池）：
0.98kg
6.2电路参数
电路功耗：
约35W
总电容：
410微法
6.3传感器类型及个数
电磁传感器5个
干簧管传感器1个
速度传感器1个
6.4除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量
新增加伺服电机个数0
6.5赛道信息检测精度、频率
赛道信息检测精度1cm
频率50kHz
第七章总结
在四个月的智能车制作过程中，运用了课上所学的知识，并且也学习到了许多课程以外的知识。
其中发码器、传感器的制作是课题研究的前提，也是制作中难度较大且关键的环节。
最初，在发码器制作过程中没有考虑外接负载的变化给电路带来的影响，对实际测试带来了一定的影响。
通过增加恒定电流环节和匹配电容后改善了发码器的性能，达到了课题研究的要求。
因为传感器输出的信号是模拟量，所以在制作过程中电阻、电容、电感的误差对传感器性能产生了很大的影响，相同电路以及布局最终传感器的性能却不相同，给调试带来了很大的麻烦。
在车模调试过程中，前轮转向、差速器、重心等的调校对于车体的机械性能有很大的影响。
相同车体机械性能情况下，控制算法就起着决定性作用了。
控制算法的编写和调试是整个项目最为重要的部分，理论算法和实际运用有较大的差别，需要调试中去修改，不能完全按照理论制作，但又不能缺少理论的支持。
转向控制与速度控制之间存在着不可或缺的联系，只有将这两者结合才能达到最好的控制，但两者的结合却又使得算法复杂性提高、难度加大。
参考文献
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附录
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