天津工业大学磁导航一队技术报告文档格式.docx
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第二章，赛车整体设计，从硬件及软件方面简单的介绍了赛车结构。
第三章，智能车系统方案的选取，介绍电感与电容的选取以及电路设计。
第四章，赛车机械结构调整，具体介绍了对赛车各个机械部分的调整，使其达到最佳状态。
第五章，电磁信号采集模块，主要对电感电路的不同的安装方式所得到的信号进行介绍。
第六章，电机驱动模块，介绍了驱动电机的原理及电路设计。
第七章，舵机转向模块，介绍了舵机的结构、参数，以及舵机的控制方法和程序初始化。
第八章，电源分配模块，介绍了系统各个部分的电源分配和电路设计。
第九章，测速模块，介绍了测试模块的硬件设计，电路和程序初始化。
第十章，赛车控制策略，介绍了控制赛车舵机，赛车调速。
第十一章，总结，参赛队员对参加比赛的体会和感想，存在的不足之处。
第二章赛车整体设计
2.1硬件模块设计
系统硬件模块设计图如图2.1所示。
2.1系统硬件模块设计图
整个赛车硬件模块主要分为六大部分：
电源模块、电磁信号采集模块、测速模块、驱动模块、舵机转向模块。
电源模块：
由于在赛车运行过程中阻力的变化频繁，加速制动剧烈，电池负载变化剧烈，所以采用MAX063将电池电压稳压到5V，单独给单片机供电，以提高单片机工作电压的稳定性；
采用lm576将电池电压稳压到5V给信号采集模块电路、测速电路、电机驱动芯片供电；
电机驱动和舵机电源直接采用电池7.2V供电。
电磁信号采集模块：
将由电感和电容的谐振电路得到的信号通过运放放大后，由mc9c12xs128AD模块采取电压信号，通过比较峰值大小，判断小车位置
测速模块：
测速模块主要由小型编码器和ect脉冲捕捉功能构成。
通过一定时间内捕捉到编码器发出的脉冲来计算出赛车的速度。
舵机模块和驱动模块分别用于实现赛车转向和驱动。
驱动模块采用H桥电路，一方面提高了驱动能力，另一方面所选芯片承受最大电流可达60A，完全可以满足电机堵转时所要求的驱动承受能力。
图2.2为主板电路图
图2.2主板电路图
2.2软件结构流程
系统软件流程图如图2.3所示。
图2.3系统软件流程图
在系统程序中，主要包含电压采集，采集数据处理，测速及控制量的计算三部分。
采集电路的电压信号是在AD中断中采集的,每完成一次有效的AD采集，关闭AD中断，进行数据处理和测速处理。
数据处理完成后，进行有效的转角和速度控制。
第三章智能车系统方案的选取
3.1电感采集交变电流信号的原理
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。
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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波中间，为3kHz～30kHz，波长为
100km～10km。
如图3.1所示：
图3.1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。
2、电磁场的检测方法
磁场的检测方法有很多，利用物质与磁场之间的各种物理效应，人们发明了很多磁场传感器，例如：
磁敏二极管，磁敏三极管，电磁线磁场传感器。
各种磁场传感器由于测量原理不同，测量的磁场精度和范围是不一样的。
但是这些磁场传感器相对于交变磁场的实现起来具有一定难度。
从价格和适用性考虑，我们选择了官方提供的电磁感应线圈的方案，它具有原理简单、价格便宜、体积小（相对小）、频率响应快、电路实现简单等特点。
由电磁感应定理，变化的磁场在导线中产生电动势，闭合的导线中则会产生电流，按正弦规律变化的磁场则产生按正弦规律变化的电动势。
由图3.1知，离导线越远磁场越弱，检测到的电动势就越小，又由于得到的是正弦变化的电压，电压的变化即电压幅值的变化。
为了得到稳定的电压信号，采用LC振荡电路进行信号采集。
3.2对原始信号的处理
通过LC谐振电路得到的原始信号如图3.2。
图3.2原始信号图
从LC谐振电路得到的信号是交变的电压信号，电压幅值太小，只能达到几百毫伏，需进行放大，要直接能由AD采集，还必须把负电压升高为正电压且不能让信号失真，才能通过AD直接采集进行数据的处理。
放大电路如图3.3所示。
图3.3信号放大电路图
该电路里的电阻都是通过实验得到了，不同的电阻搭配将会得到不同的放大倍数，但是如果电阻匹配不合理就不能得到理想的放大倍数，也会使原始信号变坏，出现毛刺、不稳定等现象。
原始信号通过此电路过后，得到放大且电压升高的信号，信号如图3.4。
图3.4处理信号图
3.3电感和电容类型的选取
对于谐振电路，电感和电容的选取只需满足
。
我们选择了10mh的电感和6.8nf的电容。
在电感和电容的数值匹配上，只要满足选取原则即可，对信号影响不大。
但是电感和电容类型的选择则会对信号的稳定性，信号的强弱产生很大的影响。
10mh的电感在市面上有很多类型，主要是绕线的粗细，粗的绕线可以得到更大，更稳定的信号，而细的绕线电感体积小，重量轻，且产生的信号也很稳定。
所以从各方面考虑，我们选择了细绕线的电感。
电容的类型则决定了谐振电路选频能力的高低。
最开始我们选用瓷片电容，得到的信号会随外界条件而发生变化，且相同的两块电路对称性很低，信号之间有很大的差值。
后来改用云母电容，改变了这样的现状，使信号稳定且电路之间的对称性提高。
由此，我们明白，不同的电容将会对电路造成很大的影响。
第四章赛车机械结构调整
要保证赛车的稳定的行驶，而且直道加速阻力较小，转弯比较灵巧，除了有相应的软件和硬件电路的设计之外，赛车的机械结构对其也有很重要的影响。
本章将介绍赛车的机械结构特点及调整方案。
今年整车布局采用低重心紧凑型设计，降低舵机调整力臂长度以提高响应速度。
而且由于驱动电路的改进，电机动力性提高的同时热负荷也显著增加了，提高了赛车持续调试和比赛的能力。
在降低整车重心方面采用了低位主板的布局，尽量减轻信号采集电路和支架的重量。
赛车整体图如图4.1所示。
图4.1赛车整体布局图
赛车基本尺寸参数如表4.1所示。
表4.1赛车基本尺寸参数
基本参数
尺寸
轴距
200cm
前轮距
126cm
后轮距
135cm
车轮直径
54cm
车长
39mm
车宽
24mm
传动比
18/76
4.1底盘调整
从空气动力学角度上讲，影响赛车行驶稳定性的三个主要内容是：
下压力，阻力以及灵敏性。
大的下压力可以增大赛车的抓地能力，从而提高赛车的过弯极限，减小后轮的侧滑，保证赛车行驶稳定性。
但同时下压力的增加却带来赛车阻力的增加，不可避免的却会牺牲赛车的部分极速。
而且下压力的增加会导致前轮负荷增大，转向灵敏性降低。
所以底盘以及其它部件的安装及布局应该综合考虑。
另外车体重心位置对赛车加减速性能、转向性能和稳定性都有较大影响。
重心调整主要包括重心高度和前后位置的调整。
理论上，赛车重心越低稳定性越好。
而对于赛车重心前后调整方面，根据车辆运动学理论，车身重心前移，会增加转向，但降低转向的灵敏度（因为大部分重量压在前轮，转向负载增大），同时降低后轮的抓地力，容易产生后轮漂移；
而重心后移，会减少转向，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加。
根据以上两方面理论的研究，我们对底盘及其他模块整体布局的调整方案如下：
一、重心调整：
为了尽可能的降低重心，可以采取两种措施，一是降低底盘，从整车最底层开始降低，但是由于赛道中会出现坡道，所以地盘的降低只能是微调。
另一方面是所有模块的安装尽可能低，主要包括低位主板，降低支架的高度等措施。
在重心前后位置调整方面，将电池向前微调，以确定合适的车体重心，让车模更加适应比赛赛道
二、底盘调整：
由于为了降低重心，减小赛车行驶阻力，主要部件的布局一定，形成车头到车尾斜向上的布局，这样如果赛车底盘与跑道面保持水平时，赛车顶部气流要比底部快，速度差会在上层表面产生一个净负压，我们将其称为“升力”。
为了克服这个升力，以使赛车具有一定的抓地能力，是得赛车加减速性能达到较佳水平，提高转弯的极限以及防止后轮漂移，同时，不能使下压力过大，以影响赛车的转向灵敏性，我们将底盘也调整到一定角度，车尾保持不变，车头底盘稍有降低。
4.2前轮调整
前轮的调整包括前轮主销后倾角，前轮外倾角，前轮前束，主销内倾角的调整。
在调试过程中，我们发现这几个参数对赛车直线的稳定性和弯道灵巧性都有很重要的影响。
主销后倾角是前轮主销与前轮垂直中心线之间的夹角，也就是主销上端向后倾斜的角度。
它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。
由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。
主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。
不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。
前轮外倾角是前轮的上端向外倾斜的角度，如果前面两个轮子呈现“V”字形则称正倾角，呈现“八”字则称负倾角。
由于前轮外倾可以抵消由于车的重力使车轮向内倾斜的趋势，减少赛车机件的磨损与负重。
前轮前束是前轮前端向内倾斜的程度，当两轮的前端距离小后端距离大时为内八字，前端距离大后端距离小为外八字。
由于前轮外倾使轮子滚动时类似与圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。
但由于拉杆的作用使车轮不可能向外滚开，车轮会出现边滚变向内划的现象，从而增加了轮胎的磨损。
前轮外八字与前轮外倾搭配，一方面可以抵消前轮外倾的负作用，另一方面由于赛车前进时车轮由于惯性自然的向内倾斜，外八字可以抵消其向内倾斜的趋势。
外八字还可以使转向时靠近弯道内侧的轮胎比靠近弯道外侧的轮胎的转向程度更大，则使内轮胎比外轮胎的转弯半径小，有利与转向。
主销内倾角是前轮主销在赛车水平面内向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。
角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；
反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。
经过反复试验，对主销后倾角、前轮外倾角和前轮前束三个角度进行了适当调整，最后前轮调整的结果为：
主销后倾角为垫片前3片后1片，前轮外倾角-1°
、前轮前束1°
4.3后轮调整
后轮调整主要包括后轮距及差速调整。
由于速度高，为了增加整车在转弯的平衡能力，可用组委会提供的配件把后轮改为大轮距。
在拐弯时由于弯道内侧轮比外侧轮的拐弯半径小，则内侧轮比外侧轮的速度小，这就使两轮胎有一定的速度差，称为差速。
而赛车的差速机构安装在后轮轴上的，所以可以调整后轮的差速。
经多次调试观察发现差速对赛车转弯有很大的影响。
如果差速过紧，即两轮胎的速度很接近时，转弯的时候内侧轮很容易打滑，从而产生侧滑，使赛车滑出赛道。
当差速过松时，会使直道的时候两轮打滑，大大的减小了赛车的驱动能力。
所以差速调整要适当，才会使直道驱动能力强，弯道转弯灵巧。
我们调试差速的经验是把赛车放在赛道上捏住一个轮胎不动让另一个轮胎能在赛道上半滑动时为佳。
4.4齿轮传动的调整
齿轮传动机构的调整主要是调整后轮轴上齿轮与电机输出轴的齿轮及测速编码器齿轮之间的耦合程度。
当耦合比较松时由于齿轮之间存在较大的缝隙，齿轮转动时会产生很大碰撞声音，这样会大大增加齿轮的磨损。
当耦合的比较紧时齿轮之间的摩擦力变大，这样就会使电机分出一部分驱动力克服齿轮之间的摩擦力做功，电机的负载无形中就增强，从而减小了电机对后轮的驱动能力。
为了使齿轮的调整比较适当，经过多次的调试，我们发现当齿轮耦合较松或两齿轮之间不平行时的声音很响，也就是齿轮之间撞击的声音很大，当齿轮耦合比较紧时声音很沉闷并且迟滞，最佳状态是基本上没有撞击的声音，声音清脆并且没有迟滞现象。
4.5舵机改装
组委会提供的舵机为S3010，由于赛车转向时舵机的响应速度是一个很重要的因素，由于电磁受前瞻性的影响很大，所以要求舵机转向灵活准确，又由于车模本身配置的舵机力臂装置较短而且左右晃动的余量较大，为了加快舵机的响应速度，提高转向准确度，开始我们做了以下几方面的改进。
第一，用电池电压即7.2V直接给舵机供电，第二，增加从舵机到连杆之间的长度，以减少舵机本身转过的角度。
第三，把舵机倒过来放置，使舵机位于两轮的中心线上，再把连接两轮胎到舵机的连杆改为一样长，使舵机左右转向时受力比较均匀。
如图4.2所示。
图4.2第一次调整舵机安装图
4.6电磁传感器安装
传感器安装主要考虑以下几方面的因素：
1.重心位置，应该尽量降低重心；
2.尽量将传感器放到最远处以得到最及时的赛道信息；
3.为适应信号的处理适当调整架子的高度；
4.从车身内部引出支架使架子更加牢固不致信号不稳定；
5.安装架材料的选择，尽量减轻重量，提高抗碰撞能力。
鉴于以上诸多因素的限制，我们将传感器架起距离跑道7cm—10cm高度；
支架采用铝合金材质；
如图4.3所示。
图4.3智能车传感器安装位置图
第五章电磁信号采集模块
设计好电磁信号采集电路，得到了导线电流产生的磁场强弱在跑道上的分布情况，就需要考虑电感的安装方向以及不同的安装方向采集到的磁场信号所对应的小车的位置。
5.1电感的安装方式选择
由图3.1知，导线周围分布的电磁场是以导线为中心的同心圆，距离导线越远，磁场越弱。
将导线周围的电磁场按水平和垂直方向分解，可以考虑电感的竖直安放和水平安放。
竖直安放的电感主要采集的是垂直方向的磁场。
随着距离导线的距离变宽，由电感检测到的磁场从小变大，再由大变小。
电感安放的高低不一样，磁场的变化范围的宽度也不一样。
电感安放得越高，检测到的磁场由低变高的范围越宽，随着电感的逐渐增高，这种表现会越来越明显，甚至可以覆盖整个跑道。
其次，由于跑道上导线产生的垂直磁场相互叠加的原因，竖直安放的电感检测到的磁场会受到跑道上其它导线的影响，给处理造成了很大的不便。
水平安放的电感主要采集的是水平方向的磁场，随着距离导线的距离越来越短，水平方向的磁场减弱，检测到的电压信号幅值变小。
电感安放的高低不同，这种变化程度也不一样。
电感安放越低，磁场变化越快。
随着电感安放高度的增加，这种变化将会减缓。
且水平安放的电感不受其它导线产生的磁场的影响，处理起来相对简单。
综上，我们选择了水平安放的电感。
如图5.1。
图5.1水平安放电感图
电感的安放还有很多的方法，由于时间的限制，我们没有一一尝试，但是我们相信，不同的安装方法必然有它的利于弊，只是如何应用的问题。
5.2信号采集模块安装高度的选择
信号采集模块的安放高低，会影响信号的变化趋势。
安放得越高，采集到的磁场变化越缓慢，即在边缘的电压信号也较强，比较有利于AD采集。
考虑到这些问题，我们在安放这部分电路时，有意在高度上提升高度。
但是由于考虑重心的问题，又不能把这部分电路安放得太高。
所以在开始安放我们选择了13cm的高度，在前面一部分的制作过程中，我们对这样的高度比较满意，不论是信号采集还是处理上来说，都没有给我们的调试过程带来限制。
随着进一步的制作过程，我们发现，这样的高度并不是最理想的，或者说不是最适合我们车的，所以我们又在原有的基础上，将这部分模块升高。
如图5.2。
图5.2信号采集模块的安装图
采集模块安装的高低，不仅仅影响的是采集到的信号分布的缓慢程度，更是影响了AD采集的稳定性。
所以，我们在这部分安装的高度上也进行了不少的考虑与试验，最后决定了这样的高度。
第六章电机驱动模块
赛车的速度决定着比赛的成绩，电机的驱动是提高速度的重要硬件基础，所以电机驱动模块在整个控制系统中起到至关重要的作用。
驱动模块主要由硬件电路和软件控制两大部分组成，软件的控制是有硬件的选取决定的。
6.1驱动电路硬件选取
车的主电机为普通直流电机，为了实现变速控制，我们采用H电路进行电机驱动，这样便于速度的控制，及刹车。
起初的驱动电路是采用PMOS管、NMOS管各一对自行搭制的，由于芯片输出的PWM幅值为5V，所以均选用门极与源极电压差为5V的MOS管；
PMOS管为H桥的高压端，NMOS管为H桥的低压端；
该电路用两个8为PWM同道控制,分别控制正向导通和反向导通。
该电路控制简单、效率较高、允许通过电流大，但由于MOS管的频率较低，不利于变速的控制。
硬件电路如图6.1所示。
图6.1H桥电路
上述H电路为自行设计，参数计算不够精确，不利于在高速情况下进行控制，为了能进行更好的速度控制，最终采用直流电机驱动芯片，将H桥电路及保护电路集成到芯片内部，参数比较精准，有利于速度的控制；
硬件电路如图6.2所示。
图6.2集成芯片电路
6.2驱动电路软件控制
初始化程序：
PWME=0X0f;
//pwm0-3，enable；
PWMPOL=0X0f;
PWMCLK=0x0f;
//selectSA，SBclocksour
PWMPRCLK=0x11;
//A:
busclock/2;
Bbusclock/2
PWMCAE=0x00;
//leftpwm
PWMCTL=0x10;
//pwm2-38bitpwm0，pwm116bitpwm
PWMSCLA=0x14;
//pwm1channelclockfrequency1M；
PWMSCLB=0x03;
//pwm2-3channelclockfrequency16.7k
PWMPER2=200;
//pwm2-3cycle2ms
PWMPER3=200;
PWMDTY2=0;
PWMDTY3=0;
控制程序：
if（num>
200）num=200;
//protect
if（num<
-200）num=-200;
0）{//forwardmotoring
PWMDTY2=num;
forward=1;
backward=0;
}
else{//backwordmotoring
PWMDTY2=0;
PWMDTY3=-num;
backward=1;
forward=0;
第七章舵机转向模块
舵机的转向模块是赛车上的重要模块，赛车灵巧的转向是其能快速过弯的保证，所以在保证扭力足够大的条件下如何加快舵机的响应速度是进行舵机改造时要考虑的关键问题。
所以我们进行了几个方面的改造，这几方面在赛车机械结构的调整一节已经详细阐述，在这里就不再复述了。
在这里主要介绍以下舵机的原理及应用。
7.1舵机的结构
如图7.1舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k，直流电机、控制电路板等；
图7.1舵机机械结构
7.2舵机工作原理
控制信号→控制电路板→电极转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈；
7.2.1舵机的基本资料：
型号：
S3010
尺寸：
40.0*20*38.1（mm）（L*W*H）
重量：
41（g）
动作速度：
6.0V时0.16＋0.02〔Sec/60度〕
输出扭矩：
6.0V时6.5＋1.3〔Kg.cm〕
动作角度:
60＋10度
使用电压：
4.0V～6.0V
7.2.2舵机的控制方法：
三线连接法：
黑线：
地线
红线：
电源线（7.2V）
白线：
信号线（PWM信号）
图7.2舵机插头
当单片机信号是1ms正脉冲时,舵机转向-60度位置
当单片机信号是1.5ms正脉冲时,舵机转向度0度位置
当单片机信号是2ms正脉冲时,舵机转向+60度位置
图7.3舵机控制信号
对于赛车而言，由于机械结构的限制，当前轮转到最大时舵机只能转到大约＋40度。
对应的正脉冲为1.18ms到1.82ms。
在我们对舵机进行了一系列的机械结构改造后，当前轮转到最大时，舵机对应正脉冲约为1.32ms到1.68ms，也就是舵机只需要转动＋22度左右，就可以使前轮转到最大位置。
这样就大大节约了舵机转向的时间，加快舵机的响应速度。
7.3舵机的初始化编程：
由于用一个通道PWM只有8位其范围为0～255，所以精度只有1/255，这个精度远远不能满足调节的要求，所以用PWM0和PWM1联合组成16位的寄存器，调节的精度可升高到60°
/500，极限角度可从655到800连续调节，则完全可以满足舵机调节的精度要求。
把PWM0口悬空，用PWM1口输出，即可控制舵机转向。
为了进一步加大舵机的响应速度，把PWM周期从以前的20ms改为10ms，其初始化编程如下：
//pwm0.pwm1
PWMCTL_CON01=1;
//0和1联合成16位PWM
PWMCAE_CAE1=0;
//选择输出模式为左对齐输出模式
PWMCNT01=0;
//计数器清零
PWMPOL_PPOL1=1;
//先输出高电平，计数到DTY时，反转电平
PWMPRCLK=0;
//clockA不分频，即clockA=busclok
PWMSCLA=12;
//对clockSA进行24分频，PWMclock=clockA/24=1MHz
PWMDTY01=1500;
//初始高电平时间1.5ms
PWMPER01=10000;
//周期为10ms;
100Hz
PWMCLK_PCLK1=1;
//选择clockSA作时钟源
PWME_PWME1=1;
//开启PWM
第八章电源分配模块
本作品在电源分配上，5V电源主要采用LM2567-5V降压型开关稳压芯片稳和MAX603升降压稳压芯片稳至5V。
其中MAX603给单片机供电，LM2576给测速模块、视频分离模块、MC34063及其他电路供电；
12V给摄像头供电，而舵机和直流电
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