直立行车参考设计方案.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：4.48M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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第一章、前言

第二章、原理篇

2.1直立行走任务分解

2.2车模平衡控制

2.3车模速度控制

2.6车模直立行走控制算法总图

第三章、电路设计篇

第四章、机械设计篇

4.1车模简化改装

4.2传感器安装

4.3注意事项

第五章、软件开发篇

5.1软件功能与框架

5.2 DSC的硬件资源配置

5.3主要算法及其实现

第六章、车模调试篇

第七章、结束语

附录：

第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛电磁组直立行车参考设计方案（版本 2.0）平衡控制速度控制方向控制竞赛秘书处 2012-3-1 1

目录目录 .................................................................................................................................... 2 图表索引.................................................................................................................................... 3 一、前言.................................................................................................................................... 7 二、原理篇................................................................................................................................ 9 2.1 直立行走任务分解.............................................................................................................. 9 2.2 车模直立控制.................................................................................................................... 11 2.3 车模角度和角速度测量................................................................................................... 19 2.3 车模速度控制.................................................................................................................... 26 2.4 车模方向控制.................................................................................................................... 33 2.6 车模直立行走控制算法总图............................................................................................ 36 三、电路设计篇...................................................................................................................... 37 3.1 整体电路框图.................................................................................................................... 37 3.2 DSC介绍与单片机最小系统............................................................................................ 39 3.3 倾角传感器电路................................................................................................................ 42 3.4 电机驱动电路.................................................................................................................... 44 3.5 速度传感器电路................................................................................................................ 45 3.6 电磁线检测电路................................................................................................................ 46 3.7 角度计算电路................................................................................................................... 50 3.8 车模控制电路全图........................................................................................................... 55 四、机械设计篇...................................................................................................................... 57 4.1 车模简化改装.................................................................................................................... 57 4.2 传感器安装........................................................................................................................ 59 4.3 注意事项............................................................................................................................ 63 五、软件开发篇...................................................................................................................... 64 5.1 软件功能与框架................................................................................................................ 65 5.2 DSC的硬件资源配置........................................................................................................ 68 5.3 主要算法及其实现............................................................................................................ 69 六、车模调试篇...................................................................................................................... 82 6.1 调试参数........................................................................................................................... 82 6.2 调试条件............................................................................................................................ 85 6.3 桌面静态参数调试........................................................................................................... 91 6.4 现场动态参数调试......................................................................................................... 101 6.5 方案改进与车模整体水平提高..................................................................................... 101 七、结束语............................................................................................................................ 102 附录：.................................................................................................................................... 103 2

图表索引第一章图 1- 1 电磁组车模直立运行模式........................................................................................................7 图 1- 2 参考设计方案内容.....................................................................................................................8 图 1- 3 车模制作路线图........................................................................................................................9 第二章图 2- 1 车模控制任务分解..................................................................................................................10 图 2- 2 车模倾角会引起车速速度变化..............................................................................................10 图 2- 3 三层控制之间相互配合.......................................................................................................... 11 图 2- 4 保持木棒直立的反馈控制......................................................................................................12 图 2- 5 通过车轮运动保持车模直立..................................................................................................12 图 2- 6 车模简化成倒立的单摆..........................................................................................................13 图 2- 7 普通单摆受力分析..................................................................................................................13 图 2- 8 不同阻尼力下的单摆运动......................................................................................................14 图 2- 9 在车轮上的参照系中车模受力分析......................................................................................14 图 2- 10 车模控制两个系数作用........................................................................................................16 图 2- 11 车模运动方程........................................................................................................................16 图 2- 12 加入比例微分反馈后的系统框图........................................................................................17 图 2- 13 电机在不同电压下的速度变化曲线....................................................................................18 图 2- 14 加速度传感器原理................................................................................................................19 图 2- 15 MMA7260 三轴加速度传感器..............................................................................................20 图 2- 16 车模运动引起加速度信号波动............................................................................................21 图 2- 17 实际测量MMA7260Z轴信号 ...............................................................................................21 图 2- 18 车模运动引起加速度Z轴信号变化 .....................................................................................22 图 2- 19 角速度传感器及参考放大电路.............................................................................................22 图 2- 20 角速度积分得到角度............................................................................................................23 图 2- 21 角速度积分漂移现象............................................................................................................23 图 2- 22 通过重力加速度来矫正陀螺仪的角度漂移........................................................................24 图 2- 23 双加速度传感器获得车模角加速度....................................................................................25 图 2- 24 角度控制框图........................................................................................................................25 图 2- 25 电机速度检测........................................................................................................................26 图 2- 26 车模倾角给定........................................................................................................................27 图 2- 27 车模倾角控制速度中的正反馈............................................................................................28 图 2- 28 车模倾角控制分析................................................................................................................28 图 2- 29 车模运动速度控制简化模型................................................................................................29 图 2- 30 增加微分控制后的系统........................................................................................................30 图 2- 31 改进的微分控制....................................................................................................................30 图 2- 32 车模角度和速度控制框图....................................................................................................31 图 2- 33 速度角度控制方案的改进....................................................................................................32 3

图 2- 34 改进后的速度和角度控制方案............................................................................................32 图 2- 35 检测道路中心电磁线方式....................................................................................................33 图 2- 36 通过电机驱动电压的差动控制控制车模方向....................................................................34 图 2- 37 检测车模转动速度的陀螺仪................................................................................................34 图 2- 38 电感线圈的偏角影响感应电动势........................................................................................35 图 2- 39 车模方向控制算法................................................................................................................35 图 2- 40 车模运动控制总框图............................................................................................................36 第三章图 3- 1 直立车模控制电路整体框图..................................................................................................39 图 3- 2 56F8013 内部资源示意图 .......................................................................................................40 图 3- 3 F8013 最小系统电路 ...............................................................................................................41 图 3- 4 F8013 最小系统电路实物 .......................................................................................................42 图 3- 5 陀螺仪、加速度传感器电路..................................................................................................43 图 3- 6 车模倾角传感器电路实物图..................................................................................................43 图 3- 7 双电机驱动电路......................................................................................................................44 图 3- 8 单极性PWM、双极性PWM....................................................................................................45 图 3- 9 两片 33886 组成的电机驱动电路..........................................................................................45 图 3- 10 速度传感器电路....................................................................................................................46 图 3- 11 基于三极管的电磁信号放大检波电路................................................................................47 图 3- 12 基于三极管的电磁放大检波电路实物图............................................................................48 图 3- 13 使用R-R运放进行电磁信号放大检波 .................................................................................49 图 3- 14 LMV358 放大检波输出波形.................................................................................................49 图 3- 15 基于LMV358 放大检波电路实物图....................................................................................50 图 3- 16 双加速度测量角速度电路....................................................................................................51 图 3- 17 双加速度计测量角度波形图................................................................................................51 图 3- 18 简化角速度电路....................................................................................................................52 图 3- 19 实测车模角速度信号波形....................................................................................................52 图 3- 20 角度信号处理电路................................................................................................................53 图 3- 21 不同角速度比例情况下输出波形........................................................................................53 图 3- 22 角度计算环节的传递函数....................................................................................................54 图 3- 23 一个运算放大器实现角度计算............................................................................................54 图 3- 24 不同P1 阻值对应的输出波形 ..............................................................................................55 图 3- 25 简化的角度和角速度处理电路............................................................................................55 图 3- 26 车模控制电路全图................................................................................................................56 第四章图 4- 1 完整的C型车模底盘...............................................................................................................57 图 4- 2 简化后的C型车模底盘...........................................................................................................57 图 4- 3 使用热熔胶固定电机支架与车模底盘..................................................................................58 图 4- 4 去掉后轮之后的车模底盘......................................................................................................58 图 4- 5 电机引线转接板......................................................................................................................59 图 4- 6 使用复合胶水固定光电编码盘..............................................................................................59 图 4- 7 固定好的光电码盘和光电检测管..........................................................................................60 图 4- 8 电磁传感器支架......................................................................................................................61 4

图 4- 9 车模组装全图..........................................................................................................................64 第五章图 5- 1 主程序框架..............................................................................................................................65 图 5- 2 中断服务程序..........................................................................................................................66 图 5- 3 任务中断时间波形..................................................................................................................67 图 5- 4 算法框图中与控制相关的软件函数......................................................................................70 图 5- 5 控制函数调用与参数传递关系..............................................................................................71 图 5- 6 程序中变量命名规范..............................................................................................................72 图 5- 7 电机死区补偿..........................................................................................................................78 第六章图 6- 1 调试车模参数复杂而关键......................................................................................................82 图 6- 2 需要调整的参数和相关的单位..............................................................................................84 图 6- 3 车模运动坐标定义..................................................................................................................85 图 6- 4 电源检查..................................................................................................................................86 图 6- 5 单片机串口通信......................................................................................................................86 图 6- 6 PWM信号输出.........................................................................................................................87 图 6- 7 采集电机光电码盘信号..........................................................................................................87 图 6- 8 陀螺仪、加速度传感器AD采集信号....................................................................................88 图 6- 9 车模静态参数调整桌面..........................................................................................................88 图 6- 10 车模动态参数调试场地.........................................................................................................89 图 6- 11 监控软件界面........................................................................................................................89 图 6- 12 无线遥控开关........................................................................................................................90 图 6- 13 无线通信模块进行参数监控................................................................................................90 图 6- 14 F8013 内部FLASH应用划分.................................................................................................91 图 6- 15 需要整定的传感器参数........................................................................................................91 图 6- 16 车模保持垂直静止................................................................................................................92 图 6- 17 测量加速度传感器的极值....................................................................................................92 图 6- 18 测量陀螺传感器比例因子，角度补偿回路断开.................................................................93 图 6- 19 几种不同陀螺仪比例因子角度输出....................................................................................94 图 6- 20 车模控制参数........................................................................................................................95 图 6- 21 角度参数调整过程................................................................................................................96 图 6- 22 速度参数调整过程................................................................................................................97 图 6- 23 方向参数调整过程................................................................................................................98 图 6- 24 角度补偿时间常数调整........................................................................................................99 图 6- 25 Z轴附加信号分析 ................................................................................................................ 100 图 6- 26 死区常数调整...................................................................................................................... 100 附录图 7- 1 参考设计方案视频截图........................................................................................................ 103 图 7- 2 参数整定与调试指南............................................................................................................ 104 图 7- 3 软件控制算法全图................................................................................................................ 106 图 7- 4 参考方案电路全图................................................................................................................ 107 5

第一章、前言为了提高全国大学生智能汽车竞赛创新性和趣味性，激发高校学生参与比赛的兴趣，提高学生的动手能力、创新能力和接受挑战能力，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- 1所示。其它两个组别的车模行走方式保持不变。图 1‐ 1 电磁组车模直立运行模式车模直立行走比赛是要求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。近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。在电磁组比赛中，利用了原来 C 型车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平衡行走。相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式，车模直立行走在硬件设计、控制软件开发以及现场调试等方面提出了更高的要求。为了能够帮助参赛学生尽快制作车模参加比赛，竞赛秘书处编写了 C 型车模直立行走的参考设计方案。参赛队员可以在此基础上，进一步改进硬件和软件方案，提高竞赛水平。为了适应初学者，方案介绍过程中，尽可能减少公式推导，使用通俗的科学语言介绍控制原理和方法，给出C型车模制作过程中的核心环节。本文的主要内容安排如图 1- 2 所示。 7

大家选择看看吧！电磁组直立行走任务分解车模直立控制车模速度控制原理篇车模方向控制车模倾角测量控制算法总框图整体电路框图 DSC最小系统倾角传感器电路电路设计篇电机驱动电路速度传感器电路电磁检测电路车模简化与修改传感器安装其它注意事项软件功能框架 DSC资源配置主要算法以及实现调试环境与工具机械设计篇软件开发篇车模调试篇桌面调试跑道调试图 1‐ 2 参考设计方案内容参考设计方案经过了实际验证测试，测试运行视频请在竞赛网站上下载。附录中给出了用于下载资料的竞赛网站地址以及可以下载的相关资料。车模制作大致分为方案确定、车模制作、车模调试三个阶段，如图 1- 3所示。由于电磁直立车模所涉及到的算法参数众多，所以调试阶段所占比重很大。车模调试不仅对于提高车模性能非常重要，同时也是理解车模控制原理、提高知识运用能力、培养现场实际操作技巧的重要阶段。 8

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