直立车参考设计方案.pdf-资料库

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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 1.0）直直直直直直直直直直直直竞赛秘书处 2011-12-22 1

目录一、前言 .................................................................................................................................... 3 二、原理篇 ................................................................................................................................ 5 2.1 直立行走任务分解 .............................................................................................................. 5 2.2 车模直立控制 ...................................................................................................................... 6 2.3 车模速度控制 .................................................................................................................... 10 2.4 车模方向控制 .................................................................................................................... 13 2.5 车模倾角测量 .................................................................................................................... 14 2.6 车模直立行走控制算法总图 ............................................................................................ 18 三、电路设计篇 ...................................................................................................................... 20 3.1 整体电路框图 .................................................................................................................... 20 3.2 DSC 介绍与单片机最小系统 ........................................................................................... 21 3.3 倾角传感器电路 ................................................................................................................ 24 3.4 电机驱动电路 .................................................................................................................... 26 3.5 速度传感器 ........................................................................................................................ 27 3.6 电磁线检测电路 ................................................................................................................ 28 四、机械设计篇 ...................................................................................................................... 29 4.1 车模简化改装 .................................................................................................................... 29 4.2 传感器安装 ........................................................................................................................ 30 4.3 注意事项 ............................................................................................................................ 32 五、软件编写与调试篇 .......................................................................................................... 33 5.1 软件功能与框架 ................................................................................................................ 33 5.2 DSC 的资源配置 ............................................................................................................... 36 5.3 主要算法及其实现 ............................................................................................................ 37 5.4 程序调试与参数整定 ........................................................................................................ 45 5.5 现场运行测试 .................................................................................................................... 46 六、结束语 .............................................................................................................................. 46 附录： ...................................................................................................................................... 47 2

一、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，车模直立行走在车体检测、控制算法等方面提出了更高的要求。为了能够帮助参赛同学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，使用通俗科学的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。本文的主要内容如图 1.2 所示。 3

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程序调试与参数整定运行测试机械设计篇软件编写与调试篇图 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，车模测试运行视频请在竞赛网站上下载。参考设计方案最后附录中给出了用于下载资料的相关网站。 4

二、原理篇 2.1 直立行走任务分解电磁组比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务更为复杂。为了能够方便找到解决问题的办法，首先将复杂的问题分解成简单的问题进行讨论。为了分析方便，根据比赛规则，假设维持车模直立、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。因此从控制角度来看，由控制车模两个电机旋转方向及速度实现对车模的控制。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本任务：（1）控制车模直立：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态；（2）控制车模速度：通过控制两个电机转速速度实现车模行进控制；（3）控制车模转向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。以上三个任务都是通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。可以假设车模的电机可以虚拟地被拆解成三个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、前进行走、左右转向，如图 2.1 所示。直立控制电压行走控制电压 + 转向控制电压 + + 直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直图 2.1 车模运动控制分解示意图直直直直直直直直直直直直直流电机的力矩最终来自于电机驱动电压产生的电流。因此只要电机处于线性状态，上述拆解可以等效成三种不同控制目标的电压叠加之后，施加在电机上。 5

在上述三个任务中保持车模直立是关键。由于车模同时受到三种控制的影响，从车模直立控制的角度，其它两个控制就成为它的干扰。因此在速度、方向控制的时候，应该尽量平滑，以减少对于直立控制的干扰。三者之间的配合如图 2.1 所示。尽量减少对于直立控制的干扰。直直直直直直直直直直直直图 2.2 三层控制之间相互配合，底层尽量减少对于上层的干扰上述三个控制各自独立进行控制，它们各自假设其它两个控制都已经达到稳定。比如速度控制时，假设车模已经在直立控制下保持了直立稳定，通过改变电机的电压控制车模加速和减速。车模在加速和减速的时候，直立控制一直在起作用，它会自动改变车模的倾角，移动车模的重心，使得车模实现加速和减速。下面分别讨论三个任务的实现原理。 2.2 车模直立控制控制车模直立的直观经验来自于杂技表演。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角加速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条件缺一不可，实际上就是控制中的负反馈机制，参见图 2.3。世界上还没有任何一个天才杂技演员可以蒙着眼睛使得木棒在自己手指上直立，因为没有了负反馈。 6

保持直立 + - 直直直直直直直直直直直直直直直直大脑手掌木棒直直直直直木棒运动趋势眼睛直直直直图 2.3 通过反馈保持木棒的直立车模直立也是通过负反馈实现的。但相对于上面的木棒直立相对简单。因为车模有两个轮子着地，因此车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动，抵消倾斜的趋势便可以保持车体直立了。如图 2.4 所示。直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直图 2.4 通过车轮运动控制保持车体直立那么车轮如何运行，才能够最终保持车体垂直稳定？为了回答这个问题，一般的做法需要建立车模的运动学和动力学数学模型，通过设计最优控制来保证车模的稳定。为了使得同学们能够比较清楚理解其中的物理过程。下面通过对比单摆模型来说明保持车模稳定的控制规律。重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化的单摆模型。直立着的车模可以看成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆。如图 2.5 所示。 7

l θ m mg 直直直直 m l 直直直直直直直直直直直直直 a 直直图 2.5 车模可以简化成倒立的单摆普通的单摆受力分析如图 2.6 所示。图 2.6 普通的单摆受力分析当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。这个力称之为回复力，其大小为 F = − mg sin θ ≈ − mg θ 在此回复力作用下，单摆便进行周期运动。在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运行速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。图 2.7 显示出不同阻尼系数下，单摆的运动曲线。 8

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