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
