电磁组哈尔滨理工大学极影二号技术报告.docx
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电磁组哈尔滨理工大学极影二号技术报告
第七届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
学校:
哈尔滨理工大学
队伍名称:
极影二号
参赛队员:
韦小军
张保龙
刘凯
带队教师:
王宏昊孙慧
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第五届“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:
2.1车模直立控制分析.......................................................................................6
2.1.1直立车模的简化分析.............................................................................................6
2.1.2实现车模直立的具体理论分析.............................................................................7
2.2车模直立行走控制分析..............................................................................10
2.3车模方向控制分析......................................................................................12
2.4角度,角速度传感器模块设计及布局..............................................................12
摘要
我队将于今年八月参加第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。
针对比赛的具体情况,我们建立了赛车、赛道和自主控制系统的基本模型,给出了理论分析、仿真计算、在线调试的基本开发方法。
在比较各种算法的性能特点后,我们确定最终方案,并完成了智能车的制作与调试。
智能车开发过程中,通过比较各种方案,最终我们决定采用电磁感应线圈作为道路传感器,加速度计和陀螺仪作为直立传感器。
最终方案的思路是:
首先是通过对加速度计和陀螺仪各自测量角度的单独计算,最后采取补偿的方法时时获取直立车模的真实倾斜角度,再是通过对独立的两个电机进行编码器的测量,并以较长的周期计算来实现恒速运动,最后是采用电磁传感器对道路所采集的数据进行处理分析,辅助以车模后轮码盘所采集的数据,来判断小车的方位、姿态、速度等,进而控制小车两个电机的给进量和控制直立所需的加速度。
使小车在最短的时间内完成比赛。
我们使用比赛指定的控制器MC9S12XS128作为系统的控制核心,用它来进行信号采样、数据传输等动作,并产生PWM波控制电机。
关键词:
智能汽车;直立控制;电磁检测;MC9S12XS128
第一章引言
1.1概述
“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛,是由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的科技竞赛。
该竞赛以“立足培养,重在参与,鼓励探索,追求卓越”为指导思想,旨在促进高等学校素质教育,培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识,激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。
该竞赛主要由飞思卡尔半导体公司赞助,由清华大学协办,从2006年开始,每年举办一届,目前已成功举办了六届。
第三届、第四届连续两届被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目之一。
比赛按照车模识别路线方案分成摄像头组、光电组和电磁组。
通过采集道路图像信息进行路径检测的车模属于摄像头组;通过采集道路少数离散点反射亮度进行路径检测的车模属于光电组;通过感应由道路中心电线产生的交变磁场进行路径检测的车模属于电磁组[1]。
尤其是今年的电磁组规则的改变,由原来的四轮变成现在的两轮,控制起来更加的困难。
从智能汽车竞赛第一届开始,我校就十分关注并积极参与进来。
经过多年参赛实践,积累了大量知识和经验,在硬件设计、控制算法、调试手段等各方面都打下了坚实基础,同时也存在许多需要改进的方面,特别是控制算法的优化和调试手段的改进。
本技术报告将针对我们的传感器信号处理设计、安装、底盘参数选择、电路设计、控制算法等方面进行阐述,并列出了模型车的主要技术参数。
1.2 电磁车体系结构
按照比赛规则要求,赛车通过检测载流导线周围的电磁场信号来控制车模沿着载流导线前进,起止线开始计时,但是由于今年电磁车以直立来行走,所以并未要求再起止线自动停止。
图1-1 电磁车体系结构图
为实现上述要求,设计电磁车体系结构如图1-1。
根据功能不同,电磁车体系结构大致包括传感器、控制、执行机构、人机接口和电源五大部分。
1.传感器部分
负责感知外部世界的环境信息和车模自身的状态信息,为完成小车的直立行走、赛道的检测与跟踪以及实现小车的运动控制提供所需的信息。
传感器部分包括直立传感器,速度传感器和电磁传感器三个子模块。
2.控制部分
分析传感器数据,提取赛道信息,运行控制算法,向执行机构发出动作信号,控制赛车沿赛道行驶。
控制部分主体是单片机MC9S12XS128。
3.执行机构
负责执行动作信号,实现车的前进、变速和转向。
执行机构包括电机驱动、电机。
4.人机接口
实现模式和参数选择、状态指示、实时监控以及数据存储等人机交互功能,包括拨码开关、LED、蓝牙等模块。
5.电源部分
负责向各部分提供合适的电源,包括电池和各个稳压模块。
1.3 论文结构安排
本文共分六章,第一章是前言,介绍课题背景和基本内容,概述电磁车体系结构框架,及研究中的关键技术;第二章是系统硬件设计,详细介绍电磁场检测方法、传感器模块设计、整车电路构建;第三章是系统软件设计,详细介绍赛道提取算法和跟踪控制算法;第四章是赛车主要技术参数,包括赛道电源设计和调试模块设计;第五章对课题研究的结果进行总结,提出进一步提高电磁车性能的改进方案。
第二章系统硬件设计
要实现电磁车的功能,必须首先构建硬件平台。
按照电磁车体系结构,需要设计的硬件模块包括传感器、控制、执行机构、人机接口和电源等部分。
2.1车模直立控制分析
比赛要求车模运行时只允许动力轮着地,车模直立行走如下图2-1。
图2-1
2.2.1直立车模的简化分析
控制车模平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。
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2-2。
图2-2保持木棒直立的反馈控制
2.1.2实现车模直立的具体理论分析
车模平衡控制也是通过负反馈来实现的,与上面保持木棒直立比较则相对简单。
因为车模有两个轮子着地,车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。
控制轮子转动,抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。
如图2-3所示。
图2‐3通过车轮运动保持车模平衡
那么车轮如何运行,才能够最终保持车体平衡稳定,最终我们参照竞赛秘书处提供的方案通过建立车模的运动学和动力学数学模型,设计反馈控制来保证车模的平衡。
在这之前,我们首先对倒立摆的模型进行了一定的研究。
车模简化的倒立摆模型如下图2-4。
图2-4车模简化的倒立摆的模型
在分析车模倒立摆之前,对单摆如图2-5也做了一定的分析和讨论。
图2-5单摆的受力分析图
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
。
在偏移角度很小的情况下,回复力与偏移的角度之间大小成正比,方向相反。
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动速度成正比,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2-6显示出不同阻尼系数下,单摆的运动曲线。
图2-6不同阻尼系数下单摆的运动曲线
总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个:
(1)受到与位移(角度)相反的恢复力;
(2)受到与运动速度(角速度)相反的阻尼力。
如果没有阻尼力,单摆会在垂直位置左右摆动。
阻尼力会使得单摆最终停止在垂直位置。
阻尼力过小(欠阻尼)会使得单摆在平衡位置附件来回震荡。
阻尼力过大(过阻尼)会使得单摆到达平衡位置时间加长。
因而存在一个临界阻尼系数,使得单摆稳定在平衡位置的时间最短。
为什么倒立摆在垂直位置时,在受到外部扰动的情况下,无法保持稳定呢?
分
析倒立摆的受力,如图2-7所示。
图2-7倒立摆的受力分析图
倒立摆之所以不能象单摆一样可以稳定在垂直位置,就是因为在它偏离平衡位置的时候,所受到的回复力与位移方向相同,而不是相反!
因此,倒立摆便会加速偏离垂直位置,直到倒下。
如何通过控制使得倒立摆能够像单摆一样,稳定在垂直位置呢?
要达到这一目的,只有两个办法:
一个是改变重力的方向;另一个是增加额外的受力,使得恢复力与位移方向相反才行。
显然能够做到的只有第二种方法。
控制倒立摆底部车轮,使得它作加速运动。
这样站在小车上(非惯性系,以车轮作为坐标原点)分析倒立摆受力,它就会受到额外的惯性力,该力与车轮的加速度方向相反,大小成正比。
这样倒立摆所受到的回复力为:
(2-1)式中,由于θ很小,所以进行了线性化。
假设负反馈控制是车轮加速度a与偏角θ成正比,比例为
。
如果比例
,(是重力加速度)那么回复力的方向便于位移方向相反了。
此外,为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定下来,还需要增加阻尼力。
虽然
存在着空气和摩擦力等阻尼力,相对阻尼力比较小。
因此需要另外增加控制阻尼力。
增
加的阻尼力与偏角的速度成正比,方向相反。
因此式(2-1)可变为
(2-2)
按照上面的控制方法,可把倒立摆模型变为单摆模型,能够稳定在垂直位置。
因此,
可得控制车轮加速度的控制算法
(2-3)
式中,θ为车模倾角;θ'为角速度;K1,K2均为比例系数;两项相加后作为车轮加速度的控制量。
只要保证在条件下,可以使得车模像单摆一样维持在直立状态。
其中有两个控制参数,决定了车模是否能够稳定到垂直平衡位置,它必须大于重
力加速度;决定了车模回到垂直位置的阻尼系数,选取合适的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置。
因此控制车模稳定,需要下列两个条件:
(1)能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度
的大小;
(2)可以控制车轮的加速度。
2.2车模直立行走控制分析
车模运行速度是通过控制车轮速度实现的,车轮通过车模两个后轮电机经由减速齿轮箱驱动,因此通过控制电机转速可以实现对车轮的运动控制。
虽然本次比赛中未要求车模在直立的情况下实现恒速控制,但在车模的制作过程中发现,恒速所用的时间比加减速所花时间要短,所以最终经过组内决定,依然采用恒速控制整个车模的运行。
在这里,也说一下我们所做的加减速工作。
加减速对于直立车模来说比较困难,并且涉及到直立的问题和方向控制,刚开始我们所做的加减速在速度换中,刚开始我们认为,只要在入弯之前把弯道判断识别出来,就可以立即让速度降下来,可是事情并不是这样,通过上位机我们发现,弯道的判断都没有问题,但是在入弯的一刹那,车子瞬间就出去了,效果却大不如以前,最后发现,直立车模为了能够达到减速的目的,他回去得到一个很大的加速度,所以最终导致出去的结果。
后来,我们把减速环节放到了角度环,因为角度环的控制周期很短,并且占到的比例因子是最大的一部分,所以车模能够迅速的减速,达到了理想的效果。
但是在比赛中我们并没有使用加减速的做法。
因为直立车模的加减速是比较明显的,或者说是我们对其的研究吗还不够,通过计时系统,我们发现,所用的时间比原来还多了。
所以最终并未采用恒速的方法,关于恒速我们是将采集回来的两路脉冲取平均值。
这样,在直到上面是恒速的,但是加上方向控制之后,我们发现实际速度是处于加速阶段,所以我们所设定的速度始终是以两路编码器中的最大值作为我们所参照的车体的速度,在PI的调解下,可以做到恒速,在这里,当速度比较大的时候,车模的起步就是一个问题,为了防止积分无限制的增长之外,我们不但采取了限制积分的办法,还采取了将速度逐渐加到所设定的值,这样就不会因为在弯道起步,而发生冲出去的情况。
我们不难分析出,在一定的时间段内,电机一直是处于加速阶段的。
但是为了达到恒速,我们还需要实时得到电机的转速,由于这个时候我们还没有加上方向控制,车模还处于恒速调试状态,我们所用的速度传感器是二手的500线的编码器,他的优点的是体积小,精度高,适合于我们C车的安装,并且安装以及拆卸是比较方便的,要比码盘好很多,尤其是当速度上去以后,丢线还不是特别的严重,能够吗,满足我们的设计要求。
至于对我们采集回来的脉冲数怎么处理呢?
我们我们通过计算齿轮间的传动系数,得到这个比例因子,对其做PI控制,在这里尤其要强调I,他是一个积分量,有着致命的缺点,所以使用的时候参数应该尽量的小,并且过一定的时间要求积分量清零,还有就是设置积分上限,如果不设置积分上限,一旦车模运行不太稳定,在弯道极易冲出去。
2.3车模方向控制分析.
电磁车要检测的赛道环境是由通有20kHz、100mA交变电流的导线所产生的电磁场。
实现车模方向控制是保证车模沿着竞赛道路比赛的关键。
通过道路电磁中心线偏差检测与电机差动控制实现方向控制
(1)道路电磁中心线的偏差检测
道路电磁中心线检测简单的方法可以通过安装在车模前方的两个电磁感应线圈实现。
线圈一般采用10mH的工字型电感。
这里我们对所选用的电感以及电容做一下详细分析,因为后来当车模的速度达到一定时候,我们发现,以前所做的电感方面的工作是不够的,由于车模的直立,速度上去以后我们又需要比较长的前瞻,这样电感的摆放位置就会靠前,这就导致车模电感支架前面发生一点的重量变化,将会对车模产生很大的影响,特别是在转弯的过程中,转动惯量是很致命的,转弯不但不灵活,速度快了之后极易甩出去。
还有就是如果电感的匹配性不是那么的好,就会出现某一个方向转向不稳定,甚至会出现翻车的现象。
我们买了很多的电感和电容,根据理论计算的采用9.8mh*682pf的参数来匹配,但是我们后来发现,国产电容的精度很差,买回来的电容其值都在7000pf以上,这个是我们设计开始没有考虑到的问题,我们挑选了很多个7300pf到7400pf的电容,根据这个值我们又重新的去商家缠了一批电感,为了防止车头太沉,转向不灵活,我们选取了6x8的电感,我们对电感又进行了一次跟电容一样的标定,最后很容易的选取了两组相当匹配的传感器。
在电感传感器选择好之后,我们又接入了放大电路,最终把两个传感器的输出值放置到一个较为线性的区间。
这样就不会出现丢线以及在位置变化对称而电机的输出量不对称的情况。
最后对两个电感传感器采集回来的值做差,来给出偏差量。
2.4角度,角速度传感器模块设计
角度,角度度传感器我们采用的飞思卡尔半导体的MMA7361模拟加速度计和日本村田公司的ENC03,所使用的模块是购买的现成模块。
放置位置如下图2-9。
·
图2-8
2.5电磁传感器设计
2.5.1 电磁传感器信号处理
感应线圈所得到的初级信号不能直接由单片机读取,主要原因有以下几点:
(1)含有20kHz的大量谐波;
(2)幅值相对较小,经AD转换后差异不明显;
(3)交流信号不能直接接入AD;
(4)变化的信号不利于检测。
针对上述问题,对信号进行选频、放大和检波处理,可以获得稳定的、随距离r变化的电压信号,如图2-5所示。
经处理后的信号其电压值US、线圈初级信号幅值E以及线圈与导线的距离r有如下关系:
公式(2-8)
式中m是与电路有关的量,M=mK。
可见处理后的信号幅值可以反映感应线圈与导线的距离,这样就获得了单片机可以读取的信号。
(a)单管共射交流放大电路
(b)倍压检波电路
图2-9 传感器电路
2.5.2 传感器布局设计
公式(2-4)中B是距离导引线r处的磁场强度,它是一个矢量场,而感应线圈只能检测其在线圈轴线方向上的分量。
图2-10 磁场分量示意图
立放的线圈可以测得B的垂直分量BV,卧放的线圈可以测得B的水平分量BH,则对于矢量计算有:
公式(2-9)
由于传感器有放置高度h,因而实际需要检测的是线圈与导线的水平距离d。
则可得BV、BH与d的关系[8]:
公式(2-10)
公式(2-11)
图2-11 BV-d图2-12 BH-d
如图2-7所示,BV在d=0的两侧都非单调,因而不能用立放线圈检测d;如图2-12所示,BH在d=0两侧分别单调,因而可以用卧放线圈检测d。
由公式(2-5)和公式(2-8)可知,在对静态磁场BH有:
公式(2-12)
也就是说,在I和h一定时,经信号处理后的输出电压Us与BH对d具有相同形式的曲线,如图2-9所示。
设计传感器模块布局为2个横向卧放感应线圈一字均匀排开,两个线圈的差可以得到一个赛道中心位置,得到的位置相对精确。
图2-12传感器模块布局示意图
2.6 车模其它部分设计
除电磁传感器模块以外,电磁车还包括速度传感器模块和控制、执行机构、人机接口、电源等部分,本节一一介绍。
2.6.1 速度传感器
为了使得智能车能够平稳地沿赛道导引线运行,除了控制前轮转向舵以外,还需要比较精确地控制车速,使智能车在急转弯时不会由于速度过快而冲出跑道。
根据自动控制原理可以知道闭环的系统一般比较稳定,通过一定的方法实时测量智能车的速度,从而形成闭环控制,使得智能车更加准确的运行。
一般可以采用以下几种测速方法:
方案一:
霍尔传感器测速。
在后轮的轴附近安装一个霍尔传感器,相对应的再在轴上安装多个小型永磁铁,根据霍尔传感器特点,用一个上拉电阻将其接至5V,随着后轮的转动就会形成多个脉冲信号。
根据单位时间内的脉冲数量据可以测得当前车速。
方案二:
反射式光电管测速。
在后轮的轴上安装一个黑白相间的光码盘,然后通过一侧安装的反射式光电管读取光码盘转动的脉冲。
方案三:
投射式光电管测速。
采用具有齿槽结构的圆盘固定的后轴上,采用直射式红外光传感器读取齿槽圆盘的转动脉冲。
方案三:
光电编码器测速。
光电编码器可以分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。
增量式光电编码器可以输出正比于转速的脉冲,记录单位时间内的脉冲数就可以间接测取实时速度。
鉴于光电编码器安装简单,输出信号比较规整,所以我们采用方案三。
速度传感器用于感知车模本身的行驶速度,是速度闭环控制的一个必须环节(参见3.2)。
电磁车使用欧姆龙E6A2-CWZ3光电编码器作为速度传感器,安装在车尾与传动齿轮啮合,使用与电机相同齿数的齿轮,相当于直接测得电机的转速。
欧姆龙E6A2-CWZ3光电编码器测量精度为100P/R,有AB两相输出,相位差90°±45°,信号波形为方波。
图2-13 光栅编码器
2.6.2 控制部分
控制模块主体是单片机MC9S12XS128最小系统,主要包括时钟、旁路电容、电源接口、烧录和调试接口、I/O接口等
图2-14 单片机最小系统
2.6.3 执行机构
执行机构主要包括电机驱动、电机和舵机。
舵机和电机是车模原装配件,其中舵机使用S3010,不需要驱动,直接由单片机输出的PWM信号控制;电机驱动使用H全桥电路,见图2-14。
图2-15 H全桥电路原理图
2.6.4 人机接口
人机接口主要用于单片机与调试者之间的交互,8位LED可以显示简单的工作状态,蜂鸣器可以用于告警和指示,4位拨码开关可以用于简单的模式设置,无线模块用于少量数据的收发。
(a)拨码开关
(b)蓝牙模块
图2-16 人机交互设备
2.6.5 电源部分
电磁车各不同部分需要不同电压的电源,因此需要对每一部分做单独的稳压处理[9]。
电磁车的电源部分设计如图2-16所示。
图2-16 电源分配图
第三章系统软件设计
3.1MC9S12XS128片内资源简介
MC9S12XS128微控制单元作为MC9S12系列的16位单片机,由标准片上外围设备组成,包括16位中央处理器、128KB的Flash存储器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8通道10路模数转换器、一组8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口、5个增强型CAN总线接口。
同时,单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。
MC9S12XS128片内资源表如图3-1:
图3-1MC9S12XS128片内资源
3.2所用模块简介
在整个系统设计中,用到了5个单片机基本功能模块:
时钟模块、PWM输出模块、ECT模块、串口通信模块以及普通IO模块。
根据系统实际需求,对各个模块进行了初始化配置,通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写,实现相应的功能。
3.2.1时钟模块
S12单片机中有四个不同的时钟,即外部晶振时钟、锁相环时钟、总线时钟和内核时钟。
当前电路板采用的是16MHz的有源晶振,因此外部晶振时钟为16MHz;默认设置下,锁相环时钟为36MHz,总线时钟为8MHz,内核时钟为16MHz。
锁相环时钟与外部晶振时钟的倍、分频关系由SYNR、REFDV两寄存器决定。
总线时钟用作片上外围设备的同步,而内核时钟则用作CPU的同步,它决定了指令执行的速度。
时钟模块初始化程序如下:
REFDV=0X43;//01000011,fREF=4MHz
POSTDIV=0X00;
SYNR=0X47;//01000111,fOSC=16MHz,fBUS=32MHz,fPLL=fVCO=64MHz
while(CRGFLG_LOCK==0);
CLKSEL_PLLSEL=1;
3.2.2PWM模块
脉宽调制模块有8路独立的可设置周期和占空比的8位PWM通道,每个通道配有专门的计数器。
该模块有4个时钟源,能分别控制8路信号。
通过配置寄存器可设置PWM的使能与否、每个通道的工作脉冲极性、每个通道输出的对齐方式、时钟源以及使用方式(八个8位通道还是四个16位通道)。
驱动舵机的PWM信号的频率为50Hz,电机的PWM信号的频率为10KHz,为了提高舵机的响应速度,将舵机的PWM频率增大到100Hz。
为了提高控制精度,我们将两路8位通道合并为一个16位通道来控制舵机和电机,这样可使舵机和电机的控制精度从1/255提高到1/65536。
PWM模块的初始化设置过程为:
PWME=0X00;//关闭所有PWM
P
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