1、1 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） 竞赛秘书处 2011-12-22 直立控制 速度控制 方向控制2 目 录 一、前言 4 二、原理篇 6 2.1直立行走任务分解 6 2.2车模直立控制 7 2.3车模速度控制 11 2.4车模方向控制 14 2.5车模倾角测量 15 2.6车模直立行走控制算法总图 19 三、电路设计篇 21 3.1整体电路框图 21 3.2 DSC介绍与单片机最小系统 . 22 3.3倾角传感器电路 25 3.4电机驱动电路 27 3.5速度传感器 28 3.6电磁线检测电路 29 四、机械设计篇 30 4.1车模简
2、化改装 30 4.2传感器安装 31 4.3注意事项 33 五、软件编写与调试篇 34 5.1软件功能与框架 34 5.2 DSC的资源配置 . 37 5.3主要算法及其实现 38 5.4程序调试与参数整定 46 5.5现场运行测试 47 六、结束语 47 附录： 48 3 4 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
3、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
4、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。 5 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。 原理篇 电路设计篇 机械设计篇 软件编写与调试篇 电磁组直立行走任务分解 车模直立控制 车模速度控制 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6 二、原理篇 2.1
5、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
6、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。 图 2.1 车模运动控制分解示意图 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。 直立 运行 转向 线性叠加形成一组 驱动电机 虚拟拆解 形成三组 不同功能 的驱动电机 直立控制电压 行走控制电压 转向控制电压 + + +7 在上述三个任务中保持车模直立是关键。由于车
7、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。 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
8、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。 直立控制 速度控制 方向控制 尽量减少 对于直立 控制的干扰。8 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
9、，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。 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。 木棒 手掌 大脑 眼睛 保持 直立 木棒运动趋势 +
10、- 控制 给定 控制算法 执行机构 控制对象 状态观测 木棒的 运动 车体垂直 车轮保持 静止。 车体向左 倾斜，车 轮向左加 速运行。 车体向右 倾斜，车 轮向右加 速运行。9 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 sin Fm g m g 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，
11、 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。 m l mg a m l 车模 简化 底部可以 运动的倒 立单摆 单摆模型 lsin F=mg l 质心m mgsin 伽利略 据说伽利略通 过观察吊灯的 摆动发现了单 摆运动的等时 性。10 图 2.7 单摆在不同阻尼下的运动情况 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）会使得单摆产生震荡，阻尼力过大（过阻尼）会 使得单摆到达
12、平衡位置时间拉长。存在一个阻尼临界阻尼系数，使得单摆最快稳定 在平衡位置。 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 2.8所示。 图 2.8 在车轮上参照系中车体受力分析 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。由此，能够做的显然只有第二种方式。 y(
13、t) t 0 自由震荡 过阻尼 欠阻尼 y(t)=l sin(t) 质心m 过阻尼 单摆： 气球单摆 a m l F=mg -m a mgsin 爱因斯坦 引力场中的惯性系 等价于无引力空间 匀加速参考系。-广义相对论 牛顿 惯性参照系： 在此参照系中，物 体不受力时保持匀 速运动或者静止。 牛顿三大定律只在 惯性参照系中成立。 在非惯性系中， 物体由于惯性 会受到惯性力。11 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） 看倒立摆， 它就会受到额外的力(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 1 sin F mg ma mg
14、mk （2-1）式中，假设控制车轮加速度与偏角 成正比，比例为 1 k 。显然，如果 1 kg ， （g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，与偏 角的速度成正比，方向相反。因此式（2-1）可变为 12 F mg mk mk （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 12 akk （2-3）式中， 为车模倾角； 为角速度；k 1 、k 2 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 12 0 kgk 、 条件下，可
15、以维持车模直立状态。其中， 1 k 决定了 车模是否能够稳定到垂直位置，它必须大于重力加速度； 2 k 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 的大小和角速度 的大小； （2）可以控制车轮的加速度。 如何测量车模倾角和倾角速度 , ，参见第五小节“车模倾角测量” 。如何确定参 数 12 kk 、 参见“软件调试篇”中的参数调节。 如何控制车模车轮的加速度，参见下一节“车模速度控制” 。 2.3 车模速度控制 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1
16、2 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。 电机的运动控制有三个作用： （1） 通过电机加速度控制实现车模直立稳定。其中控制规律由上一节给出； （2）通过电机速度控制，实现车模恒速运行和静止。虽然本届比赛规则中没有要 求车模速度恒定，也没有要求车模在比赛之前和冲过终点之后保持静止状态。但是通过 速度控制，可以提高车模稳定性。在将来的比赛中，如果规则增加了静止要求，或者需 要通过路桥等障碍，速度控制将会发挥作用。 （3）通过电机差速控制，可以实现车模方向控制。差速的控制方法参见下一小节 “车模方向控制” 。 电机运动控制是通过改变施加在其上的驱动电压实现的。对于电机的电磁模型、
17、动 力学模型以及车模的动力学模型进行分析和简化，可以将电机运动模型简化成如下的一 阶惯性环节模型。施加在电机上一个阶跃电压 () Eu t ，电机的速度变化曲线为 1 1 t T m tE keut （2-4）式中，E为电压； ut为单位阶跃函数； 1 T为惯性环节时间常数； m k 为电机转速常 数。 对应不同的电压，电机的速度变化曲线如图 2.9所示。 图 2.9 电机在不同电压下的速度 由图 2.9 可以看出，电机运动明显分为两个阶段：第一个阶段是加速阶段；第二个 阶段为恒速阶段。其中，在加速阶段，电机带动车模后轮进行加速运动，加速度近似和 施加在电机上的电压成正比，加速阶段的时间长度取
18、决于时间常数 1 T，该常数由电机转 t E=5V E=4V E=3V E=2V E=1V 转速 恒速阶段 加速 阶段 013 动惯量、减速齿轮箱、车模的转动惯量决定；在恒速阶段，电机带动车模后轮进行恒速 运行，运行速度与施加在电机上的电压成正比。 调整车模直立时间常数很小，此时电机基本上运行在加速阶段。由上一节式（2-3） 计算所得到的加速度控制量a再乘以一个比例系数，即为施加在电机上的控制电压，这 样便可以控制车模保持直立状态。 车模运行速度调整时间相对很长，此时，电机速度与施加在其上的电压成正比。通 过传统的 PID反馈控制，便可以精确控制电机的运行速度，从而控制车模的运行速度。 电机速
19、度控制需要测量电机的转速，电机旋转速度可以通过安装在电机输出轴上的 光电编码盘方便获得。如图 2.10所示。 图 2.10 电机速度检测 利用控制单片机的计数器测量在固定时间间隔内速度脉冲信号的个数可以测量电 机的转速。 对于电机速度 PID控制方法如图 2.11所示。 图 2.11 电机 PI 反馈控制 电机速度控制采用了 PI 调节器，具体实现可以通过单片机软件编程实现。 两路速度 脉冲信号 电机 光码盘 光电管 两路速度 脉冲信号 电机 光码盘 光电管 - + OP 功率 放大 脉冲电压 给定 速度 R C R 1 R 2 软件算法实现14 2.4 车模方向控制 实现车模方向控制是保证车
20、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。将在下面分别进行介绍。 （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。如图 2.12所示。 图 2.12 检测道路中心电磁线的方式 详细的参考设计方案请参见文档电磁组竞赛车模设计参考方案，2010 。 （2） 电机差动控制 利用电磁线偏差检测信号分别与车模速度控制信号进行加和减，形成左右轮差动控 制电压，使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向。如图 2.13所示。 图 2.13 通过差动控制左右电机驱动电
21、压控制车模方向 通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模偏差，这个过程是一个积分过程。因此 车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车模方向控制。 电磁感应线圈 10mH2 工字型电感 10mH 磁性 材料 线圈 引脚 M 左轮电机 M 右轮电机 电机 驱动 电机 驱动 + - + + - 比例 控制 车模速度 控制信号 车模方向 偏差信号 车模直立 控制信号 + + 控制软件 实现运算15 2.5 车模倾角测量 在 2.2 节车模直立控制中介绍了控制车模直立的算法，通过测量车模的倾角和倾角 加速度控制车模车轮的加速度来消除车模的倾角。因此车模倾角以及倾角加速度的测量 成为控制车模直立
22、的关键。测量车模倾角和倾角加速度可以通过加速度传感器和陀螺仪 实现。 （1）加速度传感器 加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。竞赛规则规 定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器。该系列的传 感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻。它的基本 原理如图 2.14所示。 图 2.14 加速度传感器 通过微机械加工技术在硅片上加工形成了一个机械悬臂。它与相邻的电极形成了两 个电容。由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发生变化，从而改变了两个电 容的参数。通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化，形成了与加速度成正
23、比 的电压输出。MMA7260 是一款三轴低 g 半导体加速度计，可以同时输出三个方向上的 加速度模拟信号，如图 2.15所示。 16 图 2.15 三轴加速度传感器 通过设置可以使得 MMA7260 最大输出灵敏度为 800mV/g。 只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比如使用 Z轴方 向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在 Z轴水平方向，此时输出信号为零偏 电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度 g便会在 Z轴方向形成加速度分量，从而引 起该轴输出电压变化。变化的规律为 sin uk g 式中，g为重力加速度； 为车模倾角；k为比例系数。当倾角 比较小的时候，
24、 输出电压的变化可以近似与倾角成正比。 似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角加 速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的运动所产生的加速度会产生很大的干 扰信号叠加在上述测量信号上， 使得输出信号无法准确反映车模的倾角， 如图 2.16所示。 图 2.16 车模运动引起加速度计信号波动 车模运动产生的振动加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动，可以通过数据 平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波也会使得信号无法实时反映车模倾角的变化，从而减 缓对于车模车轮控制，使得车模无法保持平衡。因此对于车模直立控制所需要的倾角信 息需要通过另外一种器件获得，那就是角速度传感
25、器-陀螺仪，如图 2.17所示。 （2）角速度传感器-陀螺仪 陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。 竞赛允许选用村田公司出品的 EN-03 系列 的加速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到克里利奥力的原理，在器件中利 用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。 时间 t 0 加速度 u(t) 运动引起的电压波动 实际倾角 变化17 图 2.17 角速度传感器 在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜的角速度，将角速度信号进行积分便可以 得到车模的倾角。如图 2.18所示。 图 2.18 测量车模角速度和角度 由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体振动
26、影响。因此该信号中噪声很 小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号 更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。 由于从陀螺仪的角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微 小的偏差， 经过积分运算之后， 变化形成积累误差。 这个误差会随着时间延长逐步增加， 最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号，如图 2.19所示。 角速度 传感器 (陀螺仪) t 0 t 0 C R OP 积分 角度 角速度 车 模 测量 18 图 2.19 角度积分漂移 如何消除这个累积误差呢？ 可以通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行
27、校正，如图 2.20所示。 图 2.20 角度积分漂移校正 利用加速度计所获得的角度信息 g 与陀螺仪积分后的角度 进行比较，将比较的误 差信号经过比例 g T 放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进行积分。 从图 2.20 中的框图可以看出，对于加速度计给定的角度 g ，经过比例、积分环节之后产生的角度 必然最终等于 g 。由于加速度计获得的角度信息不会存在积累误差，所以最终将输出 角度 中的积累误差消除了。 加速度计所产生的角度信息 g 中会叠加很强的有车模运动加速度噪声信号。 为了避 免该信号对于角度 的影响，因此比例系数 g T 应该非常小。这样，加速度的噪声信号经 过比例、积分
28、后，在输出角度信息中就会非常小了。由于存在积分环节，所以无论比例 g T 多么小，最终输出角度 必然与加速度计测量的角度 g 相等，只是这个调节过程会随 着 g T 的减小而延长。 为了避免输出角度 跟着 g 过长，可以采取以下两个方面的措施： t 0 积分后的角度信号 由于角速度 偏差引起的 积累漂移误 差19 （1）仔细调整陀螺仪的放大电路，使得它的零点偏置尽量接近于设定值，并且稳 定。 （2）在控制电路和程序运行的开始，尽量保持车模处于直立状态，这样一开始就 使得输出角度 与 g 相等。此后，加速度计的输出只是消除积分的偏移，输出角度不会 出现很大的偏差。 使用加速度计来矫正陀螺仪的积分
29、漂移只是其中一种方法。还可以通过测量车模的 运行速度和加速度来矫正陀螺仪的积分漂移，这样就可以省略加速度器件。这种控制方 法请同学们在掌握了整个控制方案之后自行设计实现。 2.6 车模直立行走控制算法总图 通过上面介绍，将车模直立行走主要的控制算法集中起来，形成控制算法总框图， 如图 2.21所示。 图 2.21 车模运动控制总框图 图 2.21中，为了实现车模直立行走，需要采集如下信号： 积分 比例 sin g -Z g 角度 角速度 陀螺仪 加速度计 g + + + - T g M 左轮电机 M 右轮电机 电机 驱动 电机 驱动 + + + - 比例 车模直立 控制信号 + + 控制软件算
30、法 车 模 角速度传感 器(陀螺仪) 加速度传感器 两路速度 脉冲信号 电机 光码盘 光电管 电磁线偏差 检测电路 k 1 k 2 电磁感应线圈 10mH2 工字型电感 10mH 磁性 材料 线圈 引脚 速度PID 控制 速度给定 速度 测量 脉冲 信号 速度反馈 + +20 （1） 车模陀螺仪信号； （2） 车模加速度计信号（z 轴信号） ； （3） 车模电机转速脉冲信号； （4） 车模电磁偏差信号（两路） 。 需要进行如下控制环节，控制车模电机转动： （1）车模直立控制：使用车模倾角的 PD（比例、微分）控制； （2）车模速度控制：使用 PI（比例、积分）控制； （3）车模方向控制：使用
31、P（比例）控制。 可通过单片机软件实现上述控制算法。 车模的三种控制（直立、速度、方向）最终是将控制量叠加在一起作为电机输出电 压控制量。直立控制是基础，它的调整速度非常快，速度和方向控制相对调整速度慢。 速度和方向控制的输出量是直接叠加在电机控制电压上。它们假定直立控制会始终保持 车模不跌倒，直立控制会自动调节车模的倾角以适应车模的加速、减速和转弯的需要。 稍作分析如下： 车模加速前进时，由速度控制算法给出电机增加的正向电压，电机开始逐步加速旋 转。在此同时，车模直立控制会迅速进行调整，使得车模往前倾斜，车模开始加速。当 车模速度达到设定值，由车模速到控制算法使得电机进入恒速运行。此时车模直
32、立控制 算法也会相应调整车模出于直立状态，车模恒速运行。车模减速过程与此类似，由速度 控制算法减少了电机的电压，电机开始减速运行。直立控制算法会自动调整车模往后倾 斜，使得车模减速。车模转向控制是在车速控制基础之上，调节两个电机驱动电压差使 得电机运行速度出现差动，进而调整车模的方向。 在此控制算法中，直立控制一直维持车模的直立状态，速度与方向控制将会成为直 立控制的外部干扰。为了确保车模不会跌倒，因此外部的速度和方向控制算法调整速度 不能够过快，过于剧烈。这一点在后面软件实现的时候需要注意。 21 三、电路设计篇 3.1 整体电路框图 设计车模控制系统的电路，首先需要分析系统的输入、输出信号
33、，然后选择合适的 核心控制嵌入式计算机（单片机） ，逐步设计各个电路子模块，最后形成完整的控制电 路。 系统的输入输出包括： （1） AD转换接口（至少 4路） a) 电磁监测：左右两路，用于测量左右两个感应线圈电压。 b) 陀螺仪：一路，测量陀螺仪输出电压。 c) 加速度计：一路，测量加速度 Z轴输出电压。 d) 辅助调试： （备用）1到 3路，用于车模调试、设置作用。 （2） PWM接口（4路） a) 控制左右两个电极双方向运行，需要四路 PWM接口。 （3） 定时器接口（2路） a) 测量两个电机转速，需要两个定时器脉冲输入端口。 （4） 通讯接口（备用） a) SCI（UART） ：一
34、路，用于程序下载和调试接口； b) I2C： （备用）如果选择飞思卡尔公司的数字加速度计，可以通过 I2C接口直 接读取加速度值。 （5） IO接口（备用） 4到 8路输入输出，应用车模运行状态显示，功能设置等。 竞赛允许使用飞思卡尔公司处理器系列，绝大部分都能够满足上面的控制要求。 本文选择其中的 DSC 16 位处理器 MC56F8013 作为核心的控制处理器为例加以说明， 车模控制电路整体框图如图 3.1所示。 22 图 3.1 车模控制电路整体框图 根据图 3.1，控制电路划分为如下子模块： （1） 单片机最小系统：包括 DSC处理器，程序下载调试接口等； （2） 电磁线检测：包括两路
35、相同的电磁感应信号放大与检波电路； （3） 陀螺仪与加速度计：包括两个姿态传感器信号放大滤波电路； （4） 速度检测：检测电机光电码盘脉冲频率； （5） 电机驱动：驱动两个电极运行电路； （6） 电源：电源电压转换、稳压、滤波电路； （7） 设置与调试：显示系统运行状态、速度设定、程序下载与监控。 以下将分别对以上电路给出设计参考方案。 3.2 DSC介绍与单片机最小系统 单片机选择飞思卡尔公司 DSC MC56F8013， 它体积小 （32PIN TQFP） ， 功耗低 （3.3V 工作电压） ，运算速度快（32MIPS，DSP 结构） ，具有丰富的外设模块，非常适合控制 车模运行。它的主要
36、外设包括： （1）PWM 6通道； DSC 56F8013 电磁线检测 电机驱动 陀螺仪 加速度计 电源 设置与调试 算法：车体直立车辆运行方向控制调试与设置 EN-03 MMA7260 速度检测 电机 电机 338862 LM39403.3V 调试计算机 智能汽 车竞赛专用 电池 Ni-Cd 7.2V 2AH 7.2V稳压滤波 左检测电感 右检测电感 7.2V AD2 AD2 Timer2 PWM4 SCI1 IO4 AD2 UART RS232 两路速度 脉冲信号运行显示速度设置调试监控23 （2）AD 6 通道，12bit； （3）定时器，16bit，4 通道； （4）外部串行接口：SC
37、I，I2C，SPI； （5）IO口：最多可以提供 26路。 此外，内部还集成了时钟电路、电源检测电路以及看门狗电路等。 内部存储器资源包括：16k 程序 Flash，4k 数据 RAM。图 3.2 显示该单片机的内部 资源情况。 图 3.2 56F8013 内部资源示意图 单片机的最小系统电路如图 3.3所示。 图 3.3 DSC最小系统电路图 1 8 9 16 17 24 25 32 TCK /RESET TDO TDI TMS 3.3V JTEG VSSA VSS_IO VSS_IO RXD TXD UART 3.3V C1 2.2F R1 51k ANA0 ANA1 ANB0 ANB1
38、陀螺仪电压 加速度计电压 左侧电感 检波电压 右侧电感 检波电压 PWM 电机驱动 PWM0 PWM1 PWM2 PWM3 T0 T2 左电机脉冲 右电机脉冲 3.3V C100 0.1f C101 10F 3.3V 电源 接口 3.3V R2 510 D1 工作指示灯 MC56F8013 U1 程序 下载 调试 接口 电脑 串口 监控 接口 VCAP24 所使用 F8013单片机的资源包括： （1） 模拟量检测接口 a) ANA0（PIN12） ：陀螺仪电压； b) ANA1（PIN11） ：加速度计电压； c) ANB0（PIN5） ：右侧电感检波电压； d) ANB1（PIN6） ：左侧
39、电感检波电压。 （2） 电机转速脉冲接口 a) T0（PIN19） ：右侧电机光电码盘脉冲； b) T2（PIN22） ：左侧电机光电码盘脉冲。 （3） 电机 PWM 驱动接口 a) PWM0-3（PIN23,24,28,29） ：电机驱动。 （4） 程序下载调试 JTEG接口 a) TDI（PIN30） ； b) TDO（PIN32） ； c) TMS（PIN31） ； d) TCK（PIN14） ； e) /RESET(PIN15)。 （5） 串口监控 UART 接口： a) RXD（PIN1） ； b) TXD（PIN3） 。 其它没有使用的 IO 和模拟量口可以用作状态显示、运行设置以
40、及辅助调试作 用。 使用快速制板方法制作的最小单片机系统实物图如图 3.4所示。 25 图 3.4 最小 DSC 系统实物图 图 3.4 显示的实际电路中，将外部所需要的各个端口通过总线方式引出，通过统一 的接口底板连接其他各子电路。 上面电路板也没有 JTEG 的程序接口。程序的开发主要是通过单片机内部的 Bootloader程序完成程序的下载和调试的，因此单片机最小系统只需要一个 UART接口 便可以进行，无需额外的调试器。相关的资料可以参见飞思卡尔公司网站中的介绍。 3.3 倾角传感器电路 车模倾角传感器电路主要是将陀螺仪信号进行放大滤波。由于加速度传感器采用是 低 g 值的传感器 MM
41、A7260，它的输出信号非常大，不需要再进行放大。电路图如图 3.5 所示。 26 图 3.5 陀螺仪、加速度计电路 图 3.5中，将陀螺仪的输出信号放大了 10倍左右，并将零点偏置电压调整到工作电 源的一半（1.65V）左右。放大倍数需要根据选取的传感器输出灵敏度设计。 将上述电路单独制作成小的电路板，可以比较方便放置在车模的最稳定的位置。实 际的电路图如图 3.6所示。 图 3.6 传感器电路 请注意，上面的电路除了陀螺仪和加速度器之外，还包括了一个用于电压设定的电 位器以及一个 I2C 总结接口的加速度计 MMA8452，这些器件并没有包含在上面电路原 理图中，它们只是用来作为对比实验。
42、 1 2 3 4 1 2 3 4 5 IN+ IN- OUT VSS VDD 3.3V 3.3V U2 TLV2211 U3 ENC-03 3.3V GSEL1 GSEL2 VDD VSS /SLEEP XOUT YOUT ZOUT 1 2 3 4 12 15 14 13 U4 MMA7260 R1/512 R2/512 R3/513 R4/513 R5/102 R6/102 C1/104陀螺仪 电压信号加速度计 Z轴电压信号 放大倍数R4/R2=R3/R1=10 输出零偏： 是R6,R5分压， 等于3.3V的一半 GSEL1,2为低电平， 选择MMA7260最高 的灵敏度27 3.4 电机驱
43、动电路 由于车模具有两个后轮驱动电机，因此需要两组电机驱动桥电路。图 3.7选用了两 片飞思卡尔公司专用电机驱动芯片 33886组成了电机驱动电路。 图 3.7 电机驱动电路 图 3.7 中，由于 DSC F8013 是 3.3V 器件，它的 IO 输出电压最高位 3.3V，达不到 33886 对于高电平必须大于 3.5V 的要求，所以在电路中专门设计了 5V 电源，将 33886 的驱动信号上拉至 5V。由于 F8013 的 IO端口可以容忍 5V电压，所以上面的电路便可 以使得 33886的驱动信号电压达到 5V。 为了提高电源的应用效率，驱动电机的 PWM 波形采用了单极性的驱动方式。也
44、就 是在一个 PWM 周期内，施加在电机上的电压为一种电压，如图 3.8所示。 图 3.8 单极性 PWM、双极性 PWM 因此每一路电机为了能够实现正反转，都需要两个 PWM 信号。两个电机总共需要 AGND /FS IN1 V+ V+ OUT1 OUT1 DNC PGND PGND DNC IN2 D1 CCP V+ OUT2 OUT2 /D2 PGND PGND U5 33886 7.2V 7.2V MO11 MO12 PWM0 PWM1 +5V AGND /FS IN1 V+ V+ OUT1 OUT1 DNC PGND PGND DNC IN2 D1 CCP V+ OUT2 OUT2
45、/D2 PGND PGND U5 33886 7.2V 7.2V MO21 MO22 PWM2 PWM3 +5V U7 78L05 7.2V +5V 3 2 1 IN OUT GND 说明： 33886输入信号高电平 必须大于3.5V。由于 F8013为3.3V器件，所 以它输出电平需要通过 电阻上拉至5V。F8013 IO口可以兼容5V电压。 +5V R1 10k4 PWM0 PWM1 PWM2 PWM3 M M 电机 驱动 接口 MO11 MO12 MO21 MO22 C11 0.1 C21 0.1 C31 0.1 C32 1000 C33 0.1 C34 10 单极性PWM 双极性PWM
46、 U t U t 0 0 正电压 负电压 正电压 负电压28 4 路 PWM 信号。具体实现的驱动电路如图 3.9所示。 图 3.9 两片 33886 组成的电机驱动电路 图 3.9 中，为了防止电机输出电流对于电源的冲击，在电路板的电源输入（7.2V） 端口并联了一个 1000微法的电容。 3.5 速度传感器 电机速度传感器使用了固定在电机输出轴上的光码盘以及相互配合的光电对管器 件，如图 3.10所示。 图 3.10 速度传感器电路 由于光电管器件直接输出数字脉冲信号，因此可以直接将这些脉冲信号连接到单片 机的计数器端口。 每个光电管输出两个脉冲信号， 它们波形相同， 只是相位相差 90。
47、 如果电机正转， 第二个脉冲落后 90；如果电机反转，第二个脉冲超前 90。可以通过这个关系判断 电机是否正反转。在实际电路中，只检测了一路脉冲信号。通过他的频率测量得到电机 的转速。电机的转向是通过施加在电机上的电压正负进行判断的。通过实验验证这个方 3.3V DSC：F8013 T0、T1 左轮 光码盘 右轮 光码盘 电机正反转 影响第二个脉冲信号 与第一个信号的相位。29 法可以有效判断电机的转动方向并进行速度控制。 3.6 电磁线检测电路 道路中心线的电磁线检测是保证车模能够运行在赛道上。由于电磁组在第五届竞赛 中已经设立，在 2010 年竞赛秘书处公布了电磁线检测的参考设计方案。详细
48、设计原理 和电路请参见附录 1 中的参考文献。 图 3.11给出了其方案的电路图。 3.11 电磁检测电路 根据上面电路制作的电路图如图 3.12所示。 图 3.12 电机检测电路板 以上给出了车模控制电路的主要电路设计，此外还有电源管理电路、设置与监控电 路、程序调试与运行接口电路等。同学们可以根据往届竞赛技术报告进行相关的设计。 3.3V T1 8050 C1 6n8 C2 104 R1* 514 R2 103 200 C3 104 D1 D2 C4 104 R4 103 10mH 工字型 电感 调整电阻R1 使得三极管的 集电极电压 为1.8V左右。 DSC ANB0 10mH 工字型
49、电感 与上面完全相同的电路 DSC ANB130 四、机械设计篇 良好的车模机械设计与制作，对于车模稳定运行、安全调试都非常重要。如下仅就 车模简化改装与传感器安装两个方面进行讨论。 4.1 车模简化改装 由于今年电磁组车模采用了原来竞赛 C型车模，它是双后轮驱动，前轮舵机转向的 运动模式，而竞赛规定 C型车模直立行走，因此车模前轮以及部分相关部件都可以进行 简化。具体可以参照以下改装步骤： （1） 去掉前轮及其支撑部件，去掉后轮悬挂缓冲支架 拆卸后的情况如图 4.1所示。 图 4.1 左图：完整的 C 型车模底盘；右图：简化后的 C 型车模底盘。 （2） 固定车模底盘与后轮支架 原有车模为了减轻后轮振动对于车体的影响，后轮的支架与底盘之间采用了活动连 接方式。但是，为了保证车模直立车体稳定性，需要将原有车模地盘与后轮支架固定在 一起。最简便的方式就是可以使用热熔胶在后轮支架与底盘之间的缝隙处进行粘接。这 样后轮与车体之间形成一个刚体， 便于
