电磁组直立行车参考设计方案2.0.pdf

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

2、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

3、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

4、 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

5、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 29 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

6、 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-

7、 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

8、 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

9、 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

10、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

11、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 6 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

12、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

13、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 原理篇电路设计篇机械设计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大家选择看看吧！软件开发篇车模调试篇调试环境与工具桌面调试跑道调试图 1 2 参考设

14、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 传感器参数调整静态控制参数调整车模性能制作时间(周）稳定性，速度车模 制作准备调试环境与工具漫长的车模制作过程车模性能迅速提高艰苦的车模参数调整过程修改方案重新来过测试车模测试赛道调试准备 实际调试

15、桌面调试阶段赛道调试阶段调试不一定一帆风顺，可能需要几次反复才能够最终完成。现 场比 赛车 模 动 态 调 整 . BSIR车模桌面综合测试知 识学 习方案 选择工具 准备。 。 。动态参数 调整现场比赛车模控制电路框图.BSIR图 1 3 车模制作路线图 为了帮助同学进行车模调试，附录 4 给出了车模调试指南和相关的视频文件网站。可以通过这些资料尽快获得车模参数调整的直观感受。 第二章、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

16、论。 根据比赛规则要求，维持车模直立也许可以设计出很多的方案，本参考方案假设维持车模直立、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，车模作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务，如图 2- 1所示： （1） 控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态； 9 （2） 控制车模速度： 通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。 （3） 控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。 直立方向速度线性叠加形成一

17、组驱动电机将复杂任务分解成三个简单任务直立控制电压转向控制电压+速度控制通过调节车模倾角来实现。123往前倾斜，车模加速前行。图 2 1 车模控制任务分解 车模直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。假设车模电机可以虚拟地拆解成两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、左右方向。在实际控制中，是将控制车模直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务。 车模的速度是通过调节车模倾角来完成的。车模不同的倾角会引起车模的加减速，从而达到对于速度的控制。 车模倾角引起车模加速或者减速运行图 2 2 车模倾角会引起车速

18、速度变化 10 三个分解后的任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象（车模的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。为了方便分析，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。比如在速度控制时，需要车模已经能够保持直立控制；在方向控制的时候，需要车模能够保持平衡和速度恒定；同样，在车模平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。这三个任务中保持车模平衡是关键。由于车模同时受到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。因此对车模速度、方向的控制应该尽量保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰。以速度调节为例，需要通过改变车模平衡控制中车模倾角设定值，从而改变

19、车模实际倾斜角度。为了避免影响车模平衡控制，这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。这一点将会在后面速度控制中进行详细讨论。 三者之间的配合如图 2- 3所示。 平衡控制速度控制方向控制尽量减少对于直立控制的干扰。图 2 3 三层控制之间相互配合 下面分别讨论车模任务分解的三个控制的实现方式。 2.2 车模平衡控制 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11 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

20、缺一不可，实际上就是控制中的负反馈机制，参见图 2- 4。 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指尖上直立，因为没有了眼睛观察进行负反馈。 木棒手掌大脑眼睛保持直立木棒运动趋势+-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图 2 4 保持木棒直立的反馈控制 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- 5所示。 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。图 2

21、5 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？为了回答这个问题，可以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。为了使得同学12 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平衡的控制规律。 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- 6所示。 mlmgaml车模简化底部可以运动的倒立单摆单摆模型图 2 6 车模简化成倒立的单摆 对普通的单摆受力分析如图 2- 7所示。 lsinF=mgl质心mmgsin伽利略据说伽利略通过观察吊灯

22、的摆动发现了单摆运动的等时性。图 2 7 普通单摆受力分析 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 sinF mg mg = 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- 8显示出不同阻尼系数下，单摆的13 运动曲线。 y(t)t0自由震荡过阻尼欠阻尼y(t)=l sin(t)质心m过阻尼单摆：

23、气球单摆图 2 8 不同阻尼力下的单摆运动 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- 9所示。 amlF=mg爱因斯坦-macos在非惯性系中，物体由于惯性会受到引力场

24、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。惯性力。mgsin图 2 9 在车轮上的参照系中车模受力分析 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14 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

25、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： 1sin cosFmg ma mg mk =（2-1 ）式中，由于很小，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 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。 1k1kg g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

26、-1 ）可变为 12Fmg 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 12ak k =+（2-3 ）式中， 为车模倾角； 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。这两个系数的作用如120kgk、 12,kk1k2k图 2- 10所示。 15 k1k2适当的

27、类比和想象，可以使我们更容易理解控制原理。图 2 10 车模控制两个系数作用 在上面简单分析中，通过类比倒立摆得到了车模直立的控制方案。下面对倒立车模进行简单数学建模，然后建立速度的比例微分负反馈控制，根据基本控制理论讨论车模通过闭环控制保持稳定的条件。 假设倒立车模简化成高度为 L，质量为 m 的简单倒立摆，它放置在可以左右移动的车轮上。假设外力干扰引起车模产生角加速度 ()x t 。沿着垂直于车模地盘方向进行受力分析，可以得到车模倾角与车轮运动加速度 以及外力干扰加速度()at ()x t 之间的运动方程。如图 2-11 所示。 mg()() () ()22ddtLgtatLxtt=+()

28、xtL()at重心高度外力引起的角加速度车轮运动加速度车模倾角车模运动方程()() () () ()22dsin cosdtLgtattLxtt= + 在角度很小时，运动方程简化为：车模静止时： () 0at=()() ()22ddtLgtLxtt=+图 2 11 车模运动方程 对应车模静止时，系统输入输出的传递函数为： 16 ()()() 21sHsgXssL=，此时系统具有两个极点pgsL= 。一个极点位于 s 平面的右半平面，因此车模不稳定。车模引入比例、微分反馈之后的系统如下图所示： ()s12kks+21Ls gL()Xs+_图 2 12 加入比例微分反馈后的系统框图 系统传递函数为

29、：()( )() 2 211sHskkXsssLL=g+。此时两个系统极点位于：()222 142pkkLkgsL = 。系统稳定需要两个极点都位于 s 平面的左半平面。要满足这一点，需要。由此可以得出结论，当 时，直立车模可以稳定。这与前面通过分析所得出的结论是一致的。 12,kgk0 012,kgk在角度反馈控制中，与角度成比例的控制量是称为比例控制；与角速度成比例的控制量称为微分控制（角速度是角度的微分） 。因此上面系数 分别称为比例和微分控制参数。其中微分参数相当于阻尼力，可以有效抑制车模震荡。通过微分抑制控制震荡的思想在后面的速度和方向控制中也同样适用。 12,kk总结控制车模直立稳

30、定的条件如下： （ 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。 第一个条件，即如何测量车模倾角和倾角速度 , ，参见下一小节“车模角度测量”。如何确定控制参数 参见“调试篇”中的参数调节。下面先讨论第二个条件的实现，即车轮的加速度控制。 1kk、2车模运行速度和加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。 电机的运动控制有三个作用： 17 （ 1）通过电机加速度控制实现车模平衡稳定。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

31、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。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，或者需要通过桥梁等障碍物时，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后面“车模方向控制”。 电机运动控制是通过改变施加在其上的驱 动电压大小实现的。对于电机的电磁模型、动力学模型以及车模的动力学模型进行分析和简化，可以将电机转速与施加在其上的电压之间的关系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 ，电机的速度变化曲线为 ()Eu t() ()11tTmtEk eut=（ 2-4） 式

32、中， E 为电压； 为单位阶跃函数； 为惯性环节时间常数； 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 2-13 所示。 ()ut1TmktE=5VE=4VE=3VE=2VE=1V转速恒速阶段加速阶段0对于电机运动模型进行了简化图 2 13 电机在不同电压下的速度变化线 由图 2-13 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决于时间常数 。该常数由电机转动惯量、减速齿轮箱减速比、车模的转动惯量决定，一般在十几到几百个毫秒。在恒1T18

33、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。 调整车模角度的控制周期很短，时间一般是几个毫秒，远小于时间常数 。此时电机基本上运行在加速阶段。由（ 2-3）计算所得到的加速度控制量 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。 1Ta电机的加速度实际上是由通过电机的电流所产生的电磁力矩决定。考虑到电机电流的控制需要更高的速度，所以在此就简化电机的控制方案。 2.3 车模角度和角速度测量 在上一节中介绍了控制车模直立控制算法，通过测量车模的倾角和倾角速度控制车模车轮的加速度来消除车模的倾角。因此，车模倾角以及倾角速度的测量成为控制

34、车模直立的关键。测量车模倾角和倾角速度可以通过安装在车模上的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。 6mm6mmMMA72603轴加速度传感器图 2 14 加速度传感器原理 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

35、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。 19 图 2 15 MMA7260 三轴加速度传感器 通过设置可以使得 MMA7260 各轴信号最大输出灵敏度为 800mV/g，这个信号无需要在进行放大，直接可以送到单片机进行 AD 转换。实际上，飞思卡尔公司还有更多系列的低 g 值的加速度传感器，特别是具有数字接口的传感器可以方便单片机接口设计。 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

36、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 sinukg kg = 式中， 为重力加速度；g 为车模倾角； k为加速度传感器灵敏度系数系数。当倾角 比较小的时候，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速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它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。 20 时间 t0加速度u(t) 运动引起的电

37、压波动实际倾角变化gacosasingZ有没有只感应重力加速度的传感器呢？图 2 16 车模运动引起加速度信号波动 下图是实际测量安装在车模上 MMA7260 的 Z 轴信号。车模倾角在两个角度位置过渡，看到除了角度变化信号之外，还存在由于运动引起的电压波动，这个电压波动随着车模运动速度增加会变得很大。 运动引起的噪声图 2 17 实际测量 MMA7260Z 轴信号 下面简单分析运动所产生的干扰信号。加速度传感器安装在车模上，距离车轴高度为 。车模转动具有角加速度 h ，运动加速度 。那么在加速度传感器 Z轴上出现由于车模运动引起的加速度为 h + ，如图 2- 18所示。为了减少运动引起的干

38、扰，加速度21 传感器安装的高度越低越好，但是无法彻底消除车模运动的影响。 h加速度传感器安装高度车模加速度车模角加速度车模运动在Z轴引起的加速度h+图 2 18 车模运动引起加速度 Z 轴信号变化 车模运动产生的加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动。这些波动噪声可以通过数据平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波一方面会使得信号无法实时反映车模倾角变化，从而减缓对于车模车轮控制。另一方面也会将车模角速度变化信息滤掉。上述两方面的滤波效果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，那就是角速度传感器 -陀螺仪。 （ 2）角速度传感器- 陀螺仪 陀螺仪可以用来测

39、量物体的旋转角速度。竞赛允许选用村田公司出品的 ENC-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科里奥利力的原理，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。 ENC-03 角速度传感器以及相关参考放大电路如图 2- 19所示。 ENC-03角速度传感器数据手册中的参考信号放大电路提示：本方案中的陀螺仪放大电路与参考手册中的是不同的！图 2 19 角速度传感器及参考放大电路 22 在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。如图 2- 20所示。 角速度传感器(陀螺仪)t0t0CROP积分角

40、度角速度车模测量 图 2 20 角速度积分得到角度 由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响，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和漂移，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- 20所示。 t0积分后的角度信号由于角速度偏差引起的积累漂移误差图 2 21 角速度积分漂移现象 如何消除这个累积误差

41、呢？ 一种简单的方法就是通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。如图 2- 22所示。 23 积分比例sing -Zg角度角速度陀螺仪加速度计g+-1/Tg()Gs()Zs1s()() ()11zzzZs TGssTs Ts =+图 2 22 通过重力加速度来矫正陀螺仪的角度漂移 在上述方案中，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 1/gT 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。对于加

42、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 。 写出图 2- 22系统的传递函数，可以看出输出角度包含了两个一阶惯性环节。其中第一项是重力加速度 Z轴对应的角度，第二项是陀螺仪加速度经过惯性环节的数值。系统不再存在纯积分环节，所以陀螺仪的角速度微小的偏差不会形成积累误差。其中参数gT 决定了这两个惯性环节的时间常数。gT 越大，角度输出跟踪 Z轴输出越慢，但可以有效抑制重力加速度计上的噪声。gT 过大，就会放大陀螺仪输出误差。这个参数需要根据实际车模运行效果进行调整，详见后面“车模调试篇”中的方法。 为了避免输出角度跟踪时间过长，可以采取以下两个方面的措施： （ 1

43、）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24 法在后面速度控制中给出。 （ 3）双加速度传感器获得角度和角速度 在图 2- 18所显示的加速度传感器 Z轴信号除了由于重力加速度引起的输出之外，还包括有车模的角加速度和移动加速度产生的信息。在车模

44、现有的参数基础上，这些信号在幅值、频率等方面没有太大差异，它们叠加在一起无法将它们分开。如果在车模上另外再增加一个加速度传感器，两个加速度传感器安装的高度不同，那么就可以通过这两个信号的差值求出车模的角加速度。如图 2- 23所示。 ()12hh2sinhg +加速度传感器1安装高度 h1车模加速度车模角加速度1sinhg +加速度传感器2安装高度 h2车模倾角积分积分角速度角度两个传感器Z轴输出信号相减ZZ图 2 23 双加速度传感器获得车模角加速度 通过上下两个加速度传感器输出信号相减，便可以得到车模倾角加速度。对于这个信号进行两次积分，便可以的获得车模倾角的角速度和角度。对于积分所可能带

45、来的积分漂移问题仍然可以采用上面的重力加速度计补偿的方法进行消除。 根据前两节介绍车模角度控制和角度测量方法，可以得到如下车模角度控制方案框图。 积分比例sing -Zg角度角速度陀螺仪加速度计g+-1/Tg()Gs()Zs1s+k1k2电机驱动电压图 2 24 角度控制框图 25 该方案中采用重力加速度计和陀螺仪通过 角度互补融合方式获取车模倾角和角速度，通过两个比例常数加权后，控制电机驱动电压，使得车模产生相应的加速度，维持车模的直立。 在此方案中，需要保证重力加速度传感器安装 Z 轴与车模直立中轴线严格垂直。如果出现角度偏差，上述控制实际结果是车模与地面不是严格垂直，而是存在一个对应的倾

46、角。在重力的作用下，车模会朝着一个方面加速前进。为了保持车模的静止或者匀速运动需要消除这个安装误差。 在实际车模制作过程中需要 进行机械调整和软件参数设置。另外需要通过软件中的速度控制来实现速度的稳定性。 在车模角度控制中出现的车模倾角偏差，使得车模在倾斜的方向上产生加速。这个结果可以用来进行车模的速度控制。下一节将利用这个原理来调节车模的速度。 2.3 车模速度控制 对于直立车模速度的控制相对于普通车模的速度控制则比较复杂。由于在速度控制过程中需要始终保持车模的平衡，因此车模速度控制不能够直接通过改变电机转速来实现。下面先分析一下引起车模速度变化的原因。 假设车模在上面直立控制调节下已经能够

47、保持平衡了，但是由于安装误差，传感器实际测量的角度与车模角度有偏差，因此车模实际不是保持与地面垂直，而是存在一个倾角。在重力的作用下，车模就会朝倾斜的方向加速前进。 图 2- 2显示了这个关系。控制速度只要通过控制车模的倾角就可以实现了。具体实现需要解决三个问题： （ 1）如何测量车模速度？ （ 2）如何通过车模直立控制实现车模倾角的改变？ （ 3）如何根据速度误差控制车模倾角？ 第一个问题可以通过安装在电机输出轴上的光码盘来测量得到车模的车轮速度。如图 2- 25所示。 两路速度脉冲信号电机光码盘光电管图 2 25 电机速度检测 26 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

48、的个数可以反映电机的转速。 第二个问题可以通过角度控制给定值来解决。给定车模直立控制的设定值，在角度控制调节下，车模将会自动维持在一个角度。通过前面车模直立控制算法可以知道，车模倾角最终是跟踪重力加速度 Z轴的角度。因此车模的倾角给定值与重力加速度 Z轴角度相减，便可以最终决定车模的倾角。如图 2- 26所示。 1s积分比例角度角速度陀螺仪加速度计g+-1/TZ+k1k2+-车模倾角给定量驱动电机车模保持给定的倾角sing -Z图 2 26 车模倾角给定 分析图 2- 22中车模角度控制规律可以看出车模倾角设定量与车模倾角变化之间大体呈现一个一阶惯性环节11zTs+，这个结论在下面进行速度控制

49、时需要应用。 第三个问题分析起来相对比较困难，远比直观进行速度负反馈分析复杂。首先对一个简单例子进行分析。假设车模开始保持静止，然后增加给定速度，为此需要车模往前倾斜以便获得加速度。在车模直立控制下，为了能够有一个往前的倾斜角度，车轮需要往后运动，这样会引起车轮速度下 降（因为车轮往负方向运动了） 。由于负反馈，使得车模往前倾角需要更大。如此循环，车模很快就会倾倒。原本利用负反馈进行速度控制反而成了“正”反馈。如图 2- 27所示。 27 车模往前倾斜车模车轮往后运动给定速度倾角速度方向车轮速度直立控制k+-直接角度控制下车模很快就会倒下！图 2 27 车模倾角控制速度中的正反馈 为什么负反馈控制在这儿失灵了呢？原来 在直立控制下的车模速度与车模倾角之间传递函数具有非最小相位特性（在此省略了分析） ，在反馈控制下容易造成系统的不稳定性。但根据实际经验，是可以