1、可修改可編輯摘要本文詳細敘述了對兩輪電磁尋跡直立智能車的運動控制設計過程。隨著科技技術迅猛發展和生活水平的提高，人們對于汽車的安全性、方便性要求也越來越高。智能車輛的使用可以改善道路安全狀況，提高道路的利用率。對于智能汽車的傳感技術和數據分析技術的研究能夠有效地提高智能汽車對于復雜環境道路的通過性，從而讓智能車的運用能夠更加方便、快捷、安全的為我們服務。“飛思卡爾智能車競賽”是由教育部主辦的全國大學生智能汽車競賽，目前已經成功舉辦了六屆。該競賽根據傳感器的不同分別設立了：光電組，電磁車組和電磁組。本文主要研究的是兩輪尋跡電磁智能車。兩輪電磁尋跡直立智能車的原理是通過電磁傳感器采集賽道信息，同時

2、電子陀螺儀和加速度傳感器采集直立智能車的當前車身信息，再交由單片機對路況信息進行識別、分析和信息處理，最后再交由單片機給出控制信號來控制車的雙電機讓小車在保證直立的狀態下沿著指定路線行駛。在工作中主要用到的編程環境使比賽組委會提供的CodeWarrior。設計過程主要運用了匯編語言和單片機的相關知識以及PID控制算法。關鍵詞：智能車;單片機;兩輪循跡直立電磁車;PID;陀螺儀;加速度傳感器精選文檔可修改可編輯AbstractThispaperillustratedetailsofthedesignprocessoftheuprighttwoelectromagnetictracingsmart

3、carsmotioncontrol.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyandtheimprovementoflivingstandards,peoplesrequirementsofvehiclesafety,conveniencebecomehigherandhigher.Theuseofintelligentvehiclescanimproveroadsafetyconditionsandtheutilizationoftheroad.Tostudythesmartcarbytestingsensingtechnologyanddat

4、aanalysistechniquescaneffectivelyimproveitsabilityforpassingcomplexenvironmentoftheroad,sothattheuseofsmartcarscanbemoreconvenient,fasterandsaferforourservices.FreescaleSmartCarCompetitionorganizedbytheMinistryofEducationoftheNationalSmartcarracehasalreadyholdfor6sessions.Thecontestwassetupaccording

5、tothedifferentsensors:photoelectricgroup,cameragroupandelectromagneticgroup.Thispaperstudiesthetwotracingelectromagneticsmartcar.Theprincipleoftwoelectromagnetictracinguprighttointelligentvehiclesistotrackinformationcollectedthroughelectromagneticsensors,electronicgyroscopesandaccelerationsensorscol

6、lectcurrentbodyuprightsmartcar,thenthemicrocontrolleronthetrafficinformationtotheidentification,analysisandinformationhandling.Finally,themicrocontrollergivesthecontrolsignaltocontrolthecarmotorcartravelingalongthedesignatedrouteinthestatetoensurevertical.Theprogrammingenvironmentprimarilyusedinthew

7、orksothatthecompetitionprovidedbytheorganizingcommitteeoftheCodeWarrior.ThedesignprocessisthemainuseofassemblylanguageandknowledgeofthemicrocontrollerandthePIDcontrolalgorithm.精選文檔可修改可編輯Keywords:Smartcar;microcontroller;twotrackinguprightelectromagneticvehicle;thePID;gyroscope;accelerometer.精選文檔可修改可

8、編輯摘要.1Abstract.2第一章緒論.51.1國外的發展趨勢.61.2國內發展.71.3電磁循跡直立智能車的比賽特點.71.4課題意義.91.5本課題研究主要內容.10第二章電磁尋跡直立智能車的系統構建.112.1電磁尋跡原理.112.2電磁直立循跡智能車總體構成.132.3功能模塊介紹.142.3.1加速度傳感器.142.3.2電子陀螺儀.172.3.3電磁傳感器.182.3.4編碼器.192.3.5電機驅動電路.20第三章電磁尋跡直立智能車智能軟件系統的設計.213.1智能控制概論.213.1.1模糊控制.213.2系統辨識的基本概念.233.3車直立系統的設計.243.3.1平衡思

9、想.243.3.2直立系統中具體的控制過程.253.4采樣方法和采樣間隔的選擇.293.4.1電磁傳感器采樣選擇.303.5路徑檢測算法的設計.303.6路徑算法的優化處理.30精選文檔可修改可編輯3.7車行駛中直立控制策略.313.8兩輪車轉向系統設計.313.9PID控制.333.9.1不完全微分PID.343.9.2微分先行PID.353.9.3前饋控制的應用.363.9.4在速度控制中的應用.373.10調速控制策略與行車車速優化策略.383.11底層設置.38第四章調試說明.384.1調試策略及步驟.384.1.1調試參數.384.1.2調試條件.394.2調試經驗總結.41第五章總

10、結與展望.41參考文獻.42精選文檔可修改可編輯第一章緒論隨著現代高新技術的迅速發展，信息化和智能化越來越多的應用到人類社會的生產、生活的各個方面，曾經只能在科普小說中看到的智能汽車已經不再是虛幻的，人們在不久的將來將能在現實中看見智能汽車。現在集各種高科技于一體的汽車，其性能、舒適性、安全性已經取得很大進步，然而距離智能汽車的真正問世還有兩步之遙，一是有一款高智能功能的計算機，它能夠接受各種智能傳感器傳來的周圍環境及汽車自身的各種信息并且能夠高效迅速的綜合整理，然后把信息傳遞給汽車執行系統，從而實現真正的自動駕駛汽車，而是智能交通信息網絡環境的建立。“飛思卡爾”杯智能汽車競賽起源于韓國，是韓

11、國漢陽大學汽車控制實驗室在飛思卡爾半導體公司資助下舉辦的以HCSl2單片機為核心的大學生課外科技競賽。該賽事由組委會提供一個標準的汽車模型、直流電機和可充電式電池，參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路徑的智能車，在專門設計的跑道上自動識別道路行駛，最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術報告評分較高為獲勝者。其設計內容涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械、能源等多個學科的知識，對學生的知識融合和實踐動手能力的培養，具有良好的推動作用。全國大學生智能汽車競賽目前一共舉辦過六屆，已發展成全國30個省市自治區近300所高校廣泛參與的全國大學生智能汽車競賽。為了提高全國大學生智能汽車競賽

12、創新性和趣味性，激發高校學生參與比賽的興趣，提高學生的動手能力、創新能力和接受挑戰能力，智能汽車競賽組委會將第七屆大賽的電磁組比賽規定為車模直立行走，車模直立行走比賽是要求仿照兩輪自平衡電動車的行進模式，讓車模以兩個后輪驅動進行直立行走。該課題設計內容涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械、能源等多個學科的知識，對知識融合和實踐動手能力的培養，具有良好的推動作用。該競賽由競賽秘書處為各參賽隊提供、購置規定范圍內的標準硬軟件技術平臺，競賽全過程包括理論設計、實際制作、整車調試、現場比賽等環節，競賽要求學生組成團隊，協同工作，初步體會一個土程性的研究精選文檔可修改可編輯開發項

13、目從設計到實現的全過程。該競賽融科學性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋模式識別、自動控制、電子電氣、傳感技術、計算機、機械與汽車等多學科專業的創意性比賽。該競賽規則透明，評價標準客觀，堅持公開、公平、公正的原則，保證競賽向健康、普及，持續的方向發展。精選文檔可修改可編輯1.1國外的發展趨勢智能汽車,就是在正常環境中用信息技術和智能控制技術改進的汽車,在國外不論是官方機構、民間企業還是大學校園里都有各種智能汽車競賽。（1）韓國大學生智能汽車競賽是韓國漢陽大學汽車控制實驗室在飛思卡爾半導體公司資助下舉辦的，以HCS12單片機為核心的大學生智能模型汽車競賽。組委會

14、提供一個標準的汽車模型、直流電機和可充電式電池，參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路線的智能車，在專門設計的跑道上自動識別道路行駛，誰最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術報告評分較高，誰就是獲勝者。（2）美國國防部與民間的大學、企業和發明家聯合開展了全球領先的智能汽車競賽。2007年11月，美國第三屆智能汽車大賽日前在加利福尼亞州維克托維爾舉行，這是美國國防部第三次主辦這樣的大賽。參賽的無人駕駛汽車的車頂上有旋轉的激光器，兩邊有轉動的照相機，內部安有電腦裝置。這些無人駕駛汽車完全由電腦控制，利用衛星導航、攝像、雷達和激光，人工智能系統可判斷出汽車的位置和去向，隨后將指令傳輸到負責駕駛車輛的系統，絲毫

15、不受人的干涉，用傳感器策劃和選擇它們的路線。國際發展研究方向：1994美國實施戰略是通過實現面向21世紀的“公路交通智能化”，以便從根本解決和減輕事故、路面混雜、能源浪費等交通中的各種問題。1988年由歐洲10多個國家投資50多億美元，聯合執行一項旨在完善道路設施，提高服務質量的DRIVE計劃，其含義是歐洲用于車輛安全的專用道路基礎設施，現在已經進入第2階段的研究開發。精選文檔可修改可編輯1.2國內發展與國外相比，國內在智能交通系統方面的研究起步較晚，規模較小，開展這方面研究工作的單位主要是一些大學和研究所，如國防科技大學、清華大學、吉林大學、北京理工大學、長安大學、沈陽自動化所等。清華大學汽

16、車研究所是最早成立的主要從事智能車及智能交通的研究單位之一，在國防科工委和國家863計劃的資助下，開發了THMR-V型智能車。2003年，THMR-V型智能車在畫有清晰白線的結構化道路上跟蹤車道的平均速度達到100km/h。20世紀90年代至今，吉林大學先后研制了四代智能車試驗車。正在調試的第四代試驗車JUTIV-IV中開始研究多傳感器信息融合技術在道路環境理解中的應用。國防科技大學機電工程與自動化學院自80年代起開始進行無人駕駛智能車輛技術研究，先后研制出四代無人駕駛汽車。第四代全自主無人駕駛汽車于2000年6月在長沙市繞城高速公路上進行了全自主無人駕駛試驗，試驗最高時速達到75.6km/h

17、。車輛智能化是汽車工業今后的發展趨勢，也是人們對安全性要求越來越高的未來汽車的發展方向。隨著計算機技術和信息技術為代表的高新技術的發展，結合傳感器技術和自動駕駛技術可以實現汽車的自適應巡航并把車開得又快又穩、安全可靠;汽車夜間行駛時，如果裝上紅外攝像頭，就能實現夜晚汽車的安全輔助駕駛;它也可以工作在倉庫、碼頭、工廠或危險、有毒、有害的工作環境里，此外它還能擔當起無人值守的巡邏監視、物料的運輸、消防滅火等任務。在普通家庭轎車消費中，智能車的研發也是很有價值的，比如霧天能見度差，人工駕駛經常發生碰撞，如果用上這種設備，激光雷達會自動探測前方的障礙物，電腦會控制車輛自動停下來，撞車就不會發生了。1.

18、3電磁循跡直立智能車的比賽特點電磁尋跡直立智能車要求車模在直立的狀態下以兩個輪子著地沿著賽道進行比賽。首先，有必要介紹一下賽道的基本參數賽道路面用專用白色KT基板制作，跑道精選文檔可修改可編輯精選文檔可修改可編輯5m7m左右，決賽階段時跑道面積可以增大。賽道寬度不小于45cm。賽道與賽道的中心線之間的距離不小于60cm。如下圖所示：圖1.賽道寬度及間距跑道表面為白色，賽道兩邊有黑色線，黑線寬25mm5，沿著賽道邊緣粘貼。賽道中心下鋪設有直徑0.1-0.8mm漆包線，其中通有20kHz，100mA的交變電流。頻率范圍20k1k，電流范圍(10020mA)。圖2賽道顏色以及邊線跑道最小曲率半徑不小

19、于50cm。跑道可以交叉，交叉角為90。賽道有一個長為1m的出發區，計時起始點兩邊分別有一個長度10cm黑色計時起始線，賽車前端通過起始線作為比賽計時開始或者結束時刻。在黑色計時起始線中間安裝有永久磁鐵，每一邊各三只。磁鐵參數：直徑7.5-15mm，高度1-3mm，表面磁場強度3000-5000高斯。起跑線附近的永磁鐵的分布是在跑道中心線兩邊對稱分布。相應的位置如下精選文檔可修改可編輯精選文檔可修改可編輯圖3.電磁賽道起跑線直立電磁車在行駛時，其采集到得電磁信號很穩定，而其自身保持直立和依靠雙電機的驅動來作轉向相對比較困難，所以，軟件設計中必須以保持直立和行車轉向作為重點部分。這是直立電磁車軟

20、件設計車必須解決好的兩大問題。它直接決定了電磁車是否能跑完全程。小車在450mm寬的賽道上高速行駛過彎時，一瞬間的錯誤轉角足以讓小車發生傾倒或是沖出賽道。電磁車車的前瞻量較小，在過彎時需要適當轉向和減緩車速。所以，在轉角策略方面，軟件設計上可以進行相應的優化，讓電磁車在較小前瞻下能夠盡可能發揮最大的作用。1.4課題意義電磁尋跡直立智能車是一個高度不穩定兩輪車，是一種多變量、非線性、絕對不穩定、擁有智能識別的系統，是檢驗各種控制方法控制能力的裝置。兩輪直立電磁車可以看做是智能汽車與兩輪自平衡小車的結合體，所以其既有理論意義又有實用價值。就單從兩輪自平衡小車的研究而言，其在最近十年引起了大量機器人

21、技術實驗室的廣泛關注。兩輪自平衡小車作為倒置系統的一種形式，是動力學理論和自動控制理論與技術相結合的研究項目，為科學理論的發展起到了指導作用。狀態空間法、模糊控制、神經網絡控制等控制方法的控制效果都可以在這個本質不穩定的系統中得到檢驗。精選文檔可修改可編輯電磁尋跡直立智能車是移動智能機器人研究中的一個重要領域。移動機器人技術隨著計算機技術、軟件技術、微電子技術、材料技術等相關領域的進步而發展，同航天技術一樣，機器人的發展水平甚至代表了一個國家的綜合科技實力川。電磁尋跡直立智能車兩輪共軸、獨立驅動、車身中心位于車輪軸上方，通過運動保持平衡，可直立行走。由于特殊的結構，其自我適應地形變化能力強，運

22、動靈活，可以勝任一些復雜的特定環境里的工作。傳統智能車多以具有導向輪的四輪小車布局，與之相比，電磁尋跡直立智能車在實用性上主要有如下優點。1.實現原地回轉和任意半徑轉向，移動軌跡更為靈活易變，很好的彌補了傳統多輪布局的缺點;2.驅動功率較小，為電池長時間供電提供了可能，為環保輕型車提供了種新的思路。1.5本課題研究主要內容本論文提出了一種新的直立電磁尋跡小車結構，并對其直立控制和運動行駛過程進行分析。車輛行駛機構為輪式結構，采用兩獨立驅動電機和電子陀螺儀、加速度傳感器，同時配備電磁傳感器，能實現智能小車直立、前進、后退、轉向、規避障礙等功能。（1）電磁智能小車的結構設計。內容包括小車主要結構形

23、式和外形尺寸的確定。（2）小車信號采集處理分析。研究電磁傳感器在采集賽道信息后分析小車在當前路況的信息，由此選擇合適的行車方案，從而使小車能夠自主選擇最優化的行車路線。（3）小車的運動學性能分析。根據小車是非完整約束姚環系統的特點，采用位姿矩陣變換法，完成正、逆運動學建模，從而可以分析小車車體在一定車輪轉速下的速度及位姿，獲得車體處于一定速度及位姿時車輪所需的速度。（4）小車的轉向特性仿真分析。要順利進行轉向，小車必須具備自主靈活的轉向性能，因此，小車的兩驅動電機的不同控制是其地面適應能力的一個關鍵方面。該部分主要就小車轉向系統的穩態和瞬態響應特性進行了分析，討淪如何使小車既精選文檔可修改可編

24、輯精選文檔可修改可編輯第二章電磁尋跡直立智能車的系統構建2.1電磁尋跡原理根據電磁學，我們知道在導線中通入變化的電流，則導線周圍會產生變化的磁場，且磁場與電流的變化規律具有一致性。如果在此磁場中置一由線圈組成的電感，則該電感上會產生感應電動勢，且該感應電動勢的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導線周圍不同位置，磁感應強度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產生的感應電動勢也應該是不同。據此，則可以確定電感的大致位置1。首先，由畢奧-薩伐爾定律知：通有穩恒電流I長度為L的直導線周圍會產生磁場，距離導線距離為r處P點的磁感應強度如公式2-1：0Isind（2-1）B24r1直道附近

25、的磁場分布，可以近似為無限長的直導線上的磁場分布，容易算得距離長直導線距離為r的點的磁感應強度如公式2-22：I2r（2-2）B0長直道附近磁感應強度方向為垂直紙面向里，于是，它的磁力線是在垂直于導線的平面內以導線為軸的一系列同心圓，圓上的磁感應強度大小相同。定義小車前進的方向為Y軸正向，順著Y軸的右手邊為X軸的正向，Z軸指向小車正上方，如圖2-1所示。設水平線圈為軸線平行于Z軸的電感線圈，垂直線圈是指軸線平行于X軸的線圈。BX是指向載流導線右手邊的電磁感應強度，BZ是指向載流導向正上方的電磁感應強度。顯然，垂直線圈感應的是BX變化率，水平線圈感應的是的BZ變化率。精選文檔可修改可編輯由公式2

26、-2進而可以推出公式2-3，公式2-4?hBx=Im02px2+h2（2-3）?xBz=Im02px2+h2（2-4）其中h是電感線圈距離地面的垂直距離。為了討論的方便，記為公式2-5和公式2-6：Bx=x2h+h2（2-5）2p?x+hBz=Im02h2（2-6）則BX、BZ分別和BX、BZ有相同的變化趨勢3。BX是x的偶函數，在Y軸兩側單調;BZ是x的奇函數，在Y軸兩側沒有單調關系。此外因此BX的衰減較BZ快很多。綜上推知，水平線圈比較適合做x的正負判別，垂直線圈比較適合用來解算x的具體數值，BZ較BX衰減慢得多，說明水平線圈對遠處道路狀況相對比較敏感，可以用來預測前方的彎道。對于通有電流

27、的弧形導線，根據畢奧-薩伐爾定律明顯可以得出弧線內側的磁感線密度大于弧線外側的結論。如果在通電直導線和弧形導線兩邊的正上方豎直放置兩個與電流方向一致的線圈，則兩個線圈中會通過磁通量。導線中的電流按一定規律變化時，導線周圍的磁場也將發生變化，則線圈中將感應出一定的電動勢。根據法拉第電磁感應定律，感應電動勢的大小和通過導體回路的磁通量的變化率成正比。感應電動勢的方向可以用楞次定律來確定。由于本設計中導線中通過的電流頻率較低，為20kHz，且線圈較小，令線圈中心到導線的距離為r，認為小范圍內磁場分布是均勻的，則線圈中感應電動勢可近似為公式2-7精選文檔e=-df可修改可編輯kdi=（2-7）dtrd

28、t即線圈中感應電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導線的距離。其中k為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關的一個量。具體的感應電動勢須實際測定來確定。2.2電磁直立循跡智能車總體構成根據電磁直立循跡智能車功能不同，電磁直立智能車體系的結構大致包括傳感器、控制、執行機構、人機接口和電源五大部分。（1）傳感器部分負責測量賽道環境信息和車模自身的狀態信息，為小車在正常行駛過程中各部分所需信息的檢測與跟蹤。傳感器部分包括：電磁檢測感應線圈、陀螺儀，叫加速度傳感器、扭轉編碼器三個部分。（2）電源模塊共包括電池和電路穩壓模塊，負責向車上電機、單片機及各個子模塊提供所需電源。（3）控制部分

29、即車輛的智能控制的核心部分單片機，用來分析傳感器采集的數據，提取賽道信息，進行所需的控制算法，并最終向各執行機構發出控制信號，來控制車模的正常行駛。（4）執行機構在單片機對執行機構下達控制指令后，來執行該指令的部分。執行機構包括電機驅動、電機等。（5）人機接口實現模式和參數選擇、狀態指示、實時監控以及數據存儲等人機交互功能，在電磁智能車上主要是LCD模塊。精選文檔可修改可編輯2.3功能模塊介紹2.3.1加速度傳感器加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運動所產生的加速度。根據競賽規則規定車模使用加速度傳感器必須使用飛思卡爾公司產生的加速度傳感器，故該課題中選用MMA7361QR3軸小量程加

30、速傳感器，如下圖2.3.1所示。2.3.1MMA7361QR加速度傳感器輸入電壓，同時可以接到單片機AD參考電壓端;5V電源;pin3,GND:電源地;pin4,Xout:x軸方向電壓輸出;pins,Yout:y軸方向電壓輸出;pin6,Zout:z軸方向電壓輸出;pin7,sleep:芯片休眠控制(0:休眠，1:工作);pin8,10,12,NC:懸空管腳;ping,Og_dectect:Og信號檢測;pin11,Self_test:芯片自我測試與初始化;精選文檔可修改可編輯（1）默認開關與靈敏度：R1焊接R2不焊加速范圍(g)1.5靈敏度（mv/g）800接不焊焊接6.0200接（2）傳感

31、器工作狀態控制器：Pin7、Sleep：I/O口制傳感器休眠與否，如果不接，默認為正常工作。0V休眠;3v3正常工作。（3）加速度傳感器工作原理MMA7361QR3軸小量程加速傳感器是檢測物件運動和方向的傳感器，它根據物件的運動和方向改變輸出信號的電壓值。各軸的信號在不運動或是不被重力作用的狀態下（0g），其輸出為1。65V。如果沿著某一個方向活動或者受到重力作用，輸出電壓就會根據其運動方向以及設定的傳感器靈敏度而改變其輸出電壓。運用單片機的A/D轉換器讀取此輸出信號，就可以檢測其運動和方向。通過設置可以使MMA7361QR最大輸出的靈敏度設為800mv/g。測量其中一個方向上的加速度值，就可

32、以計算出車模傾角，比如使用Z軸方向上的加速度信號。車模直立時，固定加速度器在Z軸水平方向，此時輸出信號為零偏電壓信號。當車模發生傾斜時，重力加速度g便會在Z軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出電壓變化。變化的規律為Du=kgsinq式中，g為重力加速度;為車模傾角;k為比例系數。當傾角比較小的時候，輸出電壓的變化可以近似與傾角成正比。精選文檔可修改可編輯A=0gA=0g圖2.3.2加速度傳感器的坐標系圖2.3.2初始狀態坐標系，此時俯仰角為0，各軸上的靜態加速度值：A=0gxyz當X軸與水平面產生俯仰角時，加速度傳感器的坐標系如圖2.3.3所示。圖2.3.3俯仰變化后的坐標系精選文檔可修改可

33、編輯A=0gA=1g?cosr圖2.3.4XZ軸平面坐標系將坐標系投影到XZ軸平面，可得如圖3.3.4所示的平面坐標系，由此可求得各軸上的靜態加速度值：A=-1g?sinrxyz由上述等式，可以得到俯仰角的計算公式：r=-arctan(AyA)z同理可得橫滾角的計算公式：j=arctan(AxA)z2.3.2電子陀螺儀根據本設計方案的要求，在電路模塊我們選擇ENC-03系列的陀螺儀。該產品是一種應用科氏力原理的角速度傳感器，它輸出一個和角速度成正比的模擬電壓信號。在車模上安裝陀螺儀，可以測量車模傾斜的角速度，將角速度信號進行積分便可以得到車模的傾角。ENC-03陀螺儀的詳細參數及實物圖2.3.

34、5精選文檔可修改可編輯圖2.3.5供電電壓Vdc2.75.25最大角速度deg./sec.+/-300輸出（當角速度=0）Vdc1.35比例系數mV/deg./sec.0.67線性度%FS+/-5響應頻率Hz50max.重量g0.4操作溫度:-5Cto75C儲存溫度:-30Cto85C采集方法采用單片機對其進行AD采樣獲得相應的采樣信息。由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會受到車體振動影響。因此該信號中噪聲很小。車模的角度又是通過對角速度積分而得，這可進一步平滑信號，從而使得角度信號更加穩定。因此車模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號。2.3.3電磁傳感器電磁傳感器是保證車模沿

35、著競賽道路比賽的關鍵傳感器。直立車模所在的電磁組的道路中心線鋪設有一根漆包線，導線通有100mA的20kHz交變電流在中心線周圍會產生一個交變的磁場。電磁感應線圈一般采用10mH的工字型電感，選擇20kHz的交變磁場作為路徑導航信號，在頻譜上能夠有效地避開周圍環境中磁場的干擾，因此信號放大需要進行選頻放大，使得20kHz的信號能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號的影響。在實際電路中選用6.8nF的電容作為諧振電容。在距離導線50mm的上方放置垂直于導線的10mH電感，使用示波器測量輸出電壓波形。精選文檔可修改可編輯圖2.3.6電磁感應線圈電路圖為了能夠更加準確測量感應電容式的電壓，需要將上述感

36、應電壓進一步放大，在一般情況下將電壓峰峰值放大到1-5V左右，所以需要放大電路具有100倍左右的電壓增益（40db）。2.3.4編碼器利用電磁感應原理將兩個平面型繞組之間的相對位移轉換成電信號的測量元件，用于長度測量工具。編碼器分為直線式和旋轉式兩類。該課題中我們需要的是旋轉式編碼器，在車輛行駛過程中我們通過編碼器的運用來達成車速信息的反饋，從而有效地形成一個閉環系統。下圖為實物圖2.3.7圖2.3.7編碼器實物圖編碼器信號線需上拉電阻5-10K，區分正反轉是通過相位差獲得精選文檔可修改可編輯圖2.3.8正反轉是通過相位差2.3.5電機驅動電路直流電機的力矩最終來自于電機驅動電壓產生的電流。因

37、此只要電機處于線性狀態，上述假設的車模電機的拆解可以等效成三種不同控制目標的電壓疊加，并且將其施加在電機上。因為驅動電機采用的為具有使能控制和方向邏輯的H橋電路（如2.3.9圖）圖2.3.9具有使能控制和方向邏輯的H橋電路電機的運轉就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIRL信號為0，DIRR信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經電機;如果DIRL信號變為1，而DIRR信號變為0，那么Q2和精選文檔可修改可編輯Q3將導通，電流則反向流過電機。精選文檔可修改可編輯第三章電磁尋跡直立智能車智能軟件系統的設計3.1智能控制概論智能控制是智能小車的靈

38、魂，是決定小車能否順利完成比賽的關鍵部分。好的智能控制程序，能夠使小車能夠順利的完成賽道，并且使小車表現出良好的隨動性。該設計使用電感傳感器檢測預先鋪設在賽道下方的漆包線發出的20kHz的交變電磁波。其軟件設計主要有對電感傳感器采樣值的處理，并將所得出的值用來控制小車左右兩個電機的轉速從而控制轉向。3.1.1模糊控制模糊控制利用模糊數學的基本思想和理論的控制方法。在傳統的控制領域里，控制系統動態模式的精確與否是影響控制優劣的最主要關鍵，系統動態的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，智能車系統屬于比較復雜，并且動態信息未知的系統，由于變量太多，往往難以正確的描述系統的動態，于是便嘗試著以

39、模糊數學來處理智能車的控制問題。模糊控制器的控制規律由單片機的程序實現，首先單片機經過采樣獲取被控制量的精確值，然后將此值與給定值比較得到誤差信號E。一般選此誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量。將誤差信號E的精確量進行模糊量化變成模糊量，誤差E的模糊量用相應的模糊語言表示。至此，得到了誤差E的模糊語言集合的一個子集e。再有e和模糊控制規則根據推理的合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量。模糊控制器由3個功能模塊組成，即模糊化模塊、模糊推理模塊和解模糊模塊，如圖3.1.1所示。精選文檔可修改可編輯圖3.1.1.模糊控制規則1)編碼位置偏差e及其變化率ec是模糊控制器的2個輸入，其中：eceiei

40、-1。模糊控制器需對這2個精確量進行編碼，使其成為模糊量，進而參加模糊推理。2）模糊化由于傳感器所檢測到的信息是精確量，而模糊控制器需要的是模糊量，所以需要將這些精確量轉變成語言變量值，即模糊量。在模糊控制中，通常將控制量的實際值與期望值比較，得到一個偏差e，并將其模糊化處理為模糊量E，控制器根據E來決定如何對系統加以調節控制。為了使控制器的性能更好，通常還需要將偏差變化量EC作為輸入量，以此對系統進行綜合判斷。根據從實際調試中得到的經驗，可以將偏差e、偏差變化ec和控制量變化u映射到模糊域中。3）模糊推理在智能車控制系統中，模糊控制器的輸入量為位置偏差E及其相對行駛距離的變化量EC，輸出量為

41、速度和方向的控制量U，所以該模糊控制器為一個雙輸入單輸出的模糊控制器。通過對路況進行分析，根據人們開車時的經驗，可以得到相應的模糊控制規則集。將這些模糊規則以程序的形式寫到單片機中，從而實現對智能車的控制。當誤差為負大而誤差變化為正時，說明系統誤差已有減小的趨勢，所以為了盡快消除誤差并且不產生超調，應取正中或正小的控制量。當誤差為負中時，控制量的變化應盡快消除誤差，并且不至于引起超調，基于這種原則，當誤差變化為正大時，控制量的增量可以取為0。當誤差為負小時，系統接近穩態，若誤差變化為負時，選取控制量變化為正中，以抑制誤差往負方向變化;若誤差變化為正時，系統本身有趨勢消除誤差，所以控制量變化可以

42、選為0。上述選取控制量變化的原則是：當誤差很大或大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主;而當誤差較小時，選擇控制量要注意超調，以系統穩定性為主要出發點。誤差為正時與誤差為負時向類同，相應符號都要變化。精選文檔可修改可編輯4）解模糊在智能車模糊控制器中，對建立的模糊控制規則要經過模糊推理才能決策出控制變量的一個模糊子集，它是一個模糊量而不能直接控制被控對象，還需要采取合理的方法將模糊量轉換為精確量，以便最好地發揮出模糊推理結果的決策效果。3.2系統辨識的基本概念“系統辨識”是研究如何利用試驗或運行的、含有噪聲的輸入輸出數據來建立被研究對象數學模型的一種理論和方法。系統辨識與控制理論的聯系較為密切，隨

43、著計算機技術的發展和對控制技術要求的提高，控制理論得到廣泛的應用。但是，在控制理論的大多數應用場合.若想獲得理想的使用效果，則與能否獲得被控對象精確的數學模型是密不可分的。然而，在很多情況下，被控對象的數學模型是不知道的，甚至涉及這個系統的工藝方面的工程師都無法用數學模型來描述它。或者有時，系統在正常運行期間的數學模型的參數會發生變化，使得依賴于這個模型運行的控制器的控制效果大打折扣，甚至使系統失控。因此，在應用控制理論去實施系統控制時，其基礎是要建立控制對象的數學模型，這是控制理論能否應用成功的關鍵因素之一。“系統辨識健立對象數學模型的依據是:研究表明，從外部對一個系統的認識，是通過其輸入輸

44、出數據來實現的，既然數學模型是表述一個系統動態特性的一種描述方式，而系統的動態特性的表現必然蘊含在變化的輸入輸出數據中。所以，通過記錄系統在正常運行時的輸入輸出數據，或者通過測量系統在人為輸入作用下的輸出響應，然后對這些數據進行適當的系統處理、數學計算和歸納整理，提取數據中蘊含的系統信息，就可以建立被控對象的數學描述，這就是系統辨識。即系統辨識是一種利用數學的方法從輸入輸出數據序列中提取被控對象數學模型的方法。精選文檔可修改可編輯圖3.2.1辨識系統結構示意圖3.3車直立系統的設計3.3.1平衡思想電磁尋跡直立平衡小車的側面構架在以電機軸心線為中心的前后轉動，可以定義以車身垂直地面為0，考慮到

45、機械結構方面的原因，車身可擺動的范圍大約在-30至+30之間。當不作任何控制時，車身向前傾斜或者向后傾斜，左右輪都將處于靜止狀態，也就是說車身前后擺動與車輪轉動是相互獨立;當對車開始進行控制時，車身在豎直站立的狀態下釋放，小車只有靜止、前進、后退三種運動的方式，在程序的控制下，小車能夠保持自身的平衡將分為以下3種情況：1)靜止，車身重心位于電機軸心線的正上方，測得則小車將保持平衡靜止狀態，不需要做任何控制。2)前傾，如果車身重心靠前，車身會向前傾斜，則驅動車輪向前滾動，以保持小車平衡。3)后退，如果車身重心靠后，車身會向后傾斜，則驅動車輪向后滾動，以保持小車平衡。因此，電磁尋跡直立智能車控制平

46、衡的思想基本為:當測量傾斜角度的傳感器檢測到車體產生傾斜時，控制系統根據測得的傾角產生一個相應的力矩，通過控制電精選文檔可修改可編輯精選文檔可修改可編輯3.3.2直立系統中具體的控制過程根據上面所講，小車保持平衡基本上分為三種情況：靜止，前傾和后退。以下進行詳細說明車動態平衡的控制過程。在車模上安裝陀螺儀，可以測量車模傾斜角速度，該值為采集回的陀螺儀的A/D值，將角速度信號（即A/D值）進行積分便可以得到車模的傾角。由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，該值不會受到車體運動的影響，因此該信息中的噪聲很小。直立車的角度是通過對角速度積分而得，該信號較為平滑，從而使得角度信號更加穩定。所以直立車控制所需

47、要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號。因為從陀螺儀角速度獲得是角度的信息，需要通過積分進行運算。如果角速度信號存在微小的偏差和漂移，經過再次積分運算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步增加，最終導致電路飽和，無法形成正確的角度信號，如圖3.3.1所示。圖3.3.1角度積分漂移現象解決這種誤差的方法就是通過加速度傳感器獲得的角度信息對此進行校正。通過將積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度的對比，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。精選文檔可修改可編輯利用加速度計所獲得的角度信息g與陀螺儀積分后的角度進行比較，將比較的誤差信

48、號經過比例1/Tg放大之后與陀螺儀輸出的角速度信號疊加之后再進行積分。對于加速度計給定的角度g，經過比例、積分環節之后產生的角度必然最終等于g。圖3.3.2通過重力加速度來矯正陀螺儀的角度漂移輸出角度包含了兩個一階慣性環節，其中第一項是重力加速度Z軸對應的角度，第二項是陀螺儀加速度經過慣性環節的數值。系統不再存在純積分環節，所以陀螺儀的角速度微小的偏差不會形成積累誤差。其中參數Tg決定了這兩個慣性環節的時間常數。Tg越大，角度輸出跟蹤Z軸的輸出越慢，不過可以有效抑制重力加速度計上的噪聲問題。Tg過大，會放大陀螺儀輸出的誤差。這個參數需要根據實際的小車運行效果進行調整，即所需在調試過程中所得到的

49、經驗值。為了避免輸出角度跟蹤時間過長，可以采取以下兩個方面的措施：1）調整陀螺儀的放大電路，使得它的零點偏置能夠盡量接近設定值，并且能夠達到穩定。2）控制電路和程序運行的開始時，保持小車處于直立狀態，這樣能夠在最初時得到輸出角度與g相等。此后，加速度計的輸出只是消除積分的偏移，輸出角度不會出現很大的偏差。關于加速度傳感器在直立系統的運用中，在車開電的情況下分別測試得到加速度傳感器的A/D數值范圍，如下：精選文檔可修改可編輯角度前900后90A/D值（十六進制）52211301786范圍4955231102113117551787圖3.3.3為加速度傳感器在90度到-90度間的采樣結果加速度傳感

50、器的Z軸信號除了由于重力加速度引起的輸出之外，還包括有直立小車的角加速度和移動加速度產生的信息。在直立小車現有的參數基礎上，這些信號在幅值、頻率等方面不會有太大的差異，它們將會疊加在一起。但我們可以通過加速度傳感器獲得的角度信息對陀螺儀所算出的角速度和角加速度進行校正。通過將積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度的對比，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。下圖3.3.4為測量的到得加速度測得角度、陀螺儀積分推得角度和陀螺儀推得角速度。精選文檔可修改可編輯藍線為加速度測的角度紅線為陀螺儀積分的角度淡藍為陀螺儀角速度圖3.3.4測量的到得加速度測

51、得角度、陀螺儀積分推得角度和陀螺儀推得角速度通過陀螺儀和加速度傳感器采集得來的實時數據，想要能夠反映當前車輛行駛的姿態情況，就必須通過將兩種信號所得值進行濾波融合處理（即為上述比較）再在程序中根據查MAP表的方法得到能夠反映真實的角度，根據經驗公式給予PWM一定的值來控制電機的轉速，和正反轉信號，以此調整車的動態平衡。整個過程如下示意圖圖3.3.5所示：精選文檔可修改可編輯圖3.3.5動態平衡調整示意圖3.4采樣方法和采樣間隔的選擇對系統進行辨識時，系統的輸入信號和輸出信號都要經過采樣處理。采用離線辨識方法時，通常先在現場用記錄設備將模擬信號采集，經九公變換為數字信號輸入計算機。而實施在線辨識

52、時，則在現場直接將信號經過數字采樣輸入計算機。在這個過程中，其數字采樣的問隔的選擇將直接影響到辨識模型的精度，雖然原則上可以用優化準則求取最優的采樣時間，但在實施的過程中，其計算過于復雜。一般是從實際出發，根據工作頻率選擇合理的采樣時間，并考慮下述因素:1).應滿足采樣定理，即采樣的速度不低于信號截止頻率的兩倍，一般為3-5倍;2).采樣間隔應顧及辨識算法、計算速度及中側變換器的響應速度等因素。3).采樣間隔的長短會直接影響模型的辨識效果，采樣間隔過長，信息損失過多，將直接影響模型的精度，高階模型會退化為低階模型，采樣時間過短，會遇到硬件精選文檔可修改可編輯精選文檔可修改可編輯3.4.1電磁傳

53、感器采樣選擇電磁傳感器上一共有11個電磁感應線圈，在賽道中20KHZ的交變磁場作為路徑導航信號，故一次采樣的時間是1/20KHZ即0.05ms。在單個感應線圈采集電磁信號時，因為感應線圈采集的是交變電流產生的感應電動勢，即線圈在一次采樣時間內采集到的將是一個正弦波，因此為了準確的得到本次采集數據，我們選擇在單個感應線圈的采樣周期內完成50次采樣，將這50次依次采集的A/D值記錄到程序的數組中，在程序中根據這50個A/D數值的比較找出最大的數值，即為采集得到的峰值，以此代表該線圈當前采集到的A/D值。在11個周期導航信號產生的過程中，電磁傳感器上的11個電磁感應線圈將從左往右依次采集(感應線圈按

54、照從左往右依次編號)，完成直立小車程序中設計的一個完整采樣周期，根據計算期間電磁傳感器采樣周期共用0.55ms。3.5路徑檢測算法的設計根據3.4.1中所述電磁傳感器的采樣選擇，在依次對11個電磁感應線圈的A/D進行對比后，能夠得到其最大值和最小值，根據這個最大值能夠找出對應的電磁感應線圈，基本可以判斷通電導航導線當前在最大值對應的線圈下方，從而近一步的判斷得到直立小車相對道路的位置。電磁傳感器的機械上設計大約前瞻在15至25cm范圍內，即直立電磁車的一場信號能夠代表當前車前方15至25cm處得路況。3.6路徑算法的優化處理根據電磁傳感器的采集特點發現，在復雜的環境中外界噪聲較大，某一場數據易

55、產生錯誤，如果在路徑算法中單單依靠一場數據作為信號來使用，一旦出現某場數據錯誤將使小車在轉向中出現嚴重錯誤，因此我們在路徑算法中采用趨勢算法。一個典型的趨勢運動過程主要特征：首先，趨勢的發展尚未確認;其次，一旦趨勢被確認，這種認定將加強趨勢的發展，并導致一個自我推進的過程。在趨勢形成精選文檔可修改可編輯和強化的初期，會多次發生懷疑，但又多次被消除；再次，如果在多次懷疑的沖擊之后，趨勢的發展依然如故，那么，趨勢必然會出現一個加速的過程;接著，開始出現極端的現象，行為精選文檔可修改可編輯會開始發生扭曲，隨即進入非理性狀態。也預示著變化即將到來。趨勢算法的具體思路如下：1在車靜止下開始采集50場數據

56、，根據50場信息歸納總結得到當前導線靠近車上第幾個電磁傳感器；2采集新的一場數據，根據該場數據的信息與之前信息對比，如果本場得到的信息發現明顯遠離之前導線靠近的電磁傳感器則判斷，該場數據得到外界環境的干擾，并自動過濾掉本場數據，不計入單片機中；如果與之前得到信息變化范圍在合理范圍之內，則在單片機記下本場數據，并對總信息進行新的更新歸納，同時根據本場信息與之前的信息進行比較，根據變化情況對直立小車轉向進行一定的控制；3延續上面第二部操作，直道數據信息庫記錄滿200場信息為止，根據200場信息基本能夠判斷得出直立電磁小車當前所屬的路況，根據賽道的常出現的情況大致可以分為直道、較緩左彎道、較緩右彎道

57、、左急彎、右急彎和連續障礙彎道(s彎)4在每場數據記載到單片機數組中，按照將上一場的信息推送至較高的地址中，最新的一場信息記錄在較低的地址中，因此，當200場數據記錄滿后，新的一場數據采集回時，其他數據將相繼加一，而最高位的地址將被原先第199場數據覆蓋，以后依次循環。5根據200場記載的實時信息，我們在單片機中進行優化運算，推算近200場得趨勢，例如：直道行駛：在200場信息中近100場以上的信息能夠有效顯示電磁傳感器的第57個電磁感應線圈的A/D值最大，則能夠反映當前車的行駛狀態為最佳即車體沿導線正上方行駛；彎道變直道(直道進彎道)：200場信息中前百場以上的信息得到第14號或811號A/

58、D值最大，且逐漸向中間感應線圈靠攏，而最近得到的幾十場信息基本在中間感應線圈的下方則表示車在從彎道變化進入直道的過程中，與此相反則表示從直道轉入彎道；精選文檔可修改可編輯彎道中轉向不足：直立小車在彎道中行駛相對比較困難，因此為了保證轉向的質量，在彎道中的判斷尤其重要。在200場信息中近60%以上的數據信息顯示第14號或811號A/D值最大，且逐漸向中間感應線圈靠攏，而最近得到的幾十場信息基本在中間感應線圈的下方則表示車在從彎道變化進入直道的過程中，；3.7車行駛中直立控制策略在直立尋跡小車的行駛控制中，系統中共有小車直立控制、小車行駛速度控制和小車轉向控制這三個模塊控制影響了PWM的輸出量，根

59、據車行駛環境的不同，這三個量的輸出將分別產生不同的改變，此時彼此間的相互影響會直接與小車的直立發生一定的干涉效果，為了有效的避免這種情況的發生我們建立車行駛中直立控制系統。首先在調試車輛之前通過硬件和軟件上的檢測了解C類車模的電機特性，電機在滿轉時輸出的PWM值為4500，小車正常行駛的最低PWM輸出值為2000，而能夠影響轉向的PWM輸出在01500之間。根據這個特性考慮到小車保持直立性是具有優先權的，所以在系統中影響最終PWM輸出的直立控制、行駛速度控制和轉向控制這三個模塊的關系應該如下圖3.7.1示PWM總輸出直立控制PWM范圍2000速度控制PWM范圍01500轉向控制PWM范圍015

60、00圖3.7.1PWM各部分輸出關系這樣直立控制所占的PWM占空比相對遠大于速度和轉向上的，所以當車在行駛過程中發生可能導致的干涉條件時，首先能夠有效地保證直立控制。精選文檔可修改可編輯3.8兩輪車轉向系統設計實現小車車模方向控制是課題的另一個關鍵所在。電磁車在所處得道路中心線鋪設的有一根漆包線，里面通有100mA的20kHz交變電流，即在道路中心線周圍會產生一個交變磁場，在前面的原理介紹中已經詳細講解。所以需要通過道路電磁中心線偏差檢測與電機差動控制來實現方向控制。（1）電機差動控制簡單來講就是利用電磁傳感器檢測到得電磁線偏差信號與車模兩電機的速度控制信號進行加減算法從而形成左右輪差動控制電