智能车简介
飞思卡尔智能车大赛分三种赛组：
摄像头组
光电组
电磁组
调试视频
调试视频
电磁组原理概述
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。 在电磁组比赛中，利用 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。
原理篇
原理篇
• 1.路径检测 • 2.直立控制 • 3.算法设计
• 路径检测的整体思路流程：
• 磁场感应 选频 放大 检波 A/D采集（单片机萨法尔定律可求得通电的导线周 围空间上某一定点的磁场强度。
• 再由法拉利定律和楞次定律可得处在该点处磁感线圈的感应 电动势大小
算法设计
• 在车模控制中的直立、速度和方向控制三个环节中，都使用 了比例微分（PD）控制，这三种控制算法的输出量最终通过 叠加通过电机运动来完成。 • （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PD（比例、微分）控制； • （3）车模方向控制：使用PD（比例、微分）控制。
单 管 共 射 交 流 放 大 电 路
检波电路
• 测量放大后的感应电动势的幅值E可以有多种方法。最简单的 方法就是使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直 流信号，然后再通过单片机的AD采集获得正比于感应电压幅 值的数值。
A/D输入
单片机
检测部分的系统框图
直立行走的原理
• 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。
车模控制任务分解图
• 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。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
• 实现方案概述 • 对于上述条件，我们采用了组委会提供的直立参考方案，利 用加速度计和陀螺仪分别测量车模倾角的大小和角速度的大 小，并控制车模车轮的加速度来消除车模的倾角。
系统结构图
各部分的功能
• 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。
车模速度控制
• 倾角的控制原理
车模方向控制
• 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。
通过电机驱动差动电压控制方向
算法设计
• 车模直立行走的控制算法系统框图如下：
算法设计
• 需要采集的如下信号：
• （1）车模倾角速度陀螺仪信号，获得车模的倾角和角速度。 • （2）车模电机转速脉冲信号，获得车模运动速度，进行速度 控制。 • （3）车模电磁偏差信号（两路），获得车模距离中心线的位 置偏差，进行方向控制。 • （4）车模转动速度陀螺仪信号，获得车模转向角速度，进行 方向控制。
车模平衡控制
• 控制车模直立稳定的条件如下：
• （1）能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度θ'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？
• 又如何控制车轮的加速度呢？
车模平衡控制
• 加速度传感器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。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。
电磁组原理概述
• 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。
磁场感应
选频电路
• 比赛选择20kHz的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可 以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行 选频放大，使得20kHz的信号能够有效的放大，并且去除其 它干扰信号的影响。
LC串联选频
信号放大电路
• 为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感 应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1-5V左 右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右 的电压增益（40db）。最简单的设计可以只是用一阶共射三 极管放大电路就可以满足要求，如下图所示：
b.陀螺仪：两路。一路用于检测车模倾斜角速度，一路用于检测车模转动角速度。
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 控制左右两个电极双方向运行。由于采用单极性ＰＷＭ驱动需要四路PWM接口。
• （3）定时器接口 测量两个电机转速，需要两个定时器脉冲输入端口。 （4） 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。
• 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。有的芯片有33886，BTS7970等。
• 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、串口示波器、诺基亚 5110显示等模块。
• 5.电源部分
角度计算函数
直立控制函数
速度控制函数
调试
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• 陀螺仪——角速度传感器，用来测量物体的旋转角速度。 • 通过改变占空比来改变电机的速度，达到加速的目的
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。 • 假设车模在上面直立控制调节下已经能够保持平衡了，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。控制速度 只要通过控制车模的倾角就可以实现了。
直立行走的原理
• 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： (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；
(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。
电磁组原理概述
• 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。
电磁组原理概述
• 总结控制车模直立稳定的条件如下：
• • （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。
最小系统
• 控制电路划分为下子模块：
（1）单片机最小系统：包括p处理器，程序下载调试接口等；
传感器
• （2）电磁线检测：包括两路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：包括三个姿态传感器信号放大滤波 电路；
加速度传感器实物
陀螺仪实物
光电编码器
• （4）速度检测：检测电机光电码盘脉冲频率，实际上只包括 了两个光电码盘的传感器。
电机驱动
• （5）电机驱动：驱动两个电极运行功率电路；
电源供电
•
•
（6）电源：电源电压转转换，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。
无线遥控开关
• 车模在初期调试过程中容易冲出赛道。为了避免车模因撞击 而损坏，在车模上安装一个无线遥控开关，能够及时停止车 模运行，避免车模冲出赛道撞击损坏。
-----电磁组
主讲：李春阳 梁炳春 吴再新
•一、小车简介 •二、硬件设计 •三、原理分析
竞赛介绍
• 该竞赛由竞赛秘书处设计、规范标准硬软件技术平 台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、 现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作， 初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现 的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一 体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景， 涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、 计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。
• 负责向各部分提供合适的电源，包括电池和各个稳压模块。。 5V 稳压电路采用的是LM2940芯片，3.3V 稳压芯片采用的是 AMS1117-3.3V
硬件电路设计篇
硬件电路设计篇
XS128
128
5V
BTS7960
直立车模控制整体框图
系统输入输出
• • 系统的输入输出包括： （1） AD转换接口 a.电磁检测：左右两路，用于测量左右两个感应线圈电压。