飛思卡爾智能車大獎賽（電磁組2）軟件控制系統(tǒng)設計與開發(fā)

飛思卡爾智能車大獎賽（電磁組2）軟件控制系統(tǒng)設計與開發(fā),卡爾,智能,大獎賽,電磁,軟件,控制系統(tǒng),設計,開發(fā) 飛思卡爾智能車大獎賽（電磁組 2）軟件控制系統(tǒng)設計與開發(fā)1、 背景介紹全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽組委會提供一系列標準的汽車模型、直流電機和可充電式電池，參賽隊伍要依靠符合大賽要求的元器件，制作能夠自主循跡的智能車，在規(guī)定的跑道上自主循跡行駛。其設計內容涵蓋了控制、模式識別、程序算法、傳感技術、汽車電子、電子電路、計算機、機械、能源等多個學科的知識 [1]。實際上，作為全球首屈一指的嵌入式電子解決方案供應商，飛思卡爾半導體從 1994 年起便與國內大學在技術培訓應用研究方面的合作，目前汽車及標準電子產(chǎn)品分部已在清華、復旦大學、深圳大學、電子科技大學及同濟大學建立了嵌入式處理器開發(fā)應用研究中心(簡稱 MAC)，自 2000 年又逐步在北航，浙江大學等學校建立了教學實驗中心(簡稱 MTC)。大量的大學生，通過參加競賽，為飛思卡爾先進的產(chǎn)品及開發(fā)工具獲得專業(yè)培訓，取得實際操作經(jīng)驗，為自身公司的發(fā)展起到重大的作用。2000 年智能車比賽首先由韓國漢陽大學承辦開展起來，每年全韓國大約有100 余支大學生隊伍報名并準予參賽。隨著賽事的逐年開展，不僅有助于大學生自主創(chuàng)新能力的提高，對于高校相關學科領域學術水平的提升也有一定幫助，最終將有助于汽車企業(yè)的自主創(chuàng)新，得到企業(yè)的認可。這項賽事在韓國的成功可以證明這一點。同時，飛思卡爾公司開始協(xié)辦國大學生“飛思卡爾“杯智能汽車競賽。首先，競賽在各個分賽區(qū)進行報名、預賽，各分賽區(qū)的優(yōu)勝隊將參加全國總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊伍和隊員情況，分別設立線性 CCD 組、攝像頭組、電磁組、1創(chuàng)意組等多個賽題組別。全國大學生智能汽車競賽一般在每年的 10 月份公布次年競賽的項目和組織方式，并開始接受報名，次年的 3 月份進行相關技術培訓，7 月份進行分賽區(qū)競賽，8 月份進行全國總決賽。飛思卡爾全國大學生競賽，至今已舉辦 10 屆，正是因為有如此優(yōu)點于一身，得到了眾多高校和大學生的歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的極大關注 [2]。2、 研究現(xiàn)狀之從飛思卡爾半導體公司和恩智浦公司合并之后，以往的飛思卡爾競賽也改稱為恩智浦智能車競賽，即第十一屆恩智浦智能車競賽將在中南大學舉辦。由于這項競賽參賽學校比較多，其中包括很有實力的高校，參賽隊伍非常多，也帶起了相關商業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展。在國內，也有好多學者在研究相關的課題，比如如何優(yōu)化算法，如何提高硬件的穩(wěn)定性，如何提高機械性能……隨著比賽屆數(shù)增加，學生對智能車技術的掌握也越來越成熟。但是各個比賽隊伍在比賽時還是會出現(xiàn)或多或少的狀況，說明車子對環(huán)境的適應性還是有待提高，特別是對于軟件控制系統(tǒng)，算法優(yōu)化。通過查閱書籍，蔡述庭 主編 《飛思卡爾”杯智能汽車競賽設計與實踐---基于 S12XS 和 Kinentis K10》[1]一書，學習到 IAR 環(huán)境下進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，了解到規(guī)范編程的重要性，比如每個函數(shù)必須都要有注釋和空行；在IAR 中，要用 ctrl+t 進行自動排版而不用空格；復雜的循環(huán)語句、case 語句適當進行注釋，對于這些規(guī)則雖然沒有硬性要求，但是對增長程序的可讀性，卻發(fā)揮著重要作用對于單片機 I/O 口的認識相對于 8 位的 51 來說，又有了個新高度，比如 I/O 口的 DDRX 方向寄存器功能，PORTX 數(shù)據(jù)存儲器功能；UART 異步串行通信功能等；學習到一些常用的數(shù)據(jù)處理方法，比如實驗數(shù)據(jù)的歸一化，誤差抵消法等；認識到一些經(jīng)典示例程序對小車控制的重大參考價值。由王宜杯，曹金華編著的《嵌入式系統(tǒng)設計實戰(zhàn)—基于飛思卡爾 S12X 微控制器》[3]是以飛思卡爾半導體公司 16 位 S12X 系列微控制器中 MC9S12XS128 為藍本闡述嵌入式系統(tǒng)的軟件與硬件設計。在《Vehicle Control Strategies Analysis Based on PID and Fuzzy Logic Control》[34]論文中，了解到模糊控制算法在智能車中的應用發(fā)展，相類似的算法，也可以相應的運用到在飛思卡爾智能車競賽2中。通過對《第七屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽電磁組直立行車參考設計方案》 的研讀之后，對今年的直立組控制有了大體的認識，直立小 [13]車的控制劃分為平衡控制、速度控制、方向控制，對其中所使用到的加速度計、陀螺儀傳感器的工作原理與控制有了個感性上的認識，對小車將要實現(xiàn)的功能所用到的控制、算法也有了更全面的了解。結合這些文獻，對課題的認識又深入一層，該課題主要設計飛思卡爾智能車競賽的軟件控制系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應性，然后再進行程序調試，通過算法的優(yōu)化，再次增加小車整體的協(xié)調性，統(tǒng)一性，最終去參加比賽。學習和掌握飛思卡爾 32 位智能車比賽用單片機芯片 K60[10]，研究飛思卡爾 32 位智能車電磁組硬件系統(tǒng)組成，完成硬件系統(tǒng)原理（包括單片機最小系統(tǒng)，電機驅動電路，電磁傳感器運放電路，信號處理電路等）的設計，所完成的系統(tǒng)需要有較強的抗干擾能力和較好的穩(wěn)定性能，并把所設計的硬件系統(tǒng)原理圖用 Altium Designer 軟件繪制 [13]~[15]，然后按照原理圖購買對應的電子元件，用面包板測試，測試好后將原理圖生成 PCB[31]圖送去工廠加工，焊接電路板，系統(tǒng)各個模塊獨立調試以及整個系統(tǒng)調試，軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調，在 IAR 環(huán)境中進行調試 [4]~[8]。在調試過程中解決實際問題，進行算法的優(yōu)化以及硬件的改進，最終將智能車實現(xiàn)穩(wěn)準快地跑完賽道，并做好比賽準備工作。3、 課題研究內容2.1 針對比賽形式，制定相關的智能車模型，根據(jù)功能設計相應的電路，并在 Altium Designer[11]繪制原理圖。經(jīng)過軟件測試之后，將軟件測試好的電路制成 PCB,購買相關元件，并進行實際調試[23]，完成硬件電路的設計[32]。2.2 根據(jù)電磁組小車的比賽規(guī)則和選擇合適的算法，提高程序運行效率，增強單片機控制效果，過 matlab 合理模擬建立相關數(shù)學模型，為調試提供在理論上的依據(jù)，提高調試效率。同時根據(jù)相關算法進行準確的編程，增強小車的自主識別能力，提高小車的適應性。2.3 簡化算法，現(xiàn)場調試過程中最3多地采集數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)用 Matlab[12]進行數(shù)據(jù)分析，對算法進行改善，進一步提高車子的多項性能 [19]~[23]。4、 技術路線相對于四輪行走，直立狀態(tài)下的控制更加復雜。因此，從控制角度來說，車模為一個控制對象，根據(jù)后輪的調節(jié)實現(xiàn)車模的平衡控制，速度控制，方向控制。圖 4-1 總控制框圖由此可以得出控制車模直立穩(wěn)定的條件：1) 能夠精確測量車模傾角 θ 的大小和角速度 θ”的大小2) 控制車輪的加速度5、 關鍵技術介紹5.1 平衡控制通過電機的正反轉保持車模直立狀態(tài)。因為車模有兩個輪子著地，車模只會在輪子滾動方向上發(fā)生傾斜，可以通過控制輪子電機的轉動，抵消在一個維度傾斜的趨勢，從而達到平衡要求。4圖 5-1 平衡控制原理圖不難得出，對于小車的平衡控制實質上就是對小車角度控制。利用陀螺儀和兩個加速度計，通過兩個的信號差值，從而求出車模的角加速度。對于這個信號進行積分即可得到角度 θ 和角速度 θ’ 。圖 5-2 角度平衡控制框圖根據(jù)控制車輪的加速度控制算法： ，便可得知當時車 [13]模的應加入加速度，隨即驅動后輪，得到相應的加速度，從而使小車獲得平衡。5.2 小車速度控制通過調節(jié)車模的傾角來實現(xiàn)速度控制，使用 PD 控制。通過安裝在電機軸上的編碼器來測量車輪的轉速，利用單片機的計數(shù)器在固定時間內獲得速度脈沖的信號，來反應電機轉速。控制速度通過控制車模的傾角實現(xiàn)，給車模直立控制設定一個定值，在車模角度的反饋調節(jié)下，車模會自動維持在一個角度，把車模傾角給定值和車模角度相減，最5終獲得的車模傾角就是其實際傾角，從而獲得電極的轉速。5.3 小車方向控制根據(jù)兩個電機的轉動差速實現(xiàn)車模轉速控制,PD 控制。小車沿磁場運動，利用電磁信號的偏差小車速度控制信號進行加減運算，形成左、右輪電壓差，從而控制小車的沿磁場行進再者，為了能準確反映小車與磁感線的距離，避免角度的圖 5-3 方向控制框圖影響。在方向控制時，利用比例值 k=（左值-右值）/（左值+右值）來進行方向控制6、 要解決的技術問題6.1 各個模塊的調試。完整的電磁、直立硬件是運行模塊直立電磁組智能車的基礎，其中主要有電源部分，包括電機供電電源[26]~[28]（一般電池電源） ，系統(tǒng)板各元件工作電壓（穩(wěn)定至 5V） ，單片機電源（穩(wěn)壓至3.3V） ；電磁傳感器模塊，包括電感電容電路，放大器等；電機驅動模塊，包括光耦隔離，驅動全橋等；速度檢測模塊（編碼器） ；單片機最小系統(tǒng)板（50M 有源晶振和 12M 無源晶振，鎖相環(huán)倍頻，復位，指示燈等等）[35]；外圍調試部分，比如無線數(shù)據(jù)，LCD 顯示屏和無線控制模塊[18]；陀螺儀-加速度計模塊。圖 6-1 角度控制框圖6.2 信號采集電路的設計。根據(jù)大賽規(guī)定，參賽選手不可以對電機進行更換，為了獲得更高的速度、更穩(wěn)定的性能，對控制電路的設計尤其重要。從檢測電磁確定軌道電磁軌道開始，如何設計科學穩(wěn)定的信號采集電路[26]，6對單片機的有效控制起到十分重要的作用。顯然電路整體的抗干擾能力就顯得極為重要。6.3 編程軟件的熟練使用。熟練的進行在線調試與硬件調試，對于提高編程效率，解決一些非硬件問題都有著重要的意義。熟練對編程軟件的操作(IAR)，更可以優(yōu)化算法，提高程序運行效率。十一屆的電磁組小車為直立組，為比賽增添了不少難度。如何協(xié)調好直立平衡中對小車的速度，方向的控制成為關鍵。7、 日程安排序號 各階段名稱 起止日期1 調研，收集資料 2015年12月18日~ 2016年3月1日2 文獻資料查閱，外文翻譯，開題報告 2016年3月1日~ 2016年3月13日3 系統(tǒng)方案設計 2016年3月14日~ 2016年3月20日4 熟悉和學習Codewarrior嵌入式操作系統(tǒng)平臺2016年3月21日~ 2016年4月10日5 系統(tǒng)軟件設計，仿真，調試 2016年4月11日~ 2016年5月10日6 寫論文，答辯 2016年5月11日~ 2016年5月30日8、 參考文獻[1] . 蔡述庭 主編， 《飛思卡爾”杯智能汽車競賽設計與實踐---基于 S12XS 和 Kinentis K10》 ，北京航空航天大學出版社，2012 年。7[2]．卓晴，黃開勝，邵貝貝 等編著， 《學做智能車—挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯》 ，北京航空航天大學出版社，2007 年。[3]．王宜杯，曹金華 編著， 《基于飛思卡爾 S12X 微控制器的智能啞鈴設計》 ，北京航空航天大學出版社，2011 年。[4]．怯擎乾 編著， 《基于底層硬件的軟件設計》 ，北京航空航天大學出版社， 2008 年。[5]．陳亦梅，尤一鳴 編著 《Freescale Flexis 系列為控制器入門及開發(fā)----從 8 位到 32 位輕松升級》 ，電子工業(yè)出版社，2009 年。[6]．張越常，戴衛(wèi)恒 編著， 《Freescale 系列單片機常用模塊與綜合系統(tǒng)設計實例精講》 ，電子工業(yè)出版社，2010 年。[7].孫書詠.電磁軌道智能車賽道檢測方法研究[J]. 西安郵電學院學報， 2011 . 16 (6) :39 -41 [8].《BTS7971_DateSheet 》[9].《智能車---Freescale 智能車入門手冊( 中文版)》 ，飛思卡爾半導體大學計劃部， 2010.03[10]. 楊東軒, 王嵩編著， 《ARM Cortex-M4 自學筆記: 基于 Kinetis K60》 ，北京航空航天大學出版社[11]. 石磊, 張國強編著， 《Altium Designer 8.0 中文版電路設計標準教程 》 ，北京:清華大學出版社,2009[12]. 張琨, 畢靖, 叢濱編著， 《MATLAB 7.6 從入門到精通》 ，北京: 電子工業(yè)出版社,2009[13].第七屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽電磁組直立行車參考設計方案，競賽秘書處 2012.03.01:11—20[14].薛小龍.土孝明.雙速度環(huán)在雙馬達直流調速系統(tǒng)中的應用 [J].現(xiàn)代電子技術，2007,4(8):17-18[15].張茜，楊旭海，薛令陽.基于電磁傳感器的智能車控制系統(tǒng)設計 [J].電子元器件應用，2012.14(12) :12 一 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