电磁组 湖北汽车工业学院-电磁二队-技术报告

第七届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技 术 报 告

学 校： 湖北汽车工业学院 队伍名称： 电磁二队 参赛队员： 王凯 张卓然 鲁方强 带队教师： 雷钧 柴旺兴

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第七届飞思卡尔智能汽车邀请赛技术报告

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、

使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。

参赛队员签名： 带队教师签名： 日 期：

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目录

第一章 引言 .................................................................................................................................... 4

1.1 背景介绍 ........................................................................................................................... 4 1.2 控制简述 ........................................................................................................................... 5 第二章 直立车控制原理分析 ........................................................................................................ 6

2.1 直立行走任务分解 .......................................................................................................... 6 2.2 车模平衡控制 .................................................................................................................. 7 2.3 车模角度和角速度测量 ................................................................................................. 10 2.4 传感器融合与卡尔曼滤波 ............................................................................................. 11 2.5车模速度控制 .................................................................................................................. 15 2.6 车模方向控制 ................................................................................................................ 17 2.7 车模直立行走控制算法 ................................................................................................ 18 第三章 传感器分析与布局 .......................................................................................................... 19

3.1 电磁感应原理 ................................................................................................................. 19 3.2 电磁感应线圈在磁场中的特性...................................................................................... 21 3.3 传感器布局 ..................................................................................................................... 23 第四章 硬件电路设计 .................................................................................................................. 27

4.1 循迹传感器放大电路 ..................................................................................................... 27 4.2 直立传感器电路 ............................................................................................................. 28 4.3 测速模块 ......................................................................................................................... 29 4.4 电机驱动模块 ................................................................................................................. 29 4.5 主板电路设计 ................................................................................................................. 29 4.5.1 电源电路设计.............................................................................................................. 29 4.5.2 主板电路设计 .............................................................................................................. 30 第五章 智能车控制算法设计 ...................................................................................................... 31

5.1 控制流程图 ..................................................................................................................... 31 5.2 卡尔曼滤波角度算法 ..................................................................................................... 34 5.3直立控制算法 ................................................................................................................. 35 5.4 赛道识别 ......................................................................................................................... 36 5.5 转向控制算法 ................................................................................................................. 37 5.6 速度控制算法 ................................................................................................................. 40 第六章 机械设计部分 .................................................................................................................. 43

6.1 车模简化改装 ................................................................................................................. 43 6.2 传感器安装 ..................................................................................................................... 45 6.3 注意事项 ......................................................................................................................... 47 第七章 开发与调试 ...................................................................................................................... 48 第八章 智能车技术参数说明 ...................................................................................................... 50 第九章 鸣谢 .................................................................................................................................. 51 第十章 总结 .................................................................................................................................. 53

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第七届飞思卡尔智能汽车邀请赛技术报告

参考文献 ........................................................................................................................................ 55 附录A 部分程序代码 ................................................................................................................. 56

第一章 引言

1.1 背景介绍

飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，涵盖了机械、模式识别、电子、电气、传感技术、计算机、自动化控制、汽车理论等多方面知识，从一定程度上反映了当代大学生综合运用所学知识和探索创新的精神。同时该赛事是教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201 号文)，由教育部高等自动化专业教学指导分委员会（以下简称自动化分教指委）主办的全国性/多学科交叉、趣味性、创新性赛事，旨在加强大学生实践与团队合作精神，促进高等教育改革。竞赛规则透明，评价客观标准，坚持公开、公平、公正的原则，从而保持了竞赛的健康、普及、持续的发展。鉴于飞思卡尔全国大学生智能车竞赛已成功举办了5届，大赛前年为了扩展赛道检测的多样化和锻炼学生的各项能力，在原来的CCD组与光电组基础上新增以20 KHZ、100ma交变电流（方波）为引导方式的电磁组。学校积极响应教育部关于加强大学生的创新意识、合作精神和创新能力的培养的号召，成立智能车队伍参加比赛。我们积极组队参加第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车比赛，多方搜索资料。由于电磁组的信号采集与CCD组和光电组有很大差别，所以我们延续了去年很多学校包括杭州电子科技大学在内所使用的工字谐振电感作为传感器来检测信号，加以合理的传感器布局，经过后续电路处理，完成对赛道信号检测并以此来控制车子的转向和行驶速度。关于软件，我们采用鲁棒性较强的PID控制算法来作为车子的主导控制。为满足智能车在高速与急转等恶劣情况下的动力性能和稳定性能，我们参考了前几届的队伍参赛经验，经过深思熟虑对整车经行了合理的重心与电路等的布局。本技术报告主要讲述电磁二队智能车的制作历程，包括机械和硬件的设计、改装，HCS12单片机的学习和使用，控制算法的研究与应用，车模

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机械参数的讨论和修改等。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

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。

1.2 控制简述

由于传感器感应得到的电压信号只有几十mv,所以我们采用集成运放把信

号进行放大，然后将其检波为直流电平送入XS128的AD口。同时编码器的信号也

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