本文以第十一屆大學(xué)生智能車競(jìng)賽為背景，介紹了兩輪自平衡智能賽車控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)流程。該比賽采用大賽統(tǒng)一指定的E型車模，以單片機(jī)MK60FN1M0VLQ12KinetisAR-CortexM4為控制器，在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，要求在未知道沿著通有20KHz電磁信號(hào)的 Inthebackgroundofthe11thNationalInligentCarContestforCollegeStudents,thisarticleintroducesthesoftwareandhardwarestructuresandthedevelopmentflowofthevehiclecontrolsystem.Thiscontestrequiresthemodeltofinishtheraceasfastaspossiblewhilefollowingalineinwhich20KHzsinuoussignalpassesthrough.WeadoptedC-typecarmodelprovidedbytheorganizingcommittee,usedthe32-bitMK60DN512VLQ10KinetisAR-CortexM4,anddevelopedundertheCodeWarriorIDE.Thewholesystemincludestheaspectsofthemechanismstructureadjustment,thesensorcircuitdesignandsignalprocess,controlalgorithmandstrategyoptimizationetc.Inordertoincreasethespeedandthereliabilityofthecar,theadvantageanddisadvantageofthedifferentschemesarecompared,Atlast,thecurrentsystemstructureandeachcontrolparametersaredetermined.Itcapturestheroadinformationthroughsensorsconsistofcapacitiesandinductors.AnglesignalcanbegotthroughKalmanfilterwithENC-03,agyroscopeandMMA7361,a3-axisacceleratorproducedbyFreescale.Themodelchangesitsdirectionbythedifferentialoftwowheels:MK60FN1M0VLQ12，in ligentvehicle,electromagnetism,two-wheelselfbalance,Kalmanfilter第一 引 第二 第三 第四 完整硬件PCB電 第五 第六 第七章車模參數(shù)調(diào)試圖 第八 致 第一章引言智能車研究背景90年代以來(lái)，隨著汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈程度的日益加劇和智能系統(tǒng)（ITS）地相關(guān)研究也已經(jīng)開(kāi)展，成立了國(guó)內(nèi)最早的研究智能汽車和智能交通的2000年智能交通系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性實(shí)施階段，國(guó)防研制出第四代無(wú)人駕駛智能車研究方駕駛員行為分析（DriverBehaviorysis）任務(wù)：研究駕駛員的行為環(huán)境感知（EnvironmentalPerception）主要是運(yùn)用傳感器融合等技術(shù)，情況下的自主駕駛（AutonomousDrivingonExtremecourses）主要交通、車輛導(dǎo)航及協(xié)作（TrafficMonitoring，VehicleNavigationandcoordination）主要研究交通流誘導(dǎo)等問(wèn)題。車輛交互通信（Inter－VehicleCommunication）研究車輛之間有效的信（MilitaryApplications）研究智能車輛系統(tǒng)在軍事上的應(yīng)用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（SystemArchitectures）研究智能車輛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組織問(wèn)題。智能車研究前如果裝上紅外頭，就能實(shí)現(xiàn)夜晚汽車的安全輔助駕駛；他也可以工作在倉(cāng)庫(kù)、碼頭、工廠或、、有害的工作環(huán)境里，此外他還能擔(dān)當(dāng)起無(wú)人值守的巡邏監(jiān)視、物料的、消防滅火等任務(wù)。在普通家庭轎車消費(fèi)中，智能用上這種設(shè)備，會(huì)自動(dòng)探測(cè)前方的物，電腦會(huì)控制車輛自動(dòng)停下智能汽車比賽介智能汽車競(jìng)賽簡(jiǎn)2020,000，其中包括6,200多項(xiàng)專利。動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化分教指委主辦大學(xué)生智能汽學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該競(jìng)賽由競(jìng)賽處為各參賽隊(duì)提供購(gòu)置規(guī)定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺(tái)，與各高校師生的高度評(píng)價(jià)，已發(fā)展成30個(gè)省市近300所高校廣泛參與的大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。2008年起被教育部批準(zhǔn)列入國(guó)家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)工程資助項(xiàng)目技人文競(jìng)賽之一（教高函[2007]30號(hào)文）。像頭組、創(chuàng)意組等多個(gè)賽題組別。每個(gè)學(xué)?？梢愿鶕?jù)競(jìng)賽規(guī)則選報(bào)不同組別的生主體、社會(huì)參與”的16字方針，充分調(diào)動(dòng)各方面參與的積極性。大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽一般在每年的10月份次年競(jìng)賽的題目和組織方式，并開(kāi)始接受報(bào)名，次年的3月份進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，7月份進(jìn)行分賽區(qū)競(jìng)賽，8月份進(jìn)行總決賽。比賽規(guī)則介紹選手須使用競(jìng)賽處統(tǒng)一指定的競(jìng)模套件，采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位、32位微控制器作為控制單元，自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系器材限制規(guī)定A型車模：東莞市博思電子數(shù)碼科技B型車模：科宇通博科技提供C型車模：東莞市博思電子數(shù)碼科技E型車模：科宇通博科技提供8位、16位、32位處理器（單核）作為微控制關(guān)于賽場(chǎng)的規(guī)定裁判及技術(shù)評(píng)判和仲裁，統(tǒng)一處理競(jìng)賽過(guò)遇到的各類問(wèn)題。分賽區(qū)、決賽區(qū)比賽規(guī)則賽題組分別獨(dú)立進(jìn)行成績(jī)。每輛在賽道上跑一圈，以計(jì)時(shí)起始線為計(jì)時(shí)點(diǎn)，跑完一圈后需要時(shí)成績(jī)?cè)黾?秒。車應(yīng)在起跑區(qū)靜止兩秒鐘以上，然后自動(dòng)出發(fā)。應(yīng)該在30秒之內(nèi)離開(kāi)出發(fā)且自動(dòng)停止后，選手拿起離開(kāi)場(chǎng)地，將放回指定區(qū)域。比賽開(kāi)始后，在30秒之內(nèi)沒(méi)有離開(kāi)出發(fā)區(qū)。60秒之內(nèi)沒(méi)有跑完一圈。比賽比賽事項(xiàng)不允許其它干擾運(yùn)動(dòng)的行為 1.2.2.5．其他比賽過(guò)有其他行為的，取消比賽成績(jī)第二章車模整體設(shè)計(jì)方案兩輪自平衡智能車整體框MEMS傳感電磁探MK60單片機(jī)的處理能力，將傳感器到的信息處理分析后得出運(yùn)算結(jié)果，指MEMS傳感電磁探賽道信息識(shí)別對(duì)于電磁組比賽，賽道的直導(dǎo)線中通有20KHz的方波信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)方波信號(hào)的2.2第三章車模機(jī)械設(shè)計(jì):要拆卸這兩個(gè)地方，大約拆裝5次左右這車就廢了！就是大齒輪上的四個(gè)螺絲沒(méi)有擰緊，一定要保證這個(gè)旋轉(zhuǎn)的順滑，基本上都擰緊就好了4：5：關(guān)于安裝好電機(jī)后旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的咔咔聲，如果你留了足夠的空程，大齒輪上的螺絲都車模編安測(cè)速編對(duì)于頭組以及光電組的選題，編不僅起到速度閉環(huán)，還對(duì)直立控制有很重要的作用，因此，編對(duì)于但是由于直立行走，相較于頭組與光電組，電磁車編安裝的額位置受到了用了雙向增量式編。通過(guò)選型，決定使E6A2-CW3E雙向增量式測(cè)速編碼圖3.2編安車模電池位置改電磁支架設(shè)計(jì)18cm左右最好的，而本人選擇的是低于18cm的高度，這樣的電磁信號(hào)更強(qiáng)，更準(zhǔn)確3.4.3第四章車模硬件電路設(shè)計(jì)主控ARMCORTEXM4RISC50MHzPLL180MHz。MK60含有ADC最高采樣精度16816輸出。數(shù)字正交模塊，可以方便雙向編信息4.1MK60FN1M0VLQ12陀螺儀和加速度計(jì)模塊本次使用加速度傳感器為Freescale公司生產(chǎn)的三軸模擬輸出加速度傳感器MMA7361。陀螺儀為村田公司生產(chǎn)的單軸模擬輸出陀螺儀ENC-03MB。電池電量顯示模電磁信號(hào)處理電我們使用了4路電磁通道，兩個(gè)模塊組成電磁信號(hào)四路放大，使用儀表放大之后再進(jìn)行精密整流，該方案的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)幅值跟隨性很好。放大器使用TLC2272。完整硬件PCB電路4.6完整硬件PCB第五章卡爾曼濾波卡爾曼濾波簡(jiǎn)介卡爾曼濾波是一種高效率的遞歸濾波器(自回歸濾波器),它能夠從一系列的不完recursivedataprocessingalgorithm（最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法）”。對(duì)于解決很大部分使用卡爾曼濾波的原因x(t)x(t通 T螺儀 積分，從而獲得角度。既然如此為何我們需要使用兩個(gè)傳感器動(dòng)產(chǎn)生的會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生比較大的干擾，因此我們測(cè)試了不同占空比下傳感器輸出，并用繪制曲線，并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。100%占空比下，車模直占空比與陀螺儀方差關(guān)0100占空態(tài)下的加速度計(jì)占空比與加情況下，幅值到實(shí)際角度大約是60度左右。根本不能直接使用?？柭鼮V波原型 11 g 0b 0

[1

bb式中，gyoacce值，gabg和 TsX(k1)Ts

(k1)g(k)Ts 1 0 V(k) 0]X(k) Qq_ R

_ _gyro式中。q_acce和q_gyro分別是加速度傳感器和陀螺儀測(cè)量的協(xié)方差，其數(shù)值代表卡爾值更為接近準(zhǔn)確值，q_gyro的值小于q_acce的值。當(dāng)前狀態(tài):X(k|k1)AX(k1|k1) 式中，A Ts，BTs，X(k|k1)是利用k預(yù)測(cè)的結(jié)果，X(k1|k 1 0 是k1時(shí)刻的最優(yōu)結(jié)果X(k|k1)的協(xié)方差為P(k|k1)AP(k1|k1)AT式中P(k1|k1)X(k1|k1)ATAQ是系則狀態(tài)kX(k|kX(k|k)X(k|k1)K(k)(Z(k)HX(k|kH10]KK(k)P(k|k1)HT/(HP(k|k1)HT)P(k|k)(IKg(k)H)P(k|k11（2）P(k1|k1)。（3）、（4）、（5）式為卡爾曼濾波器狀態(tài)更新方程。計(jì)算完時(shí)卡爾曼濾波化簡(jiǎn)X1A*X0B*gyroP1A*P0*A'QX0X1Kg*(accH*P0(IKg*H)*式，僅僅只是矩陣形式。雖然可以在里進(jìn)行仿真，但是卻不能使用單片機(jī)進(jìn)行有效X11X01dt*gyrodt*XX12XP11P01dt*P03dt*(P02dt*P04)Q1P12P02dt*P04P14P04Q2Kg1P11/(P11Kg2P13/(P11R)P01P11*(1Kg1)P02P12*(1Kg1)P03P13P11*Kg2X01X11(accX11)*Kg1X02X12(accX11)*4需要注意的是，Q,R兩個(gè)參數(shù)是關(guān)于傳感器和系統(tǒng)的方差，他們隨著系統(tǒng)的工作狀況不同而會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，對(duì)應(yīng)到我們的系統(tǒng)，在車模運(yùn)行狀態(tài)不同（傾角不同，不同）情況下，Q,R都是不同的。斂性，所以可以將Q，R都取比較的參數(shù)。用常量來(lái)定義。益（Kg），我們?cè)O(shè)想，能否使用一個(gè)常數(shù)來(lái)等效替代卡爾曼增益那？根據(jù)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)立狀態(tài)下趨近于一個(gè)常數(shù)。（所有這些工作都在下完成）框中的所有運(yùn)算。同時(shí)，通過(guò)NATLAB觀測(cè)各變量的變化趨勢(shì)，我們嘗試讓Kg2=0（Kg1，Kg2本身就是非常小的變量，所以可以讓其等于0）。并發(fā)現(xiàn)Kg2對(duì)于整個(gè)卡爾曼濾波的影響非常有限。所以將Kg2設(shè)定為0?？柭鼮V波參數(shù)整定化簡(jiǎn)后的卡爾曼濾波主要是對(duì)dt以及Kg兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定。需要特別的是，這dt并不只是一個(gè)采樣間隔。由于陀螺儀的輸出和加速度計(jì)輸出的量綱并不相同，所以dt（當(dāng)然不能太大，不然可能會(huì)出現(xiàn)超前相位）。但是dt越大，陀螺儀漂移造成的影響也就越大。動(dòng)非常厲害，可以適當(dāng)減小Kg的大小。是致命的，必須克服掉。解決方法，逐漸增加dt即可。第六章程序控制說(shuō)明SISO控制器進(jìn)行控制。同時(shí)，無(wú)論是控制角度還是控制電機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)都為電機(jī)，所以系電機(jī)死區(qū)補(bǔ)償角度單閉環(huán)控制的角速度更準(zhǔn)確，而D控制器輸入變量正好是角速度，所以此處使用PID完全沒(méi)有問(wèn)題。P控制器，系統(tǒng)極易發(fā)散造成不穩(wěn)定，而積分環(huán)節(jié)對(duì)于這個(gè)需要快速調(diào)整的系統(tǒng)，要求不大。因此最后我們選擇了PD控制器。角度、速度雙閉環(huán)控制6.3第七章車模參數(shù)調(diào)試P參數(shù)，后I參數(shù)，最后D參數(shù)的整定順序。本章節(jié)著重介紹在調(diào)試環(huán)節(jié)中不同現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的原因以及角度閉環(huán)，速度開(kāi)環(huán)P：直立算法P參數(shù)角度閉環(huán)，速度開(kāi)環(huán)D：直立算法D參數(shù)速度閉環(huán)P：速度控制P參數(shù)原因：開(kāi)環(huán)D參數(shù)過(guò)大，系統(tǒng)性降低解決方法：適當(dāng)增加dt解決方法：適當(dāng)增加閉環(huán)P解決方法：適當(dāng)增加閉環(huán)I經(jīng)驗(yàn)之談：1.速度環(huán)用P的效果比用PI的效果還好，所以本人建議直立車的速度環(huán)用P就足夠了。轉(zhuǎn)向環(huán)的PD應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的PD不應(yīng)該是靜態(tài)的，如果轉(zhuǎn)向使用靜態(tài)的PD算 幾段轉(zhuǎn)彎，若用靜態(tài)PD算法轉(zhuǎn)向的時(shí)候就會(huì)很我們組建直立車模的時(shí)候要注意整個(gè)車模的重心要盡量低，電磁直立車的前瞻最好在30cm左右最好，前瞻的桿子最好用碳素桿要細(xì)點(diǎn)的。這樣前瞻就不會(huì)太重，因?yàn)殡姶胖绷④嚨那罢叭绻鼐蜁?huì)影響整個(gè)車模的穩(wěn)定。前瞻的高度應(yīng)該是18cm為合適，低于18cm的這個(gè)模塊不好存在溫漂，用6050也可以就是i2clpr550第八章開(kāi)發(fā)工具、調(diào)試系統(tǒng)說(shuō)明基于IAR軟件的程序編Serial_Digital_ScopeV2上位機(jī)調(diào)試系統(tǒng)圖8.2基于Serial_Digital_ScopeV2調(diào)試面板參考文獻(xiàn) .兩輪自平衡機(jī)器人模型及控制方法研究[D].工業(yè)大學(xué),2008.[13]李珈松.單輪式倒單擺平衡PID控制[D].臺(tái)北：國(guó)立科技大學(xué)電機(jī)工程系論施頌椒.陳學(xué)中，編著，現(xiàn)代控制理論（第二版）高等教育2009致解與摸索，到對(duì)跑動(dòng)的算法設(shè)計(jì)，以及對(duì)電路原理圖的設(shè)計(jì)繪制與PCB的制作，很多附錄:程序的部分代碼#include"include.h"#include"pid.h"externintsdsd;inti=0,gogo=0;int16val_L,val_R,go floatMotorspeed,shizhi;doubleout;doubleval_out;floatgiven_speed=0;floatgo=0;uint16TimeCount=0;uint16TimeCount2=0;uint16turn_PeriodCount=0;uint16float voidPIT0_IRQHandler(void){if(PTB8_IN==1) if {val_L=FTM_QUAD_get(FTM1); //獲取FTM正交的脈沖數(shù)(負(fù)數(shù)表示反 //獲取FTM正交的脈沖數(shù)(負(fù)數(shù)表示val_out=(val_L+ } //0.5 角度反 {{{{}{ }}{ }}{ }} {{led(LED3,LED_ON);}}{

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//40穩(wěn)定32 MotorSpeedOut((int16)speed_Start,0,(float)Motorturn); (double)g_fSpeedControlOutNewMotorspeed }void{ }#includeextern