標(biāo)題: 飛思卡爾直立行車(chē)參考設(shè)計(jì)方案說(shuō)明(第二版)寫(xiě)得很通俗易懂 [打印本頁(yè)]
作者: ssfsg    時(shí)間: 2018-11-12 15:26
標(biāo)題: 飛思卡爾直立行車(chē)參考設(shè)計(jì)方案說(shuō)明(第二版)寫(xiě)得很通俗易懂
直立車(chē)詳細(xì)方案，可幫助新手快速做出直立車(chē)，先跑起來(lái)。

第七屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽
電磁組直立行車(chē)參考設(shè)計(jì)方案
（版本 2.0）



圖表索引
第一章
圖 1- 1  電磁組車(chē)模直立運(yùn)行模式 7
圖 1- 2參考設(shè)計(jì)方案內(nèi)容 8
圖 1- 3  車(chē)模制作路線圖 9
第二章
圖 2- 1  車(chē)�？刂迫蝿�(wù)分解 10
圖 2- 2  車(chē)模傾角會(huì)引起車(chē)速速度變化 10
圖 2- 3  三層控制之間相互配合 11
圖 2- 4  保持木棒直立的反饋控制 12
圖 2- 5  通過(guò)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)保持車(chē)模直立 12
圖 2- 6  車(chē)模簡(jiǎn)化成倒立的單擺 13
圖 2- 7  普通單擺受力分析 13
圖 2- 8  不同阻尼力下的單擺運(yùn)動(dòng) 14
圖 2- 9  在車(chē)輪上的參照系中車(chē)模受力分析 14
圖 2- 10  車(chē)�？刂苾蓚�(gè)系數(shù)作用 16
圖 2- 11  車(chē)模運(yùn)動(dòng)方程 16
圖 2- 12  加入比例微分反饋后的系統(tǒng)框圖 17
圖 2- 13  電機(jī)在不同電壓下的速度變化曲線 18
圖 2- 14  加速度傳感器原理 19
圖 2- 15 MMA7260 三軸加速度傳感器 20
圖 2- 16  車(chē)模運(yùn)動(dòng)引起加速度信號(hào)波動(dòng) 21
圖 2- 17  實(shí)際測(cè)量MMA7260Z軸信號(hào) 21
圖 2- 18  車(chē)模運(yùn)動(dòng)引起加速度Z軸信號(hào)變化 22
圖 2- 19 角速度傳感器及參考放大電路 22
圖 2- 20  角速度積分得到角度 23
圖 2- 21  角速度積分漂移現(xiàn)象 23
圖 2- 22  通過(guò)重力加速度來(lái)矯正陀螺儀的角度漂移 24
圖 2- 23  雙加速度傳感器獲得車(chē)模角加速度 25
圖 2- 24  角度控制框圖 25
圖 2- 25  電機(jī)速度檢測(cè) 26
圖 2- 26  車(chē)模傾角給定 27
圖 2- 27  車(chē)模傾角控制速度中的正反饋 28
圖 2- 28  車(chē)模傾角控制分析 28
圖 2- 29  車(chē)模運(yùn)動(dòng)速度控制簡(jiǎn)化模型 29
圖 2- 30  增加微分控制后的系統(tǒng) 30
圖 2- 31  改進(jìn)的微分控制 30
圖 2- 32  車(chē)模角度和速度控制框圖 31
圖 2- 33  速度角度控制方案的改進(jìn) 32
圖 2- 34  改進(jìn)后的速度和角度控制方案 32
圖 2- 35  檢測(cè)道路中心電磁線方式 33
圖 2- 36  通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的差動(dòng)控制控制車(chē)模方向 34
圖 2- 37  檢測(cè)車(chē)模轉(zhuǎn)動(dòng)速度的陀螺儀 34
圖 2- 38  電感線圈的偏角影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 35
圖 2- 39  車(chē)模方向控制算法 35
圖 2- 40  車(chē)模運(yùn)動(dòng)控制總框圖 36
第三章
圖 3- 1  直立車(chē)�？刂齐娐氛w框圖 39
圖 3- 2 56F8013 內(nèi)部資源示意圖 40
圖 3- 3 F8013 最小系統(tǒng)電路 41
圖 3- 4 F8013 最小系統(tǒng)電路實(shí)物 42
圖 3- 5  陀螺儀、加速度傳感器電路 43
圖 3- 6  車(chē)模傾角傳感器電路實(shí)物圖 43
圖 3- 7  雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 44
圖 3- 8單極性PWM、雙極性PWM 45
圖 3- 9  兩片33886 組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 45
圖 3- 10  速度傳感器電路 46
圖 3- 11  基于三極管的電磁信號(hào)放大檢波電路 47
圖 3- 12  基于三極管的電磁放大檢波電路實(shí)物圖 48
圖 3- 13  使用R-R運(yùn)放進(jìn)行電磁信號(hào)放大檢波 49
圖 3- 14 LMV358 放大檢波輸出波形 49
圖 3- 15  基于LMV358 放大檢波電路實(shí)物圖 50
圖 3- 16  雙加速度測(cè)量角速度電路 51
圖 3- 17  雙加速度計(jì)測(cè)量角度波形圖 51
圖 3- 18  簡(jiǎn)化角速度電路 52
圖 3- 19  實(shí)測(cè)車(chē)模角速度信號(hào)波形 52
圖 3- 20  角度信號(hào)處理電路 53
圖 3- 21  不同角速度比例情況下輸出波形 53
圖 3- 22  角度計(jì)算環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 54
圖 3- 23  一個(gè)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)角度計(jì)算 54
圖 3- 24  不同P1 阻值對(duì)應(yīng)的輸出波形 55
圖 3- 25  簡(jiǎn)化的角度和角速度處理電路 55
圖 3- 26  車(chē)模控制電路全圖 56
第四章
圖 4- 1  完整的C型車(chē)模底盤(pán) 57
圖 4- 2  簡(jiǎn)化后的C型車(chē)模底盤(pán) 57
圖 4- 3  使用熱熔膠固定電機(jī)支架與車(chē)模底盤(pán) 58
圖 4- 4  去掉后輪之后的車(chē)模底盤(pán) 58
圖 4- 5  電機(jī)引線轉(zhuǎn)接板 59
圖 4- 6  使用復(fù)合膠水固定光電編碼盤(pán) 59
圖 4- 7  固定好的光電碼盤(pán)和光電檢測(cè)管 60
圖 4- 8  電磁傳感器支架 61
圖 4- 9  車(chē)模組裝全圖 64
第五章
圖 5- 1  主程序框架 65
圖 5- 2  中斷服務(wù)程序 66
圖 5- 3  任務(wù)中斷時(shí)間波形 67
圖 5- 4  算法框圖中與控制相關(guān)的軟件函數(shù) 70
圖 5- 5  控制函數(shù)調(diào)用與參數(shù)傳遞關(guān)系 71
圖 5- 6  程序中變量命名規(guī)范 72
圖 5- 7  電機(jī)死區(qū)補(bǔ)償 78
第六章
圖 6- 1  調(diào)試車(chē)模參數(shù)復(fù)雜而關(guān)鍵 82
圖 6- 2  需要調(diào)整的參數(shù)和相關(guān)的單位 84
圖 6- 3  車(chē)模運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)定義 85
圖 6- 4  電源檢查 86
圖 6- 5  單片機(jī)串口通信 86
圖 6- 6 PWM信號(hào)輸出 87
圖 6- 7  采集電機(jī)光電碼盤(pán)信號(hào) 87
圖 6- 8  陀螺儀、加速度傳感器AD采集信號(hào) 88
圖 6- 9  車(chē)模靜態(tài)參數(shù)調(diào)整桌面 88
圖 6- 10 車(chē)模動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)試場(chǎng)地 89
圖 6- 11  監(jiān)控軟件界面 89
圖 6- 12  無(wú)線遙控開(kāi)關(guān) 90
圖 6- 13  無(wú)線通信模塊進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控 90
圖 6- 14 F8013 內(nèi)部FLASH應(yīng)用劃分 91
圖 6- 15  需要整定的傳感器參數(shù) 91
圖 6- 16  車(chē)模保持垂直靜止 92
圖 6- 17  測(cè)量加速度傳感器的極值 92
圖 6- 18 測(cè)量陀螺傳感器比例因子，角度補(bǔ)償回路斷開(kāi) 93
圖 6- 19  幾種不同陀螺儀比例因子角度輸出 94
圖 6- 20  車(chē)�？刂茀�(shù) 95
圖 6- 21  角度參數(shù)調(diào)整過(guò)程 96
圖 6- 22  速度參數(shù)調(diào)整過(guò)程 97
圖 6- 23  方向參數(shù)調(diào)整過(guò)程 98
圖 6- 24  角度補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)調(diào)整 99
圖 6- 25 Z軸附加信號(hào)分析 100
圖 6- 26  死區(qū)常數(shù)調(diào)整 100
附錄
圖 7- 1  參考設(shè)計(jì)方案視頻截圖 103
圖 7- 2  參數(shù)整定與調(diào)試指南 104
圖 7- 3  軟件控制算法全圖 106
圖 7- 4  參考方案電路全圖 107

第一章、前言
  為了提高全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽創(chuàng)新性和趣味性，激發(fā)高校學(xué)生參與比賽的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和接受挑戰(zhàn)能力，智能汽車(chē)競(jìng)賽組委會(huì)將電磁組比賽規(guī)定為車(chē)模直立行走，如圖 1- 1所示。其它兩個(gè)組別的車(chē)模行走方式保持不變。

車(chē)模直立行走比賽是要求仿照兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的行進(jìn)模式，讓車(chē)模以?xún)蓚�(gè)后輪驅(qū)動(dòng)進(jìn)行直立行走。近年來(lái)，兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)以其行走靈活、便利、節(jié)能等特點(diǎn)得到了很大的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外有很多這方面的研究，也有相應(yīng)的產(chǎn)品。在電磁組比賽中，利用了原來(lái)C型車(chē)模雙后輪驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡行走。相對(duì)于傳統(tǒng)的四輪行走的車(chē)模競(jìng)賽模式，車(chē)模直立行走在硬件設(shè)計(jì)、控制軟件開(kāi)發(fā)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等方面提出了更高的要求。為了能夠幫助參賽學(xué)生盡快制作車(chē)模參加比賽，競(jìng)賽秘書(shū)處編寫(xiě)了 C型車(chē)模直立行走的參考設(shè)計(jì)方案。參賽隊(duì)員可以在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)硬件和軟件方案，提高競(jìng)賽水平。
為了適應(yīng)初學(xué)者，方案介紹過(guò)程中，盡可能減少公式推導(dǎo)，使用通俗的科學(xué)語(yǔ)言介紹控制原理和方法，給出C型車(chē)模制作過(guò)程中的核心環(huán)節(jié)。本文的主要內(nèi)容安排如圖 1- 2所示。


     參考設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)了實(shí)際驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試運(yùn)行視頻請(qǐng)?jiān)诟?jìng)賽網(wǎng)站上下載。
附錄中給出了用于下載資料的競(jìng)賽網(wǎng)站地址以及可以下載的相關(guān)資料。 車(chē)模制作大致分為方案確定、車(chē)模制作、車(chē)模調(diào)試三個(gè)階段，如圖1- 3所示。由于電磁直立車(chē)模所涉及到的算法參數(shù)眾多，所以調(diào)試階段所占比重很大。車(chē)模調(diào)試不僅對(duì)于提高車(chē)模性能非常重要，同時(shí)也是理解車(chē)�？刂圃怼⑻岣咧R(shí)運(yùn)用能力、培養(yǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作技巧的重要階段。

為了幫助同學(xué)進(jìn)行車(chē)模調(diào)試，附錄 4 給出了車(chē)模調(diào)試指南和相關(guān)的視頻文件網(wǎng)站�？梢酝ㄟ^(guò)這些資料盡快獲得車(chē)模參數(shù)調(diào)整的直觀感受。
第二章、原理篇
2.1 直立行走任務(wù)分解
電磁組比賽要求車(chē)模在直立的狀態(tài)下以?xún)蓚�(gè)輪子著地沿著賽道進(jìn)行比賽，相比四輪著地狀態(tài)，車(chē)模控制任務(wù)更為復(fù)雜。為了能夠方便找到解決問(wèn)題的辦法，首先將復(fù)雜的問(wèn)題分解成簡(jiǎn)單的問(wèn)題進(jìn)行討論。
根據(jù)比賽規(guī)則要求，維持車(chē)模直立也許可以設(shè)計(jì)出很多的方案，本參考方案假設(shè)維持車(chē)模直立、運(yùn)行的動(dòng)力都來(lái)自于車(chē)模的兩個(gè)后車(chē)輪。后輪轉(zhuǎn)動(dòng)由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此從控制角度來(lái)看，車(chē)模作為一個(gè)控制對(duì)象，它的控制輸入量是兩個(gè)電極的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。車(chē)模運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)可以分解成以下三個(gè)基本控制任務(wù)，如圖 2- 1所示：
（1） 控制車(chē)模平衡：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)正反向運(yùn)動(dòng)保持車(chē)模直立平衡狀態(tài)；
（2） 控制車(chē)模速度：通過(guò)調(diào)節(jié)車(chē)模的傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)模速度控制，實(shí)際上最后還是演變成通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輪速度的控制。
（3） 控制車(chē)模方向：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)車(chē)模轉(zhuǎn)向控制。


車(chē)模直立和方向控制任務(wù)都是直接通過(guò)控制車(chē)模兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成的。假設(shè)車(chē)模電機(jī)可以虛擬地拆解成兩個(gè)不同功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它們同軸相連，分別控制車(chē)模的直立平衡、左右方向。在實(shí)際控制中，是將控制車(chē)模直立和方向的控制信號(hào)疊加在一起加載電機(jī)上，只要電機(jī)處于線性狀態(tài)就可以同時(shí)完成上面兩個(gè)任務(wù)。
車(chē)模的速度是通過(guò)調(diào)節(jié)車(chē)模傾角來(lái)完成的。車(chē)模不同的傾角會(huì)引起車(chē)模的加減速，從而達(dá)到對(duì)于速度的控制。

三個(gè)分解后的任務(wù)各自獨(dú)立進(jìn)行控制。由于最終都是對(duì)同一個(gè)控制對(duì)象（車(chē)模的電機(jī)）進(jìn)行控制，所以它們之間存在著耦合。為了方便分析，在分析其中之一時(shí)假設(shè)其它控制對(duì)象都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。比如在速度控制時(shí)，需要車(chē)模已經(jīng)能夠保持直立控制；在方向控制的時(shí)候，需要車(chē)模能夠保持平衡和速度恒定；同樣，在車(chē)模平衡控制時(shí)，也需要速度和方向控制也已經(jīng)達(dá)到平穩(wěn)。這三個(gè)任務(wù)中保持車(chē)模平衡是關(guān)鍵。由于車(chē)模同時(shí)受到三種控制的影響，從車(chē)模平衡控制的角度來(lái)看，其它兩個(gè)控制就成為它的干擾。因此對(duì)車(chē)模速度、方向的控制應(yīng)該盡量保持平滑，以減少對(duì)于平衡控制的干擾。以速度調(diào)節(jié)為例，需要通過(guò)改變車(chē)模平衡控制中車(chē)模傾角設(shè)定值，從而改變車(chē)模實(shí)際傾斜角度。為了避免影響車(chē)模平衡控制，這個(gè)車(chē)模傾角的改變需要非常緩慢的進(jìn)行。這一點(diǎn)將會(huì)在后面速度控制中進(jìn)行詳細(xì)討論。
     三者之間的配合如圖 2- 3所示。

下面分別討論車(chē)模任務(wù)分解的三個(gè)控制的實(shí)現(xiàn)方式。
2.2 車(chē)模平衡控制
控制車(chē)模平衡的直觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)自于人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)。一般的人通過(guò)簡(jiǎn)單練習(xí)就可以讓一個(gè)直木棒在手指尖上保持直立。這需要兩個(gè)條件：一個(gè)是托著木棒的手掌可以移動(dòng)；
另一個(gè)是眼睛可以觀察到木棒的傾斜角度和傾斜趨勢(shì)（角速度）。通過(guò)手掌移動(dòng)抵消木棒的傾斜角度和趨勢(shì)，從而保持木棒的直立。這兩個(gè)條件缺一不可，實(shí)際上就是控制中的負(fù)反饋機(jī)制，參見(jiàn)圖 2- 4。
世界上還沒(méi)有任何一個(gè)天才雜技演員可以蒙著眼睛使得木棒在自己指尖上直立，因?yàn)闆](méi)有了眼睛觀察進(jìn)行負(fù)反饋。

車(chē)模平衡控制也是通過(guò)負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與上面保持木棒直立比較則相對(duì)簡(jiǎn)單。因?yàn)檐?chē)模有兩個(gè)輪子著地，車(chē)體只會(huì)在輪子滾動(dòng)的方向上發(fā)生傾斜。控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消在一個(gè)維度上傾斜的趨勢(shì)便可以保持車(chē)體平衡了。如圖 2- 5所示。

那么車(chē)輪如何運(yùn)行，才能夠最終保持車(chē)體平衡穩(wěn)定？為了回答這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)建立車(chē)模的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)反饋控制來(lái)保證車(chē)模的平衡。為了使得同學(xué)們能夠比較清楚理解其中的物理過(guò)程。下面通過(guò)對(duì)比單擺模型來(lái)說(shuō)明保持車(chē)模平衡的控制規(guī)律。
重力場(chǎng)中使用細(xì)線懸掛著重物經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化便形成理想化的單擺模型。直立著的車(chē)�？梢钥闯煞胖迷诳梢宰笥乙苿�(dòng)平臺(tái)上的倒立著的單擺。如圖 2- 6所示。

對(duì)普通的單擺受力分析如圖2- 7所示。

當(dāng)物體離開(kāi)垂直的平衡位置之后，便會(huì)受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動(dòng)重物回復(fù)平衡位置。這個(gè)力稱(chēng)之為回復(fù)力，其大小為

在偏移角度很小的情況下，回復(fù)力與偏移的角度之間大小成正比，方向相反。在此回復(fù)力作用下，單擺便進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)。在空氣中運(yùn)動(dòng)的單擺，由于受到空氣的阻尼力，單擺最終會(huì)停止在垂直平衡位置�？諝獾淖枘崃εc單擺運(yùn)動(dòng)速度成正比，方向相反。阻尼力越大，單擺越會(huì)盡快在垂直位置穩(wěn)定下來(lái)。圖 2- 8顯示出不同阻尼系數(shù)下，單擺的運(yùn)動(dòng)曲線。

總結(jié)單擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的條件有兩個(gè)：
（1） 受到與位移（角度）相反的恢復(fù)力；
（2） 受到與運(yùn)動(dòng)速度（角速度）相反的阻尼力。
如果沒(méi)有阻尼力，單擺會(huì)在垂直位置左右擺動(dòng)。阻尼力會(huì)使得單擺最終停止在垂直位置。阻尼力過(guò)小（欠阻尼）會(huì)使得單擺在平衡位置附件來(lái)回震蕩。阻尼力過(guò)大（過(guò)阻尼）會(huì)使得單擺到達(dá)平衡位置時(shí)間加長(zhǎng)。因而存在一個(gè)臨界阻尼系數(shù)，使得單擺穩(wěn)定在平衡位置的時(shí)間最短。
為什么倒立擺在垂直位置時(shí)，在受到外部擾動(dòng)的情況下，無(wú)法保持穩(wěn)定呢？分析倒立擺的受力，如圖2- 9所示。

倒立擺之所以不能象單擺一樣可以穩(wěn)定在垂直位置，就是因?yàn)樵谒x平衡位置的時(shí)候，所受到的回復(fù)力與位移方向相同，而不是相反！因此，倒立擺便會(huì)加速偏離垂直位置，直到倒下。
如何通過(guò)控制使得倒立擺能夠像單擺一樣，穩(wěn)定在垂直位置呢？要達(dá)到這一目的，只有兩個(gè)辦法：一個(gè)是改變重力的方向；另一個(gè)是增加額外的受力，使得恢復(fù)力與位移方向相反才行。顯然能夠做到的只有第二種方法。
控制倒立擺底部車(chē)輪，使得它作加速運(yùn)動(dòng)。這樣站在小車(chē)上（非慣性系，以車(chē)輪作為坐標(biāo)原點(diǎn)）分析倒立擺受力，它就會(huì)受到額外的慣性力，該力與車(chē)輪的加速度方向相反，大小成正比。這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為：

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作者: ymjdle    時(shí)間: 2019-1-18 23:21
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作者: az1412195576    時(shí)間: 2019-4-13 22:29
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作者: sad520ljh    時(shí)間: 2019-4-18 19:36
點(diǎn)個(gè)贊，我學(xué)長(zhǎng)只有第一版的，還是11年的呢
作者: xuelianhcs    時(shí)間: 2019-5-13 08:08
很詳細(xì)
作者: JRHuang    時(shí)間: 2019-7-15 16:37
謝謝分享
作者: hfwulin    時(shí)間: 2019-8-20 14:56
很好的資料，收益匪淺
作者: 學(xué)習(xí)快樂(lè)    時(shí)間: 2019-9-8 17:35
正好在找這個(gè)資料，網(wǎng)上的感覺(jué)都是抄這個(gè)，又不全，看不懂。
作者: 鵬博士PBs    時(shí)間: 2019-9-9 07:28
感覺(jué)不像原創(chuàng)的
作者: cs0000    時(shí)間: 2019-12-2 15:07
下載不了，只能看看了
作者: 星~辰    時(shí)間: 2019-12-29 23:43
謝謝樓主分享資料
作者: q3593216    時(shí)間: 2020-2-20 10:28
謝謝樓主分享資料
作者: Ruffian    時(shí)間: 2020-7-11 10:55
正好需要一份簡(jiǎn)單易懂的資料



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