第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛
电磁组直立行车参考设计方案
（版本2.0）
目 录
目录 (2)
图表索引 (3)
一、前言 (7)
二、原理篇 (9)
2.1直立行走任务分解 (9)
2.3车模速度控制 (26)
2.4车模方向控制 (33)
2.6车模直立行走控制算法总图 (36)
三、电路设计篇 (37)
3.1整体电路框图 (37)
3.2 DSC介绍与单片机最小系统 (39)
3.3倾角传感器电路 (42)
3.4电机驱动电路 (44)
3.5速度传感器电路 (45)
3.6电磁线检测电路 (46)
3.7 角度计算电路 (50)
3.8 车模控制电路全图 (55)
四、机械设计篇 (57)
4.1车模简化改装 (57)
4.2传感器安装 (59)
4.3注意事项 (63)
五、软件开发篇 (64)
5.1软件功能与框架 (65)
5.2 DSC的硬件资源配置 (68)
5.3主要算法及其实现 (69)
六、车模调试篇 (82)
6.1 调试参数 (82)
6.2调试条件 (85)
6.3 桌面静态参数调试 (91)
6.4 现场动态参数调试 (101)
6.5 方案改进与车模整体水平提高 (101)
七、结束语 (102)
附录： (103)
图表索引
第一章
图1- 1 电磁组车模直立运行模式 (7)
图1- 2参考设计方案内容 (8)
图1- 3 车模制作路线图 (9)
第二章
图2- 1 车模控制任务分解 (10)
图2- 2 车模倾角会引起车速速度变化 (10)
图2- 3 三层控制之间相互配合 (11)
图2- 4 保持木棒直立的反馈控制 (12)
图2- 5 通过车轮运动保持车模直立 (12)
图2- 6 车模简化成倒立的单摆 (13)
图2- 7 普通单摆受力分析 (13)
图2- 8 不同阻尼力下的单摆运动 (14)
图2- 9 在车轮上的参照系中车模受力分析 (14)
图2- 10 车模控制两个系数作用 (16)
图2- 11 车模运动方程 (16)
图2- 12 加入比例微分反馈后的系统框图 (17)
图2- 13 电机在不同电压下的速度变化曲线 (18)
图2- 14 加速度传感器原理 (19)
图2- 15 MMA7260三轴加速度传感器 (20)
图2- 16 车模运动引起加速度信号波动 (21)
图2- 17 实际测量MMA7260Z轴信号 (21)
图2- 18 车模运动引起加速度Z轴信号变化 (22)
图2- 19角速度传感器及参考放大电路 (22)
图2- 20 角速度积分得到角度 (23)
图2- 21 角速度积分漂移现象 (23)
图2- 22 通过重力加速度来矫正陀螺仪的角度漂移 (24)
图2- 23 双加速度传感器获得车模角加速度 (25)
图2- 24 角度控制框图 (25)
图2- 25 电机速度检测 (26)
图2- 26 车模倾角给定 (27)
图2- 27 车模倾角控制速度中的正反馈 (28)
图2- 28 车模倾角控制分析 (29)
图2- 29 车模运动速度控制简化模型 (29)
图2- 30 增加微分控制后的系统 (30)
图2- 31 改进的微分控制 (30)
图2- 32 车模角度和速度控制框图 (31)
图2- 33 速度角度控制方案的改进 (32)
图2- 34 改进后的速度和角度控制方案 (32)
图2- 35 检测道路中心电磁线方式 (33)
图2- 36 通过电机驱动电压的差动控制控制车模方向 (34)
图2- 37 检测车模转动速度的陀螺仪 (34)
图2- 38 电感线圈的偏角影响感应电动势 (35)
图2- 39 车模方向控制算法 (35)
图2- 40 车模运动控制总框图 (36)
第三章
图3- 1 直立车模控制电路整体框图 (39)
图3- 2 56F8013内部资源示意图 (40)
图3- 3 F8013最小系统电路 (41)
图3- 4 F8013最小系统电路实物 (42)
图3- 5 陀螺仪、加速度传感器电路 (43)
图3- 6 车模倾角传感器电路实物图 (43)
图3- 7 双电机驱动电路 (44)
图3- 8单极性PWM、双极性PWM (45)
图3- 9 两片33886组成的电机驱动电路 (45)
图3- 10 速度传感器电路 (46)
图3- 11 基于三极管的电磁信号放大检波电路 (47)
图3- 12 基于三极管的电磁放大检波电路实物图 (48)
图3- 13 使用R-R运放进行电磁信号放大检波 (49)
图3- 14 LMV358放大检波输出波形 (49)
图3- 15 基于LMV358放大检波电路实物图 (50)
图3- 16 双加速度测量角速度电路 (51)
图3- 17 双加速度计测量角度波形图 (51)
图3- 18 简化角速度电路 (52)
图3- 19 实测车模角速度信号波形 (52)
汽车漂移原理图3- 20 角度信号处理电路 (53)
图3- 21 不同角速度比例情况下输出波形 (53)
图3- 22 角度计算环节的传递函数 (54)
图3- 23 一个运算放大器实现角度计算 (54)
图3- 24 不同P1阻值对应的输出波形 (55)
图3- 25 简化的角度和角速度处理电路 (55)
图3- 26 车模控制电路全图 (56)
第四章
图4- 1 完整的C型车模底盘 (57)
图4- 2 简化后的C型车模底盘 (57)
图4- 3 使用热熔胶固定电机支架与车模底盘 (58)
图4- 4 去掉后轮之后的车模底盘 (58)
图4- 5 电机引线转接板 (59)
图4- 6 使用复合胶水固定光电编码盘 (59)
图4- 7 固定好的光电码盘和光电检测管 (60)
图4- 8 电磁传感器支架 (61)
图4- 9 车模组装全图 (64)
第五章
图5- 1 主程序框架 (65)
图5- 2 中断服务程序 (66)
图5- 3 任务中断时间波形 (67)
图5- 4 算法框图中与控制相关的软件函数 (70)
图5- 5 控制函数调用与参数传递关系 (71)
图5- 6 程序中变量命名规范 (72)
图5- 7 电机死区补偿 (78)
第六章
图6- 1 调试车模参数复杂而关键 (82)
图6- 2 需要调整的参数和相关的单位 (84)
图6- 3 车模运动坐标定义 (85)
图6- 4 电源检查 (86)
图6- 5 单片机串口通信 (86)
图6- 6 PWM信号输出 (87)
图6- 7 采集电机光电码盘信号 (87)
图6- 8 陀螺仪、加速度传感器AD采集信号 (88)
图6- 9 车模静态参数调整桌面 (88)
图6- 10车模动态参数调试场地 (89)
图6- 11 监控软件界面 (89)
图6- 12 无线遥控开关 (90)
图6- 13 无线通信模块进行参数监控 (90)
图6- 14 F8013内部FLASH应用划分 (91)
图6- 15 需要整定的传感器参数 (91)
图6- 16 车模保持垂直静止 (92)
图6- 17 测量加速度传感器的极值 (92)
图6- 18测量陀螺传感器比例因子，角度补偿回路断开 (93)
图6- 19 几种不同陀螺仪比例因子角度输出 (94)
图6- 20 车模控制参数 (95)
图6- 21 角度参数调整过程 (96)
图6- 22 速度参数调整过程 (97)
图6- 23 方向参数调整过程 (98)
图6- 24 角度补偿时间常数调整 (99)
图6- 25 Z轴附加信号分析 (100)
图6- 26 死区常数调整 (100)
附录
图7- 1 参考设计方案视频截图 (103)
图7- 2 参数整定与调试指南 (104)
图7- 3 软件控制算法全图 (106)
图7- 4 参考方案电路全图 (107)
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