飛思卡爾智能車大獎(jiǎng)賽（電磁組2）軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),卡爾,智能,大獎(jiǎng)賽,電磁,軟件,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā) 飛思卡爾智能車大獎(jiǎng)賽（電磁組 2）軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)1、 背景介紹全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽組委會(huì)提供一系列標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)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(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了控制、模式識(shí)別、程序算法、傳感技術(shù)、汽車電子、電子電路、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、能源等多個(gè)學(xué)科的知識(shí) [1]。實(shí)際上，作為全球首屈一指的嵌入式電子解決方案供應(yīng)商，飛思卡爾半導(dǎo)體從 1994 年起便與國(guó)內(nèi)大學(xué)在技術(shù)培訓(xùn)應(yīng)用研究方面的合作，目前汽車及標(biāo)準(zhǔn)電子產(chǎn)品分部已在清華、復(fù)旦大學(xué)、深圳大學(xué)、電子科技大學(xué)及同濟(jì)大學(xué)建立了嵌入式處理器開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究中心(簡(jiǎn)稱 MAC)，自 2000 年又逐步在北航，浙江大學(xué)等學(xué)校建立了教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心(簡(jiǎn)稱 MTC)。大量的大學(xué)生，通過(guò)參加競(jìng)賽，為飛思卡爾先進(jìn)的產(chǎn)品及開(kāi)發(fā)工具獲得專業(yè)培訓(xùn)，取得實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，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(guó)漢陽(yáng)大學(xué)承辦開(kāi)展起來(lái)，每年全韓國(guó)大約有100 余支大學(xué)生隊(duì)伍報(bào)名并準(zhǔn)予參賽。隨著賽事的逐年開(kāi)展，不僅有助于大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對(duì)于高校相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)W術(shù)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(rèn)可。這項(xiàng)賽事在韓國(guó)的成功可以證明這一點(diǎn)。同時(shí)，飛思卡爾公司開(kāi)始協(xié)辦國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾“杯智能汽車競(jìng)賽。首先，競(jìng)賽在各個(gè)分賽區(qū)進(jìn)行報(bào)名、預(yù)賽，各分賽區(qū)的優(yōu)勝隊(duì)將參加全國(guó)總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊(duì)伍和隊(duì)員情況，分別設(shè)立線性 CCD 組、攝像頭組、電磁組、1創(chuàng)意組等多個(gè)賽題組別。全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽一般在每年的 10 月份公布次年競(jìng)賽的項(xiàng)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)行全國(guó)總決賽。飛思卡爾全國(guó)大學(xué)生競(jìng)賽，至今已舉辦 10 屆，正是因?yàn)橛腥绱藘?yōu)點(diǎn)于一身，得到了眾多高校和大學(xué)生的歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的極大關(guān)注 [2]。2、 研究現(xiàn)狀之從飛思卡爾半導(dǎo)體公司和恩智浦公司合并之后，以往的飛思卡爾競(jìng)賽也改稱為恩智浦智能車競(jìng)賽，即第十一屆恩智浦智能車競(jìng)賽將在中南大學(xué)舉辦。由于這項(xiàng)競(jìng)賽參賽學(xué)校比較多，其中包括很有實(shí)力的高校，參賽隊(duì)伍非常多，也帶起了相關(guān)商業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，也有好多學(xué)者在研究相關(guān)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(jī)械性能……隨著比賽屆數(shù)增加，學(xué)生對(duì)智能車技術(shù)的掌握也越來(lái)越成熟。但是各個(gè)比賽隊(duì)伍在比賽時(shí)還是會(huì)出現(xiàn)或多或少的狀況，說(shuō)明車子對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性還是有待提高，特別是對(duì)于軟件控制系統(tǒng)，算法優(yōu)化。通過(guò)查閱書(shū)籍，蔡述庭 主編 《飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽設(shè)計(jì)與實(shí)踐---基于 S12XS 和 Kinentis K10》[1]一書(shū)，學(xué)習(xí)到 IAR 環(huán)境下進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，了解到規(guī)范編程的重要性，比如每個(gè)函數(shù)必須都要有注釋和空行；在IAR 中，要用 ctrl+t 進(jìn)行自動(dòng)排版而不用空格；復(fù)雜的循環(huán)語(yǔ)句、case 語(yǔ)句適當(dāng)進(jìn)行注釋，對(duì)于這些規(guī)則雖然沒(méi)有硬性要求，但是對(duì)增長(zhǎng)程序的可讀性，卻發(fā)揮著重要作用對(duì)于單片機(jī) I/O 口的認(rèn)識(shí)相對(duì)于 8 位的 51 來(lái)說(shuō)，又有了個(gè)新高度，比如 I/O 口的 DDRX 方向寄存器功能，PORTX 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器功能；UART 異步串行通信功能等；學(xué)習(xí)到一些常用的數(shù)據(jù)處理方法，比如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸一化，誤差抵消法等；認(rèn)識(shí)到一些經(jīng)典示例程序?qū)π≤嚳刂频闹卮髤⒖純r(jià)值。由王宜杯，曹金華編著的《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)—基于飛思卡爾 S12X 微控制器》[3]是以飛思卡爾半導(dǎo)體公司 16 位 S12X 系列微控制器中 MC9S12XS128 為藍(lán)本闡述嵌入式系統(tǒng)的軟件與硬件設(shè)計(jì)。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(yīng)用發(fā)展，相類似的算法，也可以相應(yīng)的運(yùn)用到在飛思卡爾智能車競(jìng)賽2中。通過(guò)對(duì)《第七屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽電磁組直立行車參考設(shè)計(jì)方案》 的研讀之后，對(duì)今年的直立組控制有了大體的認(rèn)識(shí)，直立小 [13]車的控制劃分為平衡控制、速度控制、方向控制，對(duì)其中所使用到的加速度計(jì)、陀螺儀傳感器的工作原理與控制有了個(gè)感性上的認(rèn)識(shí)，對(duì)小車將要實(shí)現(xiàn)的功能所用到的控制、算法也有了更全面的了解。結(jié)合這些文獻(xiàn)，對(duì)課題的認(rèn)識(shí)又深入一層，該課題主要設(shè)計(jì)飛思卡爾智能車競(jìng)賽的軟件控制系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，然后再進(jìn)行程序調(diào)試，通過(guò)算法的優(yōu)化，再次增加小車整體的協(xié)調(diào)性，統(tǒng)一性，最終去參加比賽。學(xué)習(xí)和掌握飛思卡爾 32 位智能車比賽用單片機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電磁傳感器運(yùn)放電路，信號(hào)處理電路等）的設(shè)計(jì)，所完成的系統(tǒng)需要有較強(qiáng)的抗干擾能力和較好的穩(wěn)定性能，并把所設(shè)計(jì)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(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng)的電子元件，用面包板測(cè)試，測(cè)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(gè)模塊獨(dú)立調(diào)試以及整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試，軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，在 IAR 環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試 [4]~[8]。在調(diào)試過(guò)程中解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)行算法的優(yōu)化以及硬件的改進(jìn)，最終將智能車實(shí)現(xiàn)穩(wěn)準(zhǔn)快地跑完賽道，并做好比賽準(zhǔn)備工作。3、 課題研究?jī)?nèi)容2.1 針對(duì)比賽形式，制定相關(guān)的智能車模型，根據(jù)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，并在 Altium Designer[11]繪制原理圖。經(jīng)過(guò)軟件測(cè)試之后，將軟件測(cè)試好的電路制成 PCB,購(gòu)買(mǎi)相關(guān)元件，并進(jìn)行實(shí)際調(diào)試[23]，完成硬件電路的設(shè)計(jì)[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(yùn)行效率，增強(qiáng)單片機(jī)控制效果，過(guò) matlab 合理模擬建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，為調(diào)試提供在理論上的依據(jù)，提高調(diào)試效率。同時(shí)根據(jù)相關(guān)算法進(jìn)行準(zhǔn)確的編程，增強(qiáng)小車的自主識(shí)別能力，提高小車的適應(yīng)性。2.3 簡(jiǎn)化算法，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中最3多地采集數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)用 Matlab[12]進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)算法進(jìn)行改善，進(jìn)一步提高車子的多項(xiàng)性能 [19]~[23]。4、 技術(shù)路線相對(duì)于四輪行走，直立狀態(tài)下的控制更加復(fù)雜。因此，從控制角度來(lái)說(shuō)，車模為一個(gè)控制對(duì)象，根據(jù)后輪的調(diào)節(jié)實(shí)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(cè)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(guān)鍵技術(shù)介紹5.1 平衡控制通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)保持車模直立狀態(tài)。因?yàn)檐嚹Ｓ袃蓚€(gè)輪子著地，車模只會(huì)在輪子滾動(dòng)方向上發(fā)生傾斜，可以通過(guò)控制輪子電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消在一個(gè)維度傾斜的趨勢(shì)，從而達(dá)到平衡要求。4圖 5-1 平衡控制原理圖不難得出，對(duì)于小車的平衡控制實(shí)質(zhì)上就是對(duì)小車角度控制。利用陀螺儀和兩個(gè)加速度計(jì)，通過(guò)兩個(gè)的信號(hào)差值，從而求出車模的角加速度。對(duì)于這個(gè)信號(hào)進(jìn)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(dāng)時(shí)車 [13]模的應(yīng)加入加速度，隨即驅(qū)動(dòng)后輪，得到相應(yīng)的加速度，從而使小車獲得平衡。5.2 小車速度控制通過(guò)調(diào)節(jié)車模的傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制，使用 PD 控制。通過(guò)安裝在電機(jī)軸上的編碼器來(lái)測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器在固定時(shí)間內(nèi)獲得速度脈沖的信號(hào)，來(lái)反應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂扑俣韧ㄟ^(guò)控制車模的傾角實(shí)現(xiàn)，給車模直立控制設(shè)定一個(gè)定值，在車模角度的反饋調(diào)節(jié)下，車模會(huì)自動(dòng)維持在一個(gè)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(shí)際傾角，從而獲得電極的轉(zhuǎn)速。5.3 小車方向控制根據(jù)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)速控制,PD 控制。小車沿磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，利用電磁信號(hào)的偏差小車速度控制信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算，形成左、右輪電壓差，從而控制小車的沿磁場(chǎng)行進(jìn)再者，為了能準(zhǔn)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(shí)，利用比例值 k=（左值-右值）/（左值+右值）來(lái)進(jìn)行方向控制6、 要解決的技術(shù)問(wèn)題6.1 各個(gè)模塊的調(diào)試。完整的電磁、直立硬件是運(yùn)行模塊直立電磁組智能車的基礎(chǔ)，其中主要有電源部分，包括電機(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，包括光耦隔離，驅(qū)動(dòng)全橋等；速度檢測(cè)模塊（編碼器） ；單片機(jī)最小系統(tǒng)板（50M 有源晶振和 12M 無(wú)源晶振，鎖相環(huán)倍頻，復(fù)位，指示燈等等）[35]；外圍調(diào)試部分，比如無(wú)線數(shù)據(jù)，LCD 顯示屏和無(wú)線控制模塊[18]；陀螺儀-加速度計(jì)模塊。圖 6-1 角度控制框圖6.2 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)大賽規(guī)定，參賽選手不可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行更換，為了獲得更高的速度、更穩(wěn)定的性能，對(duì)控制電路的設(shè)計(jì)尤其重要。從檢測(cè)電磁確定軌道電磁軌道開(kāi)始，如何設(shè)計(jì)科學(xué)穩(wěn)定的信號(hào)采集電路[26]，6對(duì)單片機(jī)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(jìn)行在線調(diào)試與硬件調(diào)試，對(duì)于提高編程效率，解決一些非硬件問(wèn)題都有著重要的意義。熟練對(duì)編程軟件的操作(IAR)，更可以優(yōu)化算法，提高程序運(yùn)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(diào)好直立平衡中對(duì)小車的速度，方向的控制成為關(guān)鍵。7、 日程安排序號(hào) 各階段名稱 起止日期1 調(diào)研，收集資料 2015年12月18日~ 2016年3月1日2 文獻(xiàn)資料查閱，外文翻譯，開(kāi)題報(bào)告 2016年3月1日~ 2016年3月13日3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2016年3月14日~ 2016年3月20日4 熟悉和學(xué)習(xí)Codewarrior嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)2016年3月21日~ 2016年4月10日5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，仿真，調(diào)試 2016年4月11日~ 2016年5月10日6 寫(xiě)論文，答辯 2016年5月11日~ 2016年5月30日8、 參考文獻(xiàn)[1] . 蔡述庭 主編， 《飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽設(shè)計(jì)與實(shí)踐---基于 S12XS 和 Kinentis K10》 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