飛思卡爾直立行車參考設計方案說明(第二版)寫得很通俗易懂

ID:425057 · 發表于 2018-11-12 15:26

直立車詳細方案，可幫助新手快速做出直立車，先跑起來。

第七屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽
電磁組直立行車參考設計方案

（版本 2.0）

圖表索引
第一章
圖 1- 1  電磁組車模直立運行模式 7
圖 1- 2參考設計方案內容 8
圖 1- 3  車模制作路線圖 9
第二章
圖 2- 1  車模控制任務分解 10
圖 2- 2  車模傾角會引起車速速度變化 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  通過車輪運動保持車模直立 12
圖 2- 6  車模簡化成倒立的單擺 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動 14
圖 2- 9  在車輪上的參照系中車模受力分析 14
圖 2- 10  車模控制兩個系數作用 16
圖 2- 11  車模運動方程 16
圖 2- 12  加入比例微分反饋后的系統框圖 17
圖 2- 13  電機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  車模運動引起加速度信號波動 21
圖 2- 17  實際測量MMA7260Z軸信號 21
圖 2- 18  車模運動引起加速度Z軸信號變化 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  角速度積分漂移現象 23
圖 2- 22  通過重力加速度來矯正陀螺儀的角度漂移 24
圖 2- 23  雙加速度傳感器獲得車模角加速度 25
圖 2- 24  角度控制框圖 25
圖 2- 25  電機速度檢測 26
圖 2- 26  車模傾角給定 27
圖 2- 27  車模傾角控制速度中的正反饋 28
圖 2- 28  車模傾角控制分析 28
圖 2- 29  車模運動速度控制簡化模型 29
圖 2- 30  增加微分控制后的系統 30
圖 2- 31  改進的微分控制 30
圖 2- 32  車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 32
圖 2- 34  改進后的速度和角度控制方案 32
圖 2- 35  檢測道路中心電磁線方式 33
圖 2- 36  通過電機驅動電壓的差動控制控制車模方向 34
圖 2- 37  檢測車模轉動速度的陀螺儀 34
圖 2- 38  電感線圈的偏角影響感應電動勢 35
圖 2- 39  車模方向控制算法 35
圖 2- 40  車模運動控制總框圖 36
第三章
圖 3- 1  直立車模控制電路整體框圖 39
圖 3- 2 56F8013 內部資源示意圖 40
圖 3- 3 F8013 最小系統電路 41
圖 3- 4 F8013 最小系統電路實物 42
圖 3- 5  陀螺儀、加速度傳感器電路 43
圖 3- 6  車模傾角傳感器電路實物圖 43
圖 3- 7  雙電機驅動電路 44
圖 3- 8單極性PWM、雙極性PWM 45
圖 3- 9  兩片33886 組成的電機驅動電路 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物圖 48
圖 3- 13  使用R-R運放進行電磁信號放大檢波 49
圖 3- 14 LMV358 放大檢波輸出波形 49
圖 3- 15  基于LMV358 放大檢波電路實物圖 50
圖 3- 16  雙加速度測量角速度電路 51
圖 3- 17  雙加速度計測量角度波形圖 51
圖 3- 18  簡化角速度電路 52
圖 3- 19  實測車模角速度信號波形 52
圖 3- 20  角度信號處理電路 53
圖 3- 21  不同角速度比例情況下輸出波形 53
圖 3- 22  角度計算環節的傳遞函數 54
圖 3- 23  一個運算放大器實現角度計算 54
圖 3- 24  不同P1 阻值對應的輸出波形 55
圖 3- 25  簡化的角度和角速度處理電路 55
圖 3- 26  車模控制電路全圖 56
第四章
圖 4- 1  完整的C型車模底盤 57
圖 4- 2  簡化后的C型車模底盤 57
圖 4- 3  使用熱熔膠固定電機支架與車模底盤 58
圖 4- 4  去掉后輪之后的車模底盤 58
圖 4- 5  電機引線轉接板 59
圖 4- 6  使用復合膠水固定光電編碼盤 59
圖 4- 7  固定好的光電碼盤和光電檢測管 60
圖 4- 8  電磁傳感器支架 61
圖 4- 9  車模組裝全圖 64
第五章
圖 5- 1  主程序框架 65
圖 5- 2  中斷服務程序 66
圖 5- 3  任務中斷時間波形 67
圖 5- 4  算法框圖中與控制相關的軟件函數 70
圖 5- 5  控制函數調用與參數傳遞關系 71
圖 5- 6  程序中變量命名規范 72
圖 5- 7  電機死區補償 78
第六章
圖 6- 1  調試車模參數復雜而關鍵 82
圖 6- 2  需要調整的參數和相關的單位 84
圖 6- 3  車模運動坐標定義 85
圖 6- 4  電源檢查 86
圖 6- 5  單片機串口通信 86
圖 6- 6 PWM信號輸出 87
圖 6- 7  采集電機光電碼盤信號 87
圖 6- 8  陀螺儀、加速度傳感器AD采集信號 88
圖 6- 9  車模靜態參數調整桌面 88
圖 6- 10 車模動態參數調試場地 89
圖 6- 11  監控軟件界面 89
圖 6- 12  無線遙控開關 90
圖 6- 13  無線通信模塊進行參數監控 90
圖 6- 14 F8013 內部FLASH應用劃分 91
圖 6- 15  需要整定的傳感器參數 91
圖 6- 16  車模保持垂直靜止 92
圖 6- 17  測量加速度傳感器的極值 92
圖 6- 18 測量陀螺傳感器比例因子，角度補償回路斷開 93
圖 6- 19  幾種不同陀螺儀比例因子角度輸出 94
圖 6- 20  車模控制參數 95
圖 6- 21  角度參數調整過程 96
圖 6- 22  速度參數調整過程 97
圖 6- 23  方向參數調整過程 98
圖 6- 24  角度補償時間常數調整 99
圖 6- 25 Z軸附加信號分析 100
圖 6- 26  死區常數調整 100
附錄
圖 7- 1  參考設計方案視頻截圖 103
圖 7- 2  參數整定與調試指南 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
  為了提高全國大學生智能汽車競賽創新性和趣味性，激發高校學生參與比賽的興趣，提高學生的動手能力、創新能力和接受挑戰能力，智能汽車競賽組委會將電磁組比賽規定為車模直立行走，如圖 1- 1所示。其它兩個組別的車模行走方式保持不變。

車模直立行走比賽是要求仿照兩輪自平衡電動車的行進模式，讓車模以兩個后輪驅動進行直立行走。近年來，兩輪自平衡電動車以其行走靈活、便利、節能等特點得到了很大的發展。國內外有很多這方面的研究，也有相應的產品。在電磁組比賽中，利用了原來C型車模雙后輪驅動的特點，實現兩輪自平衡行走。相對于傳統的四輪行走的車模競賽模式，車模直立行走在硬件設計、控制軟件開發以及現場調試等方面提出了更高的要求。為了能夠幫助參賽學生盡快制作車模參加比賽，競賽秘書處編寫了 C型車模直立行走的參考設計方案。參賽隊員可以在此基礎上，進一步改進硬件和軟件方案，提高競賽水平。
為了適應初學者，方案介紹過程中，盡可能減少公式推導，使用通俗的科學語言介紹控制原理和方法，給出C型車模制作過程中的核心環節。本文的主要內容安排如圖 1- 2所示。

參考設計方案經過了實際驗證測試，測試運行視頻請在競賽網站上下載。
附錄中給出了用于下載資料的競賽網站地址以及可以下載的相關資料。車模制作大致分為方案確定、車模制作、車模調試三個階段，如圖1- 3所示。由于電磁直立車模所涉及到的算法參數眾多，所以調試階段所占比重很大。車模調試不僅對于提高車模性能非常重要，同時也是理解車模控制原理、提高知識運用能力、培養現場實際操作技巧的重要階段。

為了幫助同學進行車模調試，附錄 4 給出了車模調試指南和相關的視頻文件網站。可以通過這些資料盡快獲得車模參數調整的直觀感受。
第二章、原理篇
2.1 直立行走任務分解
電磁組比賽要求車模在直立的狀態下以兩個輪子著地沿著賽道進行比賽，相比四輪著地狀態，車模控制任務更為復雜。為了能夠方便找到解決問題的辦法，首先將復雜的問題分解成簡單的問題進行討論。
根據比賽規則要求，維持車模直立也許可以設計出很多的方案，本參考方案假設維持車模直立、運行的動力都來自于車模的兩個后車輪。后輪轉動由兩個直流電機驅動。因此從控制角度來看，車模作為一個控制對象，它的控制輸入量是兩個電極的轉動速度。車模運動控制任務可以分解成以下三個基本控制任務，如圖 2- 1所示：
（1）控制車模平衡：通過控制兩個電機正反向運動保持車模直立平衡狀態；
（2）控制車模速度：通過調節車模的傾角來實現車模速度控制，實際上最后還是演變成通過控制電機的轉速來實現車輪速度的控制。
（3）控制車模方向：通過控制兩個電機之間的轉動差速實現車模轉向控制。

車模直立和方向控制任務都是直接通過控制車模兩個后輪驅動電機完成的。假設車模電機可以虛擬地拆解成兩個不同功能的驅動電機，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、左右方向。在實際控制中，是將控制車模直立和方向的控制信號疊加在一起加載電機上，只要電機處于線性狀態就可以同時完成上面兩個任務。
車模的速度是通過調節車模傾角來完成的。車模不同的傾角會引起車模的加減速，從而達到對于速度的控制。

三個分解后的任務各自獨立進行控制。由于最終都是對同一個控制對象（車模的電機）進行控制，所以它們之間存在著耦合。為了方便分析，在分析其中之一時假設其它控制對象都已經達到穩定。比如在速度控制時，需要車模已經能夠保持直立控制；在方向控制的時候，需要車模能夠保持平衡和速度恒定；同樣，在車模平衡控制時，也需要速度和方向控制也已經達到平穩。這三個任務中保持車模平衡是關鍵。由于車模同時受到三種控制的影響，從車模平衡控制的角度來看，其它兩個控制就成為它的干擾。因此對車模速度、方向的控制應該盡量保持平滑，以減少對于平衡控制的干擾。以速度調節為例，需要通過改變車模平衡控制中車模傾角設定值，從而改變車模實際傾斜角度。為了避免影響車模平衡控制，這個車模傾角的改變需要非常緩慢的進行。這一點將會在后面速度控制中進行詳細討論。
三者之間的配合如圖 2- 3所示。

下面分別討論車模任務分解的三個控制的實現方式。
2.2 車模平衡控制
控制車模平衡的直觀經驗來自于人們日常生活經驗。一般的人通過簡單練習就可以讓一個直木棒在手指尖上保持直立。這需要兩個條件：一個是托著木棒的手掌可以移動；
另一個是眼睛可以觀察到木棒的傾斜角度和傾斜趨勢（角速度）。通過手掌移動抵消木棒的傾斜角度和趨勢，從而保持木棒的直立。這兩個條件缺一不可，實際上就是控制中的負反饋機制，參見圖 2- 4。
世界上還沒有任何一個天才雜技演員可以蒙著眼睛使得木棒在自己指尖上直立，因為沒有了眼睛觀察進行負反饋。

車模平衡控制也是通過負反饋來實現的，與上面保持木棒直立比較則相對簡單。因為車模有兩個輪子著地，車體只會在輪子滾動的方向上發生傾斜。控制輪子轉動，抵消在一個維度上傾斜的趨勢便可以保持車體平衡了。如圖 2- 5所示。

那么車輪如何運行，才能夠最終保持車體平衡穩定？為了回答這個問題，可以通過建立車模的運動學和動力學數學模型，設計反饋控制來保證車模的平衡。為了使得同學們能夠比較清楚理解其中的物理過程。下面通過對比單擺模型來說明保持車模平衡的控制規律。
重力場中使用細線懸掛著重物經過簡化便形成理想化的單擺模型。直立著的車模可以看成放置在可以左右移動平臺上的倒立著的單擺。如圖 2- 6所示。

對普通的單擺受力分析如圖2- 7所示。

當物體離開垂直的平衡位置之后，便會受到重力與懸線的作用合力，驅動重物回復平衡位置。這個力稱之為回復力，其大小為

在偏移角度很小的情況下，回復力與偏移的角度之間大小成正比，方向相反。在此回復力作用下，單擺便進行周期運動。在空氣中運動的單擺，由于受到空氣的阻尼力，單擺最終會停止在垂直平衡位置。空氣的阻尼力與單擺運動速度成正比，方向相反。阻尼力越大，單擺越會盡快在垂直位置穩定下來。圖 2- 8顯示出不同阻尼系數下，單擺的運動曲線。

總結單擺能夠穩定在垂直位置的條件有兩個：
（1）受到與位移（角度）相反的恢復力；
（2）受到與運動速度（角速度）相反的阻尼力。
如果沒有阻尼力，單擺會在垂直位置左右擺動。阻尼力會使得單擺最終停止在垂直位置。阻尼力過小（欠阻尼）會使得單擺在平衡位置附件來回震蕩。阻尼力過大（過阻尼）會使得單擺到達平衡位置時間加長。因而存在一個臨界阻尼系數，使得單擺穩定在平衡位置的時間最短。
為什么倒立擺在垂直位置時，在受到外部擾動的情況下，無法保持穩定呢？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定在垂直位置，就是因為在它偏離平衡位置的時候，所受到的回復力與位移方向相同，而不是相反！因此，倒立擺便會加速偏離垂直位置，直到倒下。
如何通過控制使得倒立擺能夠像單擺一樣，穩定在垂直位置呢？要達到這一目的，只有兩個辦法：一個是改變重力的方向；另一個是增加額外的受力，使得恢復力與位移方向相反才行。顯然能夠做到的只有第二種方法。
控制倒立擺底部車輪，使得它作加速運動。這樣站在小車上（非慣性系，以車輪作為坐標原點）分析倒立擺受力，它就會受到額外的慣性力，該力與車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力為：

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直立行車參考設計方案(第二版).pdf (4.99 MB, 下載次數: 201)

ID:353487 · 發表于 2019-1-18 23:21

好資料，51黑有你更精彩!!!賺幣下載

ID:511553 · 發表于 2019-4-13 22:29

點個贊

ID:475993 · 發表于 2019-4-18 19:36

點個贊，我學長只有第一版的，還是11年的呢

ID:532616 · 發表于 2019-5-13 08:08

很詳細

ID:345098 · 發表于 2019-7-15 16:37

謝謝分享

ID:245892 · 發表于 2019-8-20 14:56

很好的資料，收益匪淺

ID:372391 · 發表于 2019-9-8 17:35

正好在找這個資料，網上的感覺都是抄這個，又不全，看不懂。

ID:282095 · 發表于 2019-9-9 07:28

感覺不像原創的

ID:654307 · 發表于 2019-12-2 15:07

下載不了，只能看看了

ID:642889 · 發表于 2019-12-29 23:43

謝謝樓主分享資料

ID:695481 · 發表于 2020-2-20 10:28

謝謝樓主分享資料

ID:801416 · 發表于 2020-7-11 10:55

正好需要一份簡單易懂的資料

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