第五届的技术报告

300862005

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛

技 术 报 告




        学    校：   国防科学技术大学
队伍名称：   电磁铁军一师  
参赛队员：   刘树强
             谭一舟
             王杰
带队教师：   史美萍
安向京
费晓曦





关于技术报告和研究论文使用授权的说明

         本人完全了解第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。

参赛队员签名：                             
带队教师签名：                             
日        期：                         



目录
摘 要        II
第一章 引 言        1
1.1 概述        1
1.2　电磁车体系结构        1
1.3　论文结构安排        3
第二章  系统硬件设计        4
2.1　电磁场检测方法分析        4
2.1.1　电磁场数学建模        4
2.1.2　电磁场检测方法        6
2.2　传感器模块设计        9
2.2.1　传感器信号处理        9
2.2.2　传感器布局设计        10
2.3　起始线检测模块设计        12
2.4　车模其它部分设计        13
2.4.1　速度传感器        13
2.4.2　控制部分        14
2.4.3　执行机构        14
2.5.4　人机接口        15
2.5.5　电源部分        16
第三章  系统软件设计        17
3.1 MC9S12XS128片内资源简介        17
3.2 所用模块简介        18
3.2.1 时钟模块        18
3.2.2 PWM 模块        18
3.2.3 串口模块        19
3.3赛道提取与赛车控制        20
3.3.1　赛道提取算法设计        20
3.3.2跟踪控制程序        21
3.4　调试环境设计        22
第四章  赛车主要技术参数        23
结论        24
参考文献        I
附　录        II
附录A  整车效果图        II
附录B： 智能车源程序        III


摘 要
我队将于今年八月参加第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。针对比赛的具体情况，我们建立了赛车、赛道和自主控制系统的基本模型，给出了理论分析、仿真计算、在线调试的基本开发方法。在比较各种算法的性能特点后，我们确定最终方案，并完成了智能车的制作与调试。
智能车开发过程中，通过比较各种方案，最终我们决定采用电磁感应线圈作为道路传感器。最终方案的思路是：通过对道路传感器所采集的数据进行处理分析，辅助以车模后轮码盘所采集的数据，来判断小车的方位、姿态、速度等，进而控制小车前轮舵机的摆角和后轮驱动电机的速度，使小车在最短的时间内完成比赛。
我们使用比赛指定的唯一控制器 MC9S12DG128B 作为系统的控制核心，用它来进行信号采样、数据传输等动作，并产生 PWM 波控制舵机和电机。

关键词：智能汽车；电磁检测；MC9S12XS128



第一章 引 言
1.1 概述
    “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，是由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的科技竞赛。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。该竞赛主要由飞思卡尔半导体公司赞助，由清华大学协办，从2006年开始，每年举办一届，目前已成功举办了四届。第三届、第四届连续两届被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目之一。
比赛按照车模识别路线方案分成摄像头组、光电组和电磁组。通过采集道路图像信息进行路径检测的车模属于摄像头组；通过采集道路少数离散点反射亮度进行路径检测的车模属于光电组；通过感应由道路中心电线产生的交变磁场进行路径检测的车模属于电磁组[1]。其中摄像头组和光电组是历届常规项目，电磁组是第五届新设立的比赛项目。
从智能汽车竞赛第一届开始，我校就十分关注并积极参与进来。经过多年参赛实践，积累了大量知识和经验，在硬件设计、控制算法、调试手段等各方面都打下了坚实基础，同时也存在许多需要改进的方面，特别是控制算法的优化和调试手段的改进。
本技术报告将针对我们的传感器信号处理设计、安装、底盘参数选择、电路设计、控制算法等方面进行阐述，并列出了模型车的主要技术参数。
1.2　电磁车体系结构
按照比赛规则要求，赛车通过检测载流导线周围的电磁场信号来控制车模沿着载流导线前进。在赛道的起跑线处装有永磁铁，标志起跑线的位置，赛车在行驶一圈后需在起跑线处停车。

图1-1　电磁车体系结构图

为实现上述要求，设计电磁车体系结构如图1-3。根据功能不同，电磁车体系结构大致包括传感器、控制、执行机构、人机接口和电源五大部分。
1.传感器部分
负责感知外部世界的环境信息和车模自身的状态信息，为小车完成赛道的检测与跟踪以及实现小车的运动控制提供所需的信息。传感器部分包括电磁传感器、起始线检测传感器和速度传感器三个子模块。
2.控制部分
分析传感器数据，提取赛道信息，运行控制算法，向执行机构发出动作信号，控制赛车沿赛道行驶。控制部分主体是单片机MC9S12XS128。
3.执行机构
负责执行动作信号，实现车的前进、变速和转向。执行机构包括电机驱动、电机和舵机。
4.人机接口
实现模式和参数选择、状态指示、实时监控以及数据存储等人机交互功能，包括拨码开关、LED、蜂鸣器、无线等模块。
5.电源部分
负责向各部分提供合适的电源，包括电池和稳压模块
1.3　论文结构安排
本文共分六章，第一章是前言，介绍课题背景和基本内容，概述电磁车体系结构框架，及研究中的关键技术；第二章是系统硬件设计，详细介绍电磁场检测方法、传感器模块设计、整车电路构建；第三章是系统软件设计，详细介绍赛道提取算法和跟踪控制算法；第四章是赛车主要技术参数，包括赛道电源设计和调试模块设计；第五章对课题研究的结果进行总结，提出进一步提高电磁车性能的改进方案。

第二章  系统硬件设计
要实现电磁车的功能，必须首先构建硬件平台。按照电磁车体系结构，需要设计的硬件模块包括传感器、控制、执行机构、人机接口和电源等部分。
2.1　电磁场检测方法分析
电磁车要检测的赛道环境是由通有 20kHz、100mA 交变电流的导线所产生的电磁场。电磁场检测是课题要解决的第一个关键技术，需要首先对电磁场进行数学建模，然后根据建模结果选择合适的电磁传感器。
2.1.1　电磁场数学建模
根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。赛道中用于路径导引的交流电流频率为20kHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁波中间，为3kHz～30kHz，波长为100km～10km[2,3]。
导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，这是电磁车提取赛道信息的基本方法。但交变磁场建模复杂，直接分析交变的电磁场难度较大。
由于赛道导引电线和小车尺寸都远远小于电磁波的波长，电磁场辐射能量很小（如果天线的长度远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射功率正比于天线长度的四次方），所以能够感应到电磁波的能量非常小[2]。为此，我们将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，然后将结果应用到交变的条件下，从而进行位置检测。
由毕奥-萨法尔定理可知，空间任一点的磁感应强度可以看成是导线上电流元 产生的磁场之和[2,4,5]，即：
          公式（2-1)
其中μ0=4π×10-7N/A2， 是电流元到空间点的矢量。
上述积分只有在一些特定的曲线下才可以求得解析解，对于一般的曲线，可以通过数值积分求得数值解，若要考察整个空间的磁场分布，只能借助于一些专业的电磁场分析软件进行全空间的数值仿真，比如 Ansoft Maxwell，CST EM Studio 等。显然这对于电磁场的分析来说，无疑是加大了建模难度。
从比赛所用赛道的构成来看，赛道一般可以分成直道、转弯、S道、回环道、交叉道等形式，其中直道是最简单的，因此，分析清楚直道情况下的电磁场分布是基础。
综上两方面，问题可以简化为：通有稳恒电流I长度为L的直导线，与导线距离为r处的P点，其磁感应强度为：
             公式(2-2)

图2-1　直导线稳恒电流的磁场[2]
由此得
           公式(2-3)
对于无限长直导线来说，θ1=0，θ2=π，则有
                                       公式(2-4)

图2-2　直导线稳恒电流磁场示意图

如图2-2所示，感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上的磁场强度大小相同，并随着距离导线的半径r 增加成反比下降。
如果分析离地面高度为h的水平面上的磁场强度分布，对于长直导线，其分布是相对于导线所在铅垂面对称的；而对于弧形导线，即赛道的弯道处，弧线内侧磁力线密度较大，其磁场强度较强，外侧则相对较弱。但由于赛道转弯半径较大（最小50cm），因而磁场强度的差别并不十分明显。
2.1.2　电磁场检测方法
现在我们有很多测量磁场的方法，磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应：磁电效应（电磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应）、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量原理以及相应的传感器[2]：
（1）        电磁感应磁场测量方法：电磁感应线圈，磁通门磁场传感器，磁敏电阻。
（2）        磁机械效应磁场检测方法：指南针，干簧管。
（3）        霍尔效应磁场测量方法：霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。
（4）        各向异性电阻效应（AMR）磁场测量方法。
（5）        载流子自旋相互作用磁场测量方法：巨磁效应磁敏电阻（GMR）、自旋阀三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。
（6）        超导量子干涉（SQUID）磁场测量方法：SQUID 薄膜磁敏元件。
（7）        光泵磁场测量方法：光泵磁场传感器。
（8）        质子磁进动磁场测量方法。
（9）        光导纤维磁场测量方法。
以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，其灵敏度和检测范围相差很大，响应频率、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度等也是要考虑的重要内容。现在市场上比较容易购买到的可选传感器有电磁感应线圈、磁敏电阻、霍尔传感器、磁敏二极管、磁敏三极管、GMR巨磁磁阻等等。我们需要选择适合电磁车的检测方法，首先要考虑灵敏度、检测范围和响应频率。
在公式(2-4)中，取I=0.1A，r=0.1m，则B=2×10-7T=2×10-11Gs。也就是说，在赛道导引线附近的磁场强度是10-11Gs的数量级。从检测范围来看，磁敏电阻在10-7Gs的数量级，霍尔传感器在10~103Gs的数量级，磁敏二极管和磁敏三极管都在103Gs的数量级，GMR巨磁磁阻在10-6Gs的数量级，这些电磁传感器都不能达到检测要求。电磁感应线圈相当于天线，其检测范围与线圈形状、匝数、磁芯等密切相关，不同的感应线圈检测范围差异很大，常用的工字线圈检测范围可以达到10-11Gs的数量级。可见电磁感应线圈是最佳选择，同时它还具有原理简单、价格便宜、体积相对较小、频率响应快等优点。

图2-3　10mH镍锌工字线圈
实际选用电感值为10mH、磁芯为镍锌材料的工字线圈作为电磁传感器，其Q值较高，具有开放的磁芯，输出信号幅值大。
赛道导引线中通有20kHz100mA交变电流，其形成的电磁场信号与电流具有一致性，即磁场强度以畸变的方波形式交变变化，如图2-4(a)。如果电磁传感器使用普通空心线圈，其感应电压信号是磁场交变瞬间的正负脉冲，如图2-4(b)；如果使用镍锌工字线圈，由于磁芯的磁滞现象，其感应电压信号经选频后接近于正弦信号，如图2-4(c)。
  
(a)
  
(b)
  
(c)
图2-4　磁场信号及感应信号示意图[6]
根据法拉第电磁感应定律，线圈磁场传感器的内部感应电压E与磁场B(t)、电磁线圈的匝数N、截面积A的关系有[2,7]：
       公式(2-5)
感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。
由于导线中电流频率较低，感应线圈截面较小，因而可以认为感应线圈范围内磁场均匀分布，则线圈中感应电动势可近似为：
             公式(2-6)
即感应电动势与电流变化率成正比，与线圈到导线距离成反比。式中k是与线圈截面积、匝数、磁芯磁导率及线圈摆放方式等相关的常量；对于同一条赛道，dI/dt是固定不变的，取K=kdI/dt，则有：
                    公式(2-7)
即感应电动势E只与线圈到导线距离有关。
2.2　传感器模块设计
2.2.1　传感器信号处理
感应线圈所得到的初级信号不能直接由单片机读取，主要原因有以下几点：
（1）        含有20kHz的大量谐波；
（2）        幅值相对较小，经AD转换后差异不明显；
（3）        交流信号不能直接接入AD；
（4）        变化的信号不利于检测。

longyan521

哥哥电路图？？