基于DSP控制的电磁循迹智能小车设计.doc

1、 I 武汉理工大学 智能仪器原理与应用 课程设计 题 目： 基于 LABVIEW 智能小车设计与调试 学生姓名： 聂鹏 学号： 1049721303692 学院： 自动化学院 专业： 双控 1303 班 指导老师 ： 刘红丽 2014 年 1 月 1 日 II 目录 第一章 引言 . 3 第二章 机械结构部分 . 4 2.1 整车的安装 . 4 2.2 机 械手的固定与安装 . 5 2.3 差速的调整 . 6 2.4 整车重心的调整 . 7 第三章 传感器的选择和布局 . 8 3.1 传感器的选择 . 8 3.2 电磁感应线圈在磁场中的特性 . 8 3.3 传感器布局 . 9 3.3.1 确定

2、导线位置布局 . 10 3.3.2 前瞻设计 . 10 第四章 硬件电路模块 . 11 4.1 控制器模块 . 12 4.2 路径识别模块 . 13 4.2.1 感应线圈 . 14 4.2.2 信号选频放大 . 15 4.3 电源模块 . 17 4.4 测速模块 . 18 4.5 舵机使能控制电路 . 18 4.6 电机驱动模块 . 19 第五章 智能车软件设计 . 20 5.1 控制总流程 . 21 5.2 导线位置提取 . 22 5.3 系统控制算法 . 22 5.3.1 数字 PID 控制 . 23 5.3.2 转向控制算法 . 24 5.3.3 电机控制算法 . 25 第六章 基于 L

3、ABVIEW 智能小车调试 . 26 6.1 labveiw 的调试界面 . 26 6.2 labveiw 的程序设计 . 27 第七章 总结 . 28 参考文献 . 29 附录 A 部分程序代码 . 30 武汉理工大学智能仪器原理与应用课程设计 3 第一章 引言 本智能小车以 DSP TMS320F2812 作为唯一的核心控制单元，采用 LC震荡电路进行 信号的采集来 获取道路信息，通过设计简单的 PID 速度控制器和简单的模糊 控制器实时调整小车的速度与转角。 本报告分为七个章节：第一章为引言介绍；第二章介绍了本智能车的机械设计；第三章具体介绍了智能车传感器选择与布局设计；第四章具体介绍了

4、智能车硬件电路设计；第五章介绍了智能车的软件设计；第六章为智能车开发与调 试环境。 武汉理工大学智能仪器原理与应用课程设计 4 第二章 机械 结构 部分 图 2.0 智能车整体图 2.1 整车的安装 在 整车 的安装过程中，我们发现， 我们的小车是四轮驱动的，每一个电机都是由一路独立的 PWM 来调速的，由于这次的赛道有上坡和一个斜坡， 一般扭矩的电机很难满足这个要求，再加上我们的车身比较重，所以一定需要一个大扭矩的电机来实现赛道的要求 。我们在整车的安装过程中不是用底板配套的电机，而是另外买的大扭矩电机，通过在底板上另外打孔和 用胶枪固定。如图 2.1.1所示： 武汉理工大学智能仪器原理与应

5、用课程设计 5 图 2.1.1 小车的装配图 2.2 机械手 的固定与安装 由于本次比赛是 以地震救援为背景，设计一款救援机器人，要求携带机械夹持装置，从基地出发，完成崎岖山道（ S 路），塌方道路（避障），倾斜路面（斜坡），破损桥梁（独木桥）等常规越野任务，途 中利用机械夹持装置，将地面上的轻伤目标放到安全目标平台上，将重伤目标携带，并返回基地放下。 所以需要一个机械手来抓取和安放伤员， 我们之前想过多种组装机械手的方法，开始准备用五个舵机组成多自由度的机械臂，但是由于车子能承受的重量有限，加上机械臂 太高车跑起来会有很大的抖动，所以最后我们选择了如图 2.1.2 的安装方式来固定机械臂。

6、武汉理工大学智能仪器原理与应用课程设计 6 图 2.1.2 机械臂的组装图 2.3 差速的调整 在车实际跑的过程中，我们发现，后面两个轮的相对松紧程度，也就是差速对拐弯有很大的影响。差速太紧，则拐弯容易甩尾，速度快的时候很容 易甩出去，但是差速如果太松，虽然会改善转弯性能，但是严重影响了直线上的加减速，而且齿轮的咬合也不是很好，对齿轮会有一定的损坏。所以，后面两个轮子的相对松紧程度要适中，经过多次的调试，我们得出了比较满意的效果，即将模型车放到跑到上，用手抓住后轮的一只轮子使其不能转动，在赛道上推车子转弯，如果车子能够稍轻松的推动，则此时的差速器为最适合。当然，实际还需要根据不同的赛道和车的机

7、械性能进行相应的微调。调节差速可以通过工具旋紧或者旋松右后轮来得到合适的差速控制，其实就是适当的调整两片轴武汉理工大学智能仪器原理与应用课程设计 7 承的压力以满足后轮驱动和差速的要 求。 2.4 整车重心的调整 刚开始的时候由于速度比较慢，车体的重心对整辆车的影响看不出，但随着模型车速度的提高，模型车的重心对车子的整体性能的影响就显得越来越突出了。这集中表现为前轮对地摩擦力的影响和车体否能稳定行驶。垂直高度上的重心影响车的稳定性，重心越低，稳定性越高，当然这要求保证车的底板不会出现触地的现象；水平方向上的重心位置及其重要，它将直接影响了前轮对地的摩擦力，也就是我们想要的前轮抓地能力的强度。重

8、心靠前，将有利于增加前轮的摩擦力。实际测试中，稳定性对跑道 S 弯和急转弯的影响最大；而摩擦力则 对跑道急转弯影响最重。所以为了提高车对整个跑道的综合性能，我们将车的垂直重心尽可能降到最低，而将水平重心的位置调整为靠近前轮。调整模型车的垂直重心只要给前轮悬架下摆臂与底板之间加上一个 2mm 的垫片即可；而后轮则通过变换卡圈来调整底盘后半部分的离地间隙。这样模型车就不会跑飞了。 武汉理工大学智能仪器原理与应用课程设计 7 第三章 传感器的选择和布局 3.1 传感器的选择 由于赛道是通有 20KHz 交变电流的导线，因此需要通过检测导线周围所产生的电磁场确定道路与小车的相对位置。磁场传感器利用了物

9、质与磁场之间的各种物理效 应，如磁电效应（电磁感应，霍尔效应，磁致电阻效应），磁机械效应，核磁共振等。现代检测磁场的传感器有很多，常见的有磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器，半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。因为各种传感器测量磁场所依据的原理不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大，10-11 107G。图 3.1 为各类磁场传感器的测量范围示意图。 图 3.1 各类磁场传感器的测量范围示意图 先估算赛道的磁场强度。把赛道看作无限长直导线，载流为直流 100mA，武汉理工大学智能仪器原理与应用课程设计 8 距离导线 r=5cm 时，由毕奥 -萨伐尔定律 知，磁场强度 B如 （ 公 式 1

10、） ： GTrIB 3770 1041041005.02 1.042 （ 公 式 1） 一般霍尔元件的检测范围在 1mT 以上，即 10G 以上，可以想象到需要贴着地面进行检测，而且精度大大受到限制。 磁阻传感器如 Honeywell 的高灵敏度磁阻 HMC1001，分辨率可达 27 微高斯，还可以使用多轴的磁阻传感器检测不同方向的磁场。 普通的电感线圈测量范围广，理论上只要加上合适的谐振电容和放大电路，不但能够筛选出特定频段进行放大，而且有较强的抗干扰能力。 我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率 响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度

11、进行考虑。由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低，价格比较高。 因而我们选取最为传统的电磁感应线圈的，它具有原理简单、价格便宜、体积小、频率响应快、电路实现简单等特点。感应线圈可以自行绕制，也可以采用市面上的工字电感。 3.2 电磁感应线圈在磁场中的特性 为了讨论方便，我们作以下约定： (1)小车车体坐标系中，定义小车前进的方向为 Y轴正向，顺着 Y轴的右手边为X轴的正向， Z轴指向小车正上方，如图 3.2.1 所示； (2)水平线圈是指轴线平行于 Z轴的电感线圈，垂直线圈是指 轴线平行于 X 轴的线圈，轴线平行于 Y 轴的线圈所感应到的电动势远小于上述两类线圈，但该类摆放线圈在回环路检测中

12、将可以用到。 武汉理工大学 智能仪器原理与应用课程设计 9 (3)BX 是指向载流导线右手边的电磁感应强度， BZ 是指向载流导向正上方的电磁感应强度。显然，垂直线圈感应的是 BX 变化率，水平线圈感应的是 BZ 的变化率。 图 3.2.1 假定车体坐标系 直道附近的磁场分布，可以近似为无限长的直导线上的磁场分布，容易算得距离长直导线距离为 r的点的磁感应强度如（ 公 式 2）： rIB 20 （ 公 式 2） 进而可以推出 ： 2202 hx hIB X （ 公 式 3） 2202 hx xIB Z （ 公 式 4） 其中 h是电感线圈距离地面的垂直距离。为了讨论的方便，记 22 hx hBX （ 公 式 5） 22 hx xBZ （ 公 式 6）