智能小车的设计技术报告说明

　　根据竞赛规则相关规定，智能车系统采用大赛组委会统一提供的 E 型车模，以恩智浦半导体公司生产的 32 位微控制器 MK60DN512ZVLL10 作为核心控制器，在 IAR 开发环境中进行软件开发。本智能车系统包括以下几个模块：电源管理模块、液晶显示模块、信号处理模块、起跑线检测模块、驱动模块、按键输入模块、蓝牙模块、MCU 模块、超声波模块、编码器测速模块等。本次竞赛要求小车直立寻线走，使直立、速度、方向控制由同一个电机完成，要进行不同的控制，达到尽量解耦控制的效果。

　　1、首先通过AD采集陀螺仪角度和角速度使用PD算法完成小车直立环控制；

　　2、由于小车机械原因引起小车两个轮子转动存在偏差，所以我们用了左右两个编码器对左右轮进行测速，将得到的值与我们给定的速度进行比较，用过PID的简单闭环控制达到近似匀速的效果；

　　3、在方向方面我们通过两个电感进行一字型摆放，通过放大电路放大兩电感的值，通过AD采集，由于电感内的感应电压与电流之间的距离的平方成正比，所以我们将AD采集的值进行开平方根后在使用差比和的方式获得两个电感之间的关系，然后通过简单的模糊PID控制，实现寻线的效果。

　　电磁组比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务更为复杂。为了能够方便找到解决问题的办法，首先将复杂的问题分解成简单的问题进行讨论。

　　根据比赛规则要求，维持车模直立也许可以设计出很多的方案，本参考方案假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个后车轮。后轮转动由两个直流电机驱动。因此从控制角度来看，车模作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：

　　（1）控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态。

　　（2）控制车模的速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。

　　（3） 控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。

　　车模直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。假设车模电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、左右方向。在实际控制中，是将控制车模直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务。

　　车模的速度是通过调节车模倾角来完成的。车模不同的倾角会引起车模的加减速，从而达到对于速度的控制。

　　三个分解后的任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象（车模的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。为了方便分析，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。比如在速度控制时，需要车模已经能够保持直立控制；在方向控制的时候，需要车模能够保持平衡和速度恒定；同样，在车模平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。这三个任务中保持车模平衡是关键。由于车模同时受到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。因此对车模速度、方向的控制应该尽量保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰。以速度调节为例，需要通过改变车模平衡控制中车模倾角设定值，从而改变车模实际倾斜角度。为了避免影响车模平衡控制，这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。这一点将会在后面速度控制中进行详细讨论。