第七届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
（1） 道路电磁中心线的偏差检测
道路电磁中心线检测简单的方法可以通过安装在车模前方的两个电磁感应线圈实现。线圈一般采用10mH的工字型电感。如图2.12所示。
图 2.12 检测道路中心电磁线的方式
（2） 电机差动控制
利用电磁线偏差检测信号分别与车模速度控制信号进行加和减，形成左右轮差动控制电压，使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向。如图2.13 所示。
图 2.13 通过差动控制左右电机驱动电压控制车模方向
通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模偏差，这个过程是一个积分过程。因此车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车模方向控制。
2.5 车模倾角测量
在2.2节车模直立控制中介绍了控制车模直立的算法，通过测量车模的倾角
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第二章 原理篇
和倾角加速度控制车模车轮的加速度来消除车模的倾角。因此车模倾角以及倾角加速度的测量成为控制车模直立的关键。测量车模倾角和倾角加速度可以通过加速度传感器和陀螺仪实现。
（1）加速度传感器
加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。竞赛规则规定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器。该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻。它的基本原理如图2.14所示。
图 2.14 加速度传感器
通过微机械加工技术在硅片上加工形成了一个机械悬臂。它与相邻的电极形成了两个电容。由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发生变化，从而改变了两个电容的参数。通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化，形成了与加速度成正比的电压输出。MMA7361是一款三轴低g半导体加速度计，可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号，如图2.15所示。
图 2.15 三轴加速度传感器
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只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比如使用Z轴方向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在Z轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度g便会在Z轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化。变化的规律如式2-5所示，
?u?kgsin? (2-5)
式中，g为重力加速度；?为车模倾角；k为比例系数。当倾角?比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角加速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的运动所产生的加速度会产生很大的干扰信号叠加在上述测量信号上，使得输出信号无法准确反映车模的倾角，如图2.16所示。
图 2.16 车模运动引起加速度计信号波动
车模运动产生的振动加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动，可以通过数据平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波也会使得信号无法实时反映车模倾角的变化，从而减缓对于车模车轮控制，使得车模无法保持平衡。因此对于车模直立控制所需要的倾角信息需要通过另外一种器件获得，那就是角速度传感器-陀螺仪，如图2.17所示。
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第二章 原理篇
图 2.17 角速度传感器
（2）角速度传感器-陀螺仪
陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。竞赛允许选用村田公司出品的ENC-03系列的加速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到克里利奥力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜的角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。如图2.18所示。
图 2.18 测量车模角速度和角度
由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体振动影响。因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。由于从陀螺仪的角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信
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号，如图2.19所示。
图 2.19 角度积分漂移
如何消除这个累积误差呢？
可以通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正，如图2.20所示。
图 2.20 角度积分漂移校正
利用加速度计所获得的角度信息与陀螺仪积分后的角度进行比较，将比较的误差信号经过比例Tg放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进行积分。从图2.20中的框图可以看出，对于加速度计给定的角度?g，经过比例、积分环节之后产生的角度?必然最终等于?g。由于加速度计获得的角度信息不会存在积累误差，所以最终将输出角度?中的积累误差消除了。
加速度计所产生的角度?g信息中会叠加很强的有车模运动加速度噪声信号。为了避免该信号对于角度?的影响，因此比例系数Tg应该非常小。这样，
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