第二章 原理篇
加速度的噪声信号经过比例、积分后，在输出角度信息中就会非常小了。由于存在积分环节，所以无论比例Tg多么小，最终输出角度?必然与加速度计测量的角度?g相等，只是这个调节过程会随着Tg的减小而延长。为了避免输出角度
?跟着?g过长，可以采取以下两个方面的措施：
（1）仔细调整陀螺仪的放大电路，使得它的零点偏置尽量接近于设定值，并且稳定。
（2）在控制电路和程序运行的开始，尽量保持车模处于直立状态，这样一开始就使得输出角度?与?g相等。此后，加速度计的输出只是消除积分的偏移，输出角度不会出现很大的偏差。使用加速度计来矫正陀螺仪的积分漂移只是其中一种方法。还可以通过测量车模的运行速度和加速度来矫正陀螺仪的积分漂移，这样就可以省略加速度器件。这种控制方法请同学们在掌握了整个控制方案之后自行设计实现。
2.6 车模直立行走控制算法总图
通过上面介绍，将车模直立行走主要的控制算法集中起来，形成控制算法总框图，如图2.21所示。
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第七届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
图 2.21 车模运动控制总框图
图2.21中，为了实现车模直立行走，需要采集如下信号： （1） 车模陀螺仪信号；
（2） 车模加速度计信号（z轴信号）； （3） 车模电机转速脉冲信号； （4） 车模电磁偏差信号（两路）。
需要进行如下控制环节，控制车模电机转动：
（1）车模直立控制：使用车模倾角的PD（比例、微分）控制； （2）车模速度控制：使用PI（比例、积分）控制； （3）车模方向控制：使用P（比例）控制。 可通过单片机软件实现上述控制算法。
车模的三种控制（直立、速度、方向）最终是将控制量叠加在一起作为电机输出电压控制量。直立控制是基础，它的调整速度非常快，速度和方向控制相
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第二章 原理篇
对调整速度慢。速度和方向控制的输出量是直接叠加在电机控制电压上。它们假定直立控制会始终保持车模不跌倒，直立控制会自动调节车模的倾角以适应车模的加速、减速和转弯的需要。
稍作分析如下：
车模加速前进时，由速度控制算法给出电机增加的正向电压，电机开始逐步加速旋转。在此同时，车模直立控制会迅速进行调整，使得车模往前倾斜，车模开始加速。当车模速度达到设定值，由车模速到控制算法使得电机进入恒速运行。此时车模直立控制算法也会相应调整车模出于直立状态，车模恒速运行。车模减速过程与此类似，由速度控制算法减少了电机的电压，电机开始减速运行。直立控制算法会自动调整车模往后倾斜，使得车模减速。车模转向控制是在车速控制基础之上，调节两个电机驱动电压差使得电机运行速度出现差动，进而调整车模的方向。
在此控制算法中，直立控制一直维持车模的直立状态，速度与方向控制将会成为直立控制的外部干扰。为了确保车模不会跌倒，因此外部的速度和方向控制算法调整速度不能够过快，过于剧烈。这一点在后面软件实现的时候需要注意。
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第三章、电路设计篇
3.1 整体电路框图
设计车模控制系统的电路，首先需要分析系统的输入、输出信号，然后选择合适的核心控制嵌入式计算机（单片机），逐步设计各个电路子模块，最后形成完整的控制电路。
系统的输入输出包括： （1）AD转换接口（至少4路）
a) 电磁监测：左右两路，用于测量左右两个感应线圈电压，中间一路，用于计算更好的路径。
b) 陀螺仪：两路，水平陀螺仪一路，用于检测直立角速度，竖直陀螺仪一路，用于检测转向角速度。
c) 加速度计：一路，测量加速度Z轴输出电压。
d) 辅助调试：（备用）1到3路，用于车模调试、设置作用。 （2）PWM接口（2路）
a) 控制左右两个电机运行，需要两路PWM接口。 （3）电机方向I/O口（2路）
a) 与PWM接口通过逻辑门结合控制电机的正反转。 （4）定时器接口（4路）
a) 测量两个电机转速，需要两个定时器脉冲输入端口。 b)通过K60的正交解码通道判断电机的正反转。 （5）通讯接口（备用）
a) SCI（UART）：一路，用于程序下载和调试接口；
b) I2C：（备用）如果选择飞思卡尔公司的数字加速度计，可以通过I2C接口直
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第三章 电路设计篇
接读取加速度值。 （6）IO接口（备用）
4到8路输入输出，应用车模运行状态显示，功能设置等。
竞赛允许使用飞思卡尔公司处理器系列，绝大部分都能够满足上面的控制要求。本车模选择其中的ARM32位处理器K60P144M100SF2作为核心的控制处理器。
控制电路划分为如下子模块：
（1） 单片机最小系统：包括DSC处理器，程序下载调试接口等； （2） 电磁线检测：包括两路相同的电磁感应信号放大与检波电路； （3） 陀螺仪与加速度计：包括两个姿态传感器信号放大滤波电路； （4） 速度检测：检测电机光电码盘脉冲频率； （5） 电机驱动：驱动两个电极运行电路； （6） 电源：电源电压转换、稳压、滤波电路；
（7） 设置与调试：显示系统运行状态、速度设定、程序下载与监控。
3.2 K60介绍与单片机最小系统
单片机选择飞思卡尔公司K60P144M100SF2，它外设多（100PIN TQFP），功耗低（3.3V工作电压），运算速度快（100MIPS），具有丰富的外设模块，非常适合控制车模运行。它的主要外设包括：
（1）FTM3通道；20个接口 （2）AD2通道，16bit； （3）定时器，16bit，4通道； （4）外部串行接口：SCI，I2C，SPI； （5）IO口：最多可以提供100路。
此外，内部还集成了时钟电路、电源检测电路以及看门狗电路等。 内部存储器资源包括：512k程序Flash，4k数据RAM。图3.2显示该单片机的
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