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　　作者：常熟理工学院 宋长春 刘清 李荣伟

　　指导教师：李鑫 戴梅

　　作品简介

　　摘要

　　本文以第七届"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛为背景介绍了常熟理工学院磁导航两轮自平衡智能小车的软硬件开发流程。本届电磁组比赛采用的是大赛组委会统一指定的C 型车模。在C 型车模的基础上，采用了以freescale半导体公司出产的16 位DSCMC56F8366 单片机为核心处理器，通过陀螺仪获得角加速度，加速度计获得角速度，两者经卡尔曼滤波之后得到的数据使得车模保持直立，最后以电感为主要的路径检测传感器。当检测到路径之后给车模以倾角，使得车模在寻求直立但无法直立的过程中保持一定的速度运行。整个智能车的设计涉及到了车模直立数学建模、车模机械结构的调整、传感器的布局、信号处理、控制算法等多个方面。整个车模的关键在于将车模直立，车模一旦直立基本上已经成功了一半。当然，智能车竞赛更加注重的是车模如何在硬件限制的条件下获得更高的速度，因此有必要对直立控制、速度控制、方向控制的PID 参数进行整定。下文会介绍PID 参数中哪些参数的改变对直立控制特别明显，哪些对速度控制明显，而又有哪些参数对方向控制明显。因为两轮直立车的特殊性，且时间非常紧凑，又且我们仅仅用了两只电感，所以没法检测赛道的路径，不能随意愿控制小车的速度，这不失为一次小小的遗憾。

　　第一章引言

　　1.1 智能车研究背景

　　1.1.1 智能车研究历史与发展

　　汽车已经过了100 多年的发展历史,从诞生的那一天起,它就从未停止过智能化发展的步伐。当前的信息技术革命正在推动汽车设计翻开新的一页,自动化、智能化、多功能已经成为了汽车发展的新趋势。电脑技术、自动控制技术以及现代信息融合技术和通信等高科技与汽车的结合,使未来汽车成为更安全、更方便、更舒适的交通工具。智能车系统是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统,是典型的、多学科的、综合性的高科技和高新技术的结合体,涉及传感器技术、信息融合技术、微电子技术、计算机技术、智能自动控制技术等。20 世纪90 年代以来,随着汽车市场竞争激烈程度的日益加剧和智能运输系统(ITS)研究的兴起,国际上对于智能汽车及其相关技术的研究成为热门,一批有实力、有远见卓识的汽车行业大公司、研究院所和高等院校也正展开智能汽车的研究。目前它已成为世界众多发达国家重点发展的智能交通体系中的重要组成部分,也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。

　　智能车小车是研究智能车的一个缩影。智能小车上的许多想法、算法、结构在实际智能车上都可以有所借鉴。

　　1.1.2 两轮自平衡小车

　　今年新增的项目磁导航两轮自平衡小车有必要着重提一下。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，其动力学方程是一多变量、严重不稳定、强耦合、时变、具有参数不确定性的非线性高阶方程，加上运动学方程中的非完整性约束，要求完成的控制任务也具有多重性，即在完成系统平衡控制任务的同时，还要在复杂的环境下完成路径跟踪任务或自主移动的任务，因此，两轮自平衡小车是一个具体的、实现起来相对便宜的复杂系统，给控制理论提出了很大的挑战，是检验各种控制方法处理能力的典型装置，受到世界各国科学家的重视，成为具有挑战性的课题之一。两轮自平衡小车作为一种复杂系统的实验装置，其控制难度大，控制算法复杂，很适于理论研究、实验和仿真。在此实验系统上可进行解耦控制、不确定性系统控制、非线性系统控制、自适应控制、复杂系统分散协同控制等研究，且物理意义明显、观察方便，系统具备复杂系统的特点但其本身又不很复杂，价格低廉，占地面积小，是很有潜力的实验工具。其次建立在自平衡基础之上的两轮小车的其他性能，例如复杂环境下的导航、拐角的转弯等问题也极有可能解决在工业生产和社会生活中的许多挑战。

　　磁导航两轮自平衡小车的研究能够极大地锻炼学生对于控制理论的理解，是对控制理论软硬件的一次很好的检验。

全文请访问：电磁组-常熟理工学院-闪电四队-技术报告.pdf。