無碳小車數(shù)字化調試系統(tǒng)設計

劉秀清, 卞玉帥, 萬書浩, 李　陽

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049)

無碳小車數(shù)字化調試系統(tǒng)設計

劉秀清, 卞玉帥, 萬書浩, 李陽

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049)

摘要：全國大學生工程訓練綜合能力競賽中，S型轉向運動無碳小車傳統(tǒng)調試方法——軌跡劃線法存在工作量大、效率低的缺點，為此設計了無碳小車數(shù)字化調試系統(tǒng).該系統(tǒng)由便攜式無碳小車調試分析儀和計算機數(shù)據處理調試平臺兩大部分組成，兩者之間進行數(shù)據傳輸，共同完成對無碳小車的周期調試和軌跡調試.采用MC9S12XS128作為控制單元，采用冒泡排序法和格拉布斯(Grubbs)準則對采集數(shù)據進行處理，利用MALAB平臺進行仿真優(yōu)化.實踐證明，該系統(tǒng)使無碳小車的調試從“憑感覺，靠手感”的盲目調試方式，改變?yōu)椤皵?shù)字化，可視化”的調試方式，大大提高了無碳小車的性能.

關鍵詞：無碳小車; 數(shù)字化調試; MC9S12XS128; 冒泡排序法; 格拉布斯準則

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是旨在提升大學生工程創(chuàng)新能力、實踐能力和團隊合作精神的全國性大學生科技創(chuàng)新實踐競賽活動，無碳小車越障賽是歷屆大賽的主題.無碳小車是一種將重物下落的重力勢能轉換為小車前進的動能來實現(xiàn)小車行走的裝置[1].小車結構采用三輪形式，具有轉向控制機構，且該機構具有可調節(jié)功能[2].大賽中要求小車能沿S形曲線繞樁前行，自動避開賽道上設置的障礙物，運行距離越長，繞過的樁數(shù)越多，小車的性能就越優(yōu)越.小車的設計、加工及調試對小車性能起決定性作用.實踐證明，小車的調試環(huán)節(jié)對小車性能的影響更加明顯，因此尋求一種高效率的調試方案，就顯得尤為重要,為此設計了無碳小車數(shù)字化調試系統(tǒng).

1數(shù)字化調試系統(tǒng)總體設計

數(shù)字化調試系統(tǒng)由便攜式無碳小車調試分析儀和計算機數(shù)據處理調試平臺兩部分組成.便攜式無碳小車調試分析儀通過數(shù)據的采集和計算實現(xiàn)對無碳小車運行周期的調試,同時將采集到的數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據儲存系統(tǒng)，便于與計算機數(shù)據處理調試平臺進行數(shù)據傳輸.當計算機數(shù)據處理調試平臺接收到調試數(shù)據后，進行處理分析，給出最佳軌跡調試方案.兩者之間通過數(shù)據傳輸，共同完成對無碳小車的調試任務，其總體開發(fā)框架如圖1所示.

圖1　無碳小車智能調試系統(tǒng)開發(fā)框架圖

2硬件設計

無碳小車調試分析儀結構框圖如圖2所示，計算機數(shù)據處理調試平臺如圖3所示.

圖2　便攜式無碳小車調試分析儀結構框圖

圖3　計算機數(shù)據處理調試平臺

2.1微控制器選取

中央控制電路是整個系統(tǒng)的核心，本設計采用16位的MC9S12XS128單片機作為控制單元.對使用的各個基本模塊進行了初始化配置，通過對相應數(shù)據寄存器或狀態(tài)寄存器的讀寫，實現(xiàn)其相應的功能.在最小系統(tǒng)板中，將所有引腳通過排針引出，方便在擴展板上直接插拔，這樣的設計有利于保護單片機，避免在調試電源模塊時將單片機燒毀.同時最小系統(tǒng)板上包含了MCU正常工作的電路，如時鐘電路、復位電路、電源指示燈、鎖相環(huán)濾波電路和BDM調試接口等，實現(xiàn)了整個硬件電路的模塊化.

2.2超聲波測距傳感器和角速度傳感器

HC-SR04具有20～25 000mm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達1mm，包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路模塊.

角速度傳感器利用投射式光電傳感器采集小車兩后輪速度特性，利用超聲波傳感器采集運行周期誤差[3-4].

2.3顯示元件和語音系統(tǒng)

顯示元件選用Nokia5510點陣型LCD，其引腳SDIN、SCLK、D/C、SCE直接與單片機連接，用來顯示小車當前的運動狀態(tài)和超聲波所測得的距離.語音播報系統(tǒng)選用LMD102語音模塊，具有穩(wěn)定可靠、可重復錄音的特點，其主要控制放音方式有兩種：通過4組觸點控制、單片機串行總線控制.

2.4數(shù)據儲存系統(tǒng)

由于需要處理的數(shù)據量較大，所以選用SD卡儲存系統(tǒng)，采用SPI操作模式，接口簡單,移植也方便,速度較快，使用高速的SPI模式1M/s很容易達到.

3算法實現(xiàn)

本文采用冒泡排序法對采集數(shù)據進行排序[5]，從而為格拉布斯(Grubbs)準則在程序上的實現(xiàn)提供了保障.在數(shù)據處理上采用格拉布斯(Grubbs)準則對壞值進行剔除，并根據最小二乘法輸出數(shù)據的算術平均值.在軟件設計上，結合MATLAB仿真平臺進行了大量的底層處理，從而選出最合理的優(yōu)化方案[6].

3.1軌跡調試

軌跡調試主要是利用MATLAB軟件將便攜式調試分析儀的測量數(shù)據讀取出來，作出兩后輪的速度曲線進行分析，以排除打滑或急回等現(xiàn)象[7].測試時首先根據無碳小車機械結構和轉向原理示意圖(如圖4所示)建立無碳小車運動數(shù)學模型[8].

圖4　小車轉向原理圖

當前輪轉角為θ時，可以根據前后軸距求出小車當前的轉彎半徑

(1)

式中：L為小車的軸距;θ為小車的轉角;ρ為后輪轉彎半徑.

轉向角速度為

(2)

兩后輪的速度為：

(3)

(4)

利用MATLAB繪出兩后輪的速度函數(shù)圖像，如圖5所示.

圖5　理想速度特性曲線

本設計建立在圖5理想運動函數(shù)圖像的基礎上，在小車運行過程中，通過光電式傳感器采集兩后輪的轉速，并通過MATLAB繪制出實際運行時的速度函數(shù)圖像，如圖6所示.

(a)情況1

(b)情況2圖6　實際運行時的速度圖像

(1)若出現(xiàn)圖6(a)中所示情況，則可判定小車在運行過程中右輪出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象，并非車體結構出現(xiàn)問題，不需要進行調整.

(2)若出現(xiàn)圖6(b)中所示情況，則可判定小車驅動系統(tǒng)中的四桿機構存在急回現(xiàn)象，必須調試曲柄高度等來糾正小車運行軌跡.

3.2周期調試

無碳小車在軌跡調試合理的同時還必須有合適的周期，這就需要對周期進行調試.本文通過測量8個周期計算偏差距離，然后根據此偏差值進行調試.另外，由于周期的測量需要有較高的精度，因此在測量時要使測量值盡可能接近真值.

為提高測量的可靠性，每次測量，超聲波傳感器都采集100個數(shù)據，首先采用格拉布斯(Grubbs)準則剔除可疑數(shù)據[9-10]，具體步驟如下：

(1)對采集的100個數(shù)據從小到大排序.

(5)

(6)

(4)計算最大與最小偏差ν1,ν2.

(5)對以上剔除后的數(shù)據重復步驟(1)～(4)，直到不再存在壞值時為止.

求解剩余后的數(shù)據的最佳值方法如下：

設等精度測量的測量值為l1，l2,…，ln，假設存在一個最佳值L，各值與最佳值之間的偏差為νi，則ν1=l1-L，ν2=l2-L，…,νn=ln-L.由或然率方程

(7)

式中:y為概率密度；Δ為隨機誤差；σ為為標準誤差，其中：

(8)

式中:n為測量次數(shù).

可知，偏差為νi的li概率密度分別為：

(9)

(10)

…

(11)

根據概率論，測量值l1，l2,…，ln同時出現(xiàn)的概率密度為各測量值出現(xiàn)概率密度的乘積[11]，即

(12)

l2-L，…，νn=ln-L代入，得

(13)

Q為最小值的條件為

(14)

式(14)對L微分可得

(15)

由此可知，對剔除壞值后的剩余數(shù)據取算術平均值即為最佳值.

使用該系統(tǒng)進行周期測量，只需調試者在規(guī)定周期處手持分析儀面對發(fā)車點方向，利用超聲波傳感器進行距離測量，便攜式調試分析儀中微控制器便會提取測量數(shù)據進行自動計算，并根據計算結果自動給出最佳調試方案，并進行語音播報，使調試者能在最短時間內將周期調整到合適大小.

4總結與展望

在無碳小車機械設計方面，改進了電路的搭建方式等，使得散熱困難、耗電量大的問題基本解決.在硬件方面主要是對超聲波傳感器進行了改進，使用橋路補償方法，提高了測量的精確度，通過建模和仿真，最終確定使用格拉布斯準則對超聲波采集數(shù)據進行處理.在圖像采集和圖像處理方面，以MC9S12XS128單片機為核心，結合光電式傳感器的安裝設計了合理的采集方法，并對采集的圖像進行處理，降低了干擾.

無碳小車數(shù)字化智能調試系統(tǒng)的研究中還有許多需要改進的地方：(1)本文的無碳小車運動模型是在理想情況下建立的，其實際情況要復雜的多，由于所建立的模型過于簡單，因此研究如何進一步改進算法是十分有必要的.(2)本設計中，在與計算機數(shù)據通訊時，需要插拔SD卡，過程沒有做到最簡化.在以后的研究中，還需考慮使用無線傳輸技術實現(xiàn)“便攜式無碳小車調試分析儀”與“計算機數(shù)據處理調試平臺”的數(shù)據通訊.

參考文獻:

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(編輯：郝秀清)

The design of carbon free car digital debugging system

LIU Xiu-qing, BIAN Yu-shuai, WAN Shu-hao, LI -Yang

(School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:In National Contest of Engineering Training for Comprehensive Abilities for College Students，the traditional debugging methods of S type steering motion carbon-free car-track marking method has many shortcomings,such as workload,inefficiency,so we design the carbon-free car digital debug system.It is composed of two parts: the portable debugging analyzer of the carbon-free car and the computer data processing platform.They complete the cycle debugging and the trace debugging tasks together through data transmission between them.The hardware uses MC9S12XS128 as the control unit, the data are processed by bubble sort algorithm and Grubbs criterion,and the simulation optimization is based on MALAB platform. Practice has proved that it has revised the blind debugging mode with the feeling into digitized and visualized intelligent debugging,and it has improved the performance of carbon-free car greatly.

Key words:the carbon-free car; digital debugging;MC9S12XS128; bubble sort algorithm; Grubbs criterion

收稿日期：2015-06-16

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新項目(201410433005)

作者簡介：劉秀清， 女，m13953394625 @163.com

文章編號：1672-6197(2016)05-0040-04

中圖分類號：TP391.8

文獻標志碼：A