基于adi系列芯片的模型汽车

12008年度ADI大学生创新设计竞赛设计报告基于ADI系列芯片的模型汽车电子稳定系统ADISeriesICsbasedModelCarESPSystem参赛队：参赛队员：指导教师：2摘要：本项目采用ADI公司的ADSPBF-531处理器、ADuC7026处理器、iMEMS传感器以及ADF7020无线传输模块，结合自主设计的车轮独立制动系统和遥控器，设计实现一种模型汽车电子稳定系统。该系统由无线遥控平台和模型车平台组成。系统对车辆的侧向加速度、偏航率、方向盘转角、轮速等信息进行测量，通过实时分析驾驶者行驶意图和车辆行驶状态，在发生侧滑时对车辆进行姿态控制，保证车辆稳定行驶。本项目将建立基于BlackfinDSP处理器的汽车电子稳定程序（ESP）开发、测试平台系统，有着重要的实际意义和广阔的应用前景。关键词:ESP、AutoCAD、车轮独立制动、ADC、无线通信Abstract:ThisprojectusingADSPBF-533processor,ADuC7026processor,iMEMssensorseriesandwirelesstransmissionmoduleinassociationwithself-designedindependentwheelbrakesystemandremoterachievesamodelcarelectronicstabilityprogram(ESP)testsystem.Thissystemconsistsofwirelesscontrolterminalandmodelcarterminal.Bymeasuringthemodelcar’ssidewardacceleration,yawrate,angularrateandwheelspeed,thissystemwillanalyzethedrivers’intentionandthecar’sdynamicstateinrealtimetokeepthemodelcarrunningstablyunderthedangercondition.ThisprojectwillsetupaBlackfinDSPbasedcarElectronicStabilityProgramdevelopmentandtestplatformanditwillhaveapromisingapplicationprospect.Keywords:ESP,AutoCAD,independentwheelbrake,ADC,wirelesstransmission3目录41.引言本项目通过ADI公司的BlackfinDSP处理器，iMEMs传感器以及无线传输模块构建起系统的电子控制平台，结合自主设计的车轮独立制动装置和经游戏手柄改装的遥控器，实现了集车辆驾驶与ESP控制于一体的电子稳定程序开发测试平台，有着重要的实际意义和广阔的应用前景。在我国，ABS（防抱死制动系统），TCS（牵引力控制系统）等汽车辅助安全系统渐渐广为人知，ESP则很好的解决了汽车侧向打滑的问题，为驾乘者在汽车发生侧滑时提供一定的安全保障。ESP（ElectronicStabilityProgram），中文名称叫电子稳定程序。在不同的企业，不同的车型，具体名字也有所不同，但其原理和作用基本相似。系统由控制单元，方向盘转角传感器，轮速传感器，偏航率传感器，横向/纵向加速度传感器及液压系统组成，ESP是一种智能的主动安全系统。ESP经过传感器时刻监测车辆的行驶状态，并通过计算分析判定车辆行驶方向是否偏离驾驶员的操作意图。ESP能立刻识别出危险情况，并提前裁决出可行的干预措施使车辆恢复到稳定行驶状态。由汽车行驶理论可知，控制汽车的力(牵引力、制动力及转向力等)来自于地面的反作用力，此反作用力的极限值等于车轮与地面间的附着力，若行驶中汽车所需的控制力大于该附着力，则汽车将失去控制。汽车行驶在一定的路面上，车轮与路面间的附着系数一定，其与路面间的附着力也一定。车辆的牵引力(或制动力)与侧向力的合力不得大于附着力，否则车辆将失去稳定。显然，牵引力(或制动力)若增大，则路面可提供的侧向力减小。当车轮与路面间不打滑，侧向附着状态最佳；而当车轮与地面间纯滑动，侧向附着状况最差，车辆转向将无法控制。电子稳定系统通过直接控制作用在4个车轮上的制动力或牵引力，间接改变车轮受到的侧向力及汽车受到的横摆力矩，使汽车的运动方向得到修正。本项目包括平台机械设计和电子控制平台两大部分。机械部分的设计主要在现有1:8油动遥控模型车基础上，采用AutoCAD设计制作了一套轮独立制动装置。电子控制平台部分主要结合模拟传感器技术，在无线遥控平台采用ADSP-BF531作为控制处理器，模型车平台采用ADXRS612陀螺仪和ADXL203两轴加速度传感器，结合AD7928进行模拟采样。平台间通过ADF7020模块进行无线收发。本设计主要应用于汽车安全领域，为车载ESP系统的研究提供一个简易、可行的测试平台。52.系统方案设计目标以ADSP-BF531板为基础，分别作为车载主板和无线遥控器主板，结合ADF7020无线模块以及模拟器件等，实现各种控制信息和车辆行驶信息的采样，传输等功能。在电子稳定程序的辅助下，驾驶者可对车辆进行实时安全的驾驶控制。通过ADF7020无线通信模块实现无线遥控器与车辆间通信，实时传输控制信息，包括方向盘、油门、刹车三个控制量。在通信错误中断时，车载控制系统自动采取制动措施，保证车辆行驶安全。系统启动时对遥控器进行初始化，确保在不同条件下，遥控器能给出正确的控制信息。模型车平台对接受到的控制信息进行校验，确保车辆接受到正确的控制信息。对各传感器信号进行滤波，修正，确保系统获得正确的控制信息。在模型车的基础上，设计制作一套能够4个车轮独立制动的碟刹装置，通过舵机提供制动力，该制动力通过传动装置带动碟刹，制动车轮。模型车平台所搭载ESP系统，保证车辆行驶安全。系统结构系统由无线遥控器平台和模型车平台组成，均以ADSP-BF531为主控CPU用ADF7020无线传输模块进行通信。系统实物图如图1。图1系统实物图61)无线遥控器平台无线遥控器平台由赛车游戏专用游戏手柄改装而成，保留转向、加油、刹车三项控制功能。该平台主要包括方向盘部分和踏板部分。两者核心电子部件均为电位器，当转动方向盘或者踩踏踏板时，相应端口电压改变，通过控制器主板的ADC采样，得到原始控制信息，经ADF7020发送至车载接收端，计算出油门和刹车的控制量，转换为对应宽度PWM信号驱动舵机，实现车辆的驾驶控制。2)模型车平台该平台搭载一块BF531主板，通过ADF7020接收被控信息，控制车辆行驶。对加速度传感器，角速度传感器，霍尔效应传感器进行采样，经滤波，修正之后得到车辆行驶状态参数，由各参数计算出车辆形式状态，分析出车辆是否测滑。当车辆测滑时，由ESP控制程序得出制动信息，驱动所需制动舵机，拉动刹车钳，对某个或多个车轮进行制动，驱使车辆回到正确行驶轨迹。平台连接示方式如图2。图2平台结构机械设计：本项目针对模型车实物，采用AutoCAD设计制作了适合车轮大小的制动装置，主要包括刹车钳，刹车碟，固定装置三部分。由舵机提供制动力，通过钢丝线（外套伞金属软管，类似自行车刹车线）传递制动力拉动刹车钳，产生制动效果。硬件设计：本项目采用自主开发的主板，包括车载与遥控器两部分。车7载部分以ADSP-BF531为处理器，采用两轴加速度传感器ADXL203，陀螺仪ADXRS612，采用电压参考芯片ADR525以及8通道12-bit高精度ADC芯片AD7928完成模数转换模块，采用霍尔效应传感器车辆轮速；遥控器部分采用ADuC7026进行ADC采样，以ADSP-BF531为处理器，与车载部分一起采用ADF7020模块进行数据的无线传输。传感器模块：系统所采用加速度传感器测量范围达，精度达；角速度传感器测量范围达，精度达无线通信模块：系统采用ADI公司的EVAL-ADF7020-1DBZ4无线通信模块，工作频率在400MHz~440MHz，发送波特率最高达50kbps，接收波特率最高达200kbps，循环带宽为50kHz.软件设计：系统采用软件模拟方式，模拟4路PWM信号输出，分别系统特点本系统作为ESP测试系统的一个模拟平台，具有体积小，简易可行的特点。1)采用1:8油动摇空模型车作为测试平台，动力充沛，车辆结构完整。车辆振动噪声类似真车，使测试平台与真实车辆具有可比性。2)根据赛车游戏手柄改装的方向盘遥控器，可模拟真实车辆的转向，加油与刹车控制。3)自主设计制作的，适合测试平台的车轮独立制动装置与真实车辆刹车系统类似。4)系统由舵机提供制动力，由ADSP-BF531处理器软件模拟舵机的PWM控制信号，可调精度达5)采用ADF7020无线传输模块构建通信系统，传输距离达200米，是ADF系列产品在无线控制领域的一次成功应用。6)系统首次将ESP控制算法在ADI系列芯片上实现，具有开创性意义。83.平台设计系统的两大平台均以市场现有游戏娱乐平台改装加工而成。这些游戏娱乐平台与真实车辆的结构、驾驶方式都非常相似，因此可以较真实的对真车进行模拟。以下将对这两个主要平台的设计制作进行介绍。3.1无线遥控制器平台设计1)采用北通168赛车游戏专用手柄，通过拆装，保留手柄的传感器电路作为系统传感器，去掉其他电路及按键功能。2)方向盘转角达±90°，内置弹簧提供扭力，可以自动回到中间状态。踏板提供油门和刹车功能，内置弹簧提供扭力，在无踩踏状态时可自动回到初始值，保持车辆处于怠速状态。3)方向盘与踏板电子结构主要是通过电阻分压的方式，得到不同的控制信号和控制量。分压电路采用3.3v电源驱动，线性分压。方向盘居中时端口电压约为1.2v，左转时端口电压升高，右转时端口电压降低，从而直接将控制信息转换为电压值，经过一路ADC采样得到控制信息。踏板采用相同的采样控制方式分辨刹车和油门，由ADC采样值大小决定控制量度。分压电路如图3所示。图3分压电路因遥控器所需功能与车载主板所需功能可以兼容，故遥控器采用与车载主板相同的PCB板以节约制作成本。主板包括EVAL-ADF7020-1DBZ4接口，利用ADI公司提供的无线模块，实现控制信息的传送。93.2模型车平台设计该平台主要包括一辆1:8油动遥控车，一套车轮独立制动装置和车载控制主板。3.2.1遥控车遥控车采用南大越野1:8油动遥控车，该车采用专用混合油为燃料，配备一冲程发动机，4轮驱动，独立悬挂。车辆通过碟刹装置制动传动轴承实现车辆制动。车载两个控制舵机，一个控制转向，一个控制油门和刹车。车辆时速可达40km／h以上。整车结构与真实车辆相似。主要结构如图5。图4模型车结构3.2.2车轮独立制动装置本项目根据当今车辆普遍采用的“碟刹”，采用AutoCAD设计制作了一套适合车轮大小的独立制动装置。制动力传动装置根据自行车刹车传动装置制作，由大力舵机提供制动力。碟刹装置如图6所示。10图5碟刹装置图7制动装置实物图6碟刹装置实物模型车前轮与后轮连接结构存在差异，刹车装置略有不同，原理相同，故本文只后轮刹车制作进行介绍刹车碟与车轮传动轴咬合，车轮与刹车碟同步旋转。制动产生时，钢丝线（外套伞金属软管）朝刹车钳2拉动刹车钳1。刹车钳1、2夹住刹车碟，产生摩擦力，制动车轮。刹车钳内侧贴有耐磨耐高温的石棉材料，由于石棉摩擦系数较大，可以提供11较大制动力。碟刹装置实物如上图7。制动力产生与传动结构，主要包括伞金属软管、舵机、支架、传动臂，总体结构如下图8所示。伞金属软管内部为螺旋状金属，可弯曲，不可伸缩；中空部分穿过钢丝线，可用于改变制动力传动方向。舵机采用MS995大力舵机，扭力为13kg·m，相应时间为0.16ms。根据模型车外形，设计加工铝材料支架，轻便，满足强度要求，可用于支撑舵机和电路板。传动臂根据舵机旋转头咬合，同步旋转，提供制动力臂。其他连接装置均根据以上零部件设计制作，例如