基于電磁傳感器的智能小車設(shè)計(jì)

譚小剛，張卓然，杜鵬浩

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

智能汽車是安裝有特殊設(shè)備的交通載體，為解決現(xiàn)代城市交通擁擠和堵塞問(wèn)題提供了有效途徑，目前研究的重點(diǎn)為避障、路徑識(shí)別、自主行駛。本智能小車的設(shè)計(jì)背景是：KT板道路中間鋪設(shè)了一條直徑為0.5mm的銅質(zhì)漆包線，漆包線中有頻率范圍為20±2kHz，電流范圍為50～150mA的正弦波信號(hào)，設(shè)計(jì)一款小車能夠正確識(shí)別道路中的銅導(dǎo)線并能巡線行駛。

1 小車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)小車的設(shè)計(jì)背景，制定如下設(shè)計(jì)思路：通過(guò)LC振蕩電路感應(yīng)銅導(dǎo)線中的正弦波信號(hào)，將所得信號(hào)放大，然后輸入到單片機(jī)中的A/D口，通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的分析比較，判斷安裝在車體左側(cè)和右側(cè)的傳感器的采樣電壓值是否相等，以“左邊小，右轉(zhuǎn)；右邊小，左轉(zhuǎn)”的轉(zhuǎn)向原則，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部PWM模塊發(fā)出的一路PWM波，對(duì)轉(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，同時(shí)根據(jù)判斷結(jié)果，以“采樣值對(duì)稱就加速，否則就減速”的速度控制原則，通過(guò)PWM模塊發(fā)出的另外兩路PWM波及由H橋構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)小車進(jìn)行加速和減速控制，另外小車后輪上安裝光電編碼器，采集離合器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)捕獲后再結(jié)合PID算法對(duì)小車進(jìn)行精確的調(diào)速控制，這樣小車便可在道路上自主巡線行駛［1］。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，可將智能小車系統(tǒng)分為電源模塊、核心系統(tǒng)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、速度檢測(cè)模塊、路徑檢測(cè)模塊，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電源模塊：系統(tǒng)主電源由7.2V/2000mA的蓄電池提供，MC9S12XS128單片機(jī)和路徑檢測(cè)模塊需要的供電電壓是5V，用一片普通的LM1084芯片降壓并穩(wěn)壓即可滿足要求，電機(jī)直接用7.2V電壓驅(qū)動(dòng)。關(guān)鍵是舵機(jī)需要供給一個(gè)穩(wěn)定的5.5 V電壓，經(jīng)過(guò)篩選與實(shí)際測(cè)試，選用一片LM1084－ADJ芯片可實(shí)現(xiàn)該目的，設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

核心系統(tǒng)板模塊：采用MC9S12XS128單片機(jī)作為控制器。

轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊：采用北京科宇通博科技有限公司生產(chǎn)的S－D5數(shù)字舵機(jī)。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊：電機(jī)采用車模統(tǒng)一配置的540直流電機(jī)，由2片BTS7960組成的H橋來(lái)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3所示。

速度檢測(cè)模塊：采用OMRON公司的500線光電編碼器，通過(guò)脈沖累加器計(jì)數(shù)來(lái)檢測(cè)小車行駛速度。

路徑檢測(cè)模塊：根據(jù)電磁感應(yīng)原理，采用LC振蕩電路感應(yīng)通電銅導(dǎo)線中的正弦波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)LM833D放大，便可得到穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，設(shè)計(jì)電路原理圖如圖 4 所示［2］。

路徑檢測(cè)傳感器電路只是路徑檢測(cè)的一種理論實(shí)現(xiàn)，要獲得準(zhǔn)確的正弦波信號(hào)，還必須研究電感的布局。

通過(guò)實(shí)踐研究，發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律（為了敘述方便，建立如圖5所示XYZ坐標(biāo)系，且相應(yīng)方向上的感應(yīng)電壓值為 VX，VY，VZ，）［3］：

1）電感軸心平行X方向時(shí)，電感距離直導(dǎo)線越近，VX越大，反之越小。

2）電感軸心平行Y方向時(shí)，電感傳感器對(duì)彎道具有“前瞻性”，能較遠(yuǎn)地感應(yīng)到彎道區(qū)，但在直道上，VY較小，且物理位置對(duì)稱的傳感器其VY不夠?qū)ΨQ。

3）電感軸心平行Z方向時(shí)，從導(dǎo)線上方到跑道邊沿，VZ先增大后減小。

通過(guò)綜合分析，采用布局方式中傳感器參數(shù)線性度好，能較好反應(yīng)電感空間位置與直導(dǎo)線距離的布局方案，即電感“一”字型排布，制作PCB見圖6。

2 智能小車系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)

分析智能小車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，經(jīng)反復(fù)測(cè)試與驗(yàn)證，最終制定了如圖7所示的控制流程圖 。

根據(jù)控制流程圖可知，舵機(jī)模塊和直流電機(jī)模塊的控制是否得當(dāng)直接影響整個(gè)智能小車系統(tǒng)的穩(wěn)定性與快速性，下面分別介紹舵機(jī)模塊PD控制策略和直流電機(jī)模塊PID控制策略。

舵機(jī)的PD控制：轉(zhuǎn)向舵機(jī)的控制由一個(gè)量來(lái)決定，那就是傳感器PCB上物理位置對(duì)稱的一對(duì)水平傳感器的感應(yīng)電壓值經(jīng)過(guò)濾波加權(quán)求平均值處理后所得的偏移量offset，offset的得出：

再根據(jù)offset計(jì)算舵機(jī)的轉(zhuǎn)角PWMDAT：

式中：k1、k2是比例系數(shù)，從理論來(lái)講應(yīng)該是一樣的，可實(shí)際過(guò)程中由于電路板上各處的電磁干擾有差異，所以需根據(jù)實(shí)際來(lái)進(jìn)行微小調(diào)整。同時(shí)為了防止小車在直線上出現(xiàn)震蕩的情況，采用了二次項(xiàng)配合一次項(xiàng)的PD控制公式。

直流電機(jī)的PID控制：直流電機(jī)的PID連續(xù)控制系統(tǒng)如圖8所示［5］。圖8中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分常數(shù)；Td為微分常數(shù)；Xo是信號(hào)偏差為零時(shí)的基準(zhǔn)量；Go（s）是系統(tǒng)固有部分，則時(shí)域方程為

由PID控制系統(tǒng)知該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

令 Kp（TiTds2+Tis+1）/（Tis）=0，則有

通過(guò)式（1）～（3）可知

綜上述可知，該直流電機(jī)PID系統(tǒng)不僅在保證系統(tǒng)型別的前提下使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)由于負(fù)實(shí)數(shù)零點(diǎn)的存在，系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)性能方面也有更大的優(yōu)越性。

實(shí)際也證明，為了達(dá)到較好的速度控制效果，對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)控制是必須的。這里所說(shuō)的速度控制策略是指設(shè)定速度的確定方法——設(shè)定速度主要由道路與直道的偏差來(lái)決定，道路越接近直道，設(shè)定速度越高，反之越低。

整個(gè)速度控制是由兩部分組成的：首先通過(guò)PID公式根據(jù)偏移量得到需要的給定速度，然后通過(guò)給定速度與實(shí)際速度之差再來(lái)給定送給驅(qū)動(dòng)芯片的PWM。

給定速度的計(jì)算直接采用PD控制：

prespeed=presetspeed－abs(PWMDTY01－PWM_MID)/

((PWM_MAX－PWM_MID)/(presetspeed－bendspeed))；

而PWMDTY01的值與各傳感器的偏移量有關(guān)系：

代碼中，presetspeed為用撥碼開關(guān)設(shè)的小車行駛中的最高度，也是直線的速度，PWM_MAXPWM_MID作為比例系數(shù)，根據(jù)不同的偏移量減去相應(yīng)的速度，最后面的是微分部分。

實(shí)際給定的PWM通過(guò)給定速度以及當(dāng)前測(cè)得的速度來(lái)給出：

代碼中，speed為當(dāng)前速度，ek為給定速度與當(dāng)前速度之差，調(diào)速需要的就是將現(xiàn)在的速度盡快變成需要的速度。當(dāng)ek=0時(shí)，給定速度和當(dāng)前速度相同，那么就需要給一個(gè)固定的占空比用以維持當(dāng)前的車速，因此將正反轉(zhuǎn)的條件以ek是否不小于4來(lái)區(qū)別，這個(gè)數(shù)據(jù)最終通過(guò)多次試車觀察效果得到，取決于測(cè)速精度、采樣精度等。

3 結(jié)束語(yǔ)

該電磁智能小車系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，能達(dá)到以下目的：能在直道、彎道、坡道、十字道自主巡線行駛；能準(zhǔn)確識(shí)別起跑線并停車（圖9）。

此智能小車系統(tǒng)也存在不足之處，如用經(jīng)典PID理論控制小車在自適應(yīng)性方面有待進(jìn)一步優(yōu)化。

［1］ 卓晴，黃開勝，邵貝貝.學(xué)做智能車［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［2］ 康華光 .電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.5版.北京：北京高等教育出版社,2005.

［3］李仕伯,馬旭,卓晴.基于磁場(chǎng)檢測(cè)的尋線小車傳感器布局研究［J］ .電子產(chǎn)品世界，2009（12）：41－44.

［4］王宜懷,張書奎,王林,吳瑾.嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐［M］.北京：清華大學(xué)出版社,2011.

［5］ 高國(guó)燊,余文烋,彭康擁,陳來(lái)好.自動(dòng)控制原理 ［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社,2009.