電磁導(dǎo)航式智能車(chē)控制系統(tǒng)研究

侯代坡，孔琳琳，王 爍，楊 成，韓致信

（1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽以汽車(chē)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)為背景，采用MC9SXS128微控制器作為核心控制模塊，主要針對(duì)電磁導(dǎo)航方式中道路檢測(cè)傳感器模塊的設(shè)計(jì)，以及軟件去除零點(diǎn)漂移方法進(jìn)行討論；為檢測(cè)引導(dǎo)線(xiàn)與車(chē)體的相對(duì)位置，傳感器模塊設(shè)計(jì)了6個(gè)基本檢測(cè)單元，使基本檢測(cè)單元均勻分布在車(chē)體的前方成一字排布。電磁導(dǎo)航技術(shù)相對(duì)于圖像檢測(cè)方式和光電檢測(cè)方式而言，具有抗干擾能力強(qiáng)、精度和可靠性高的特點(diǎn)。傳感器輸出信號(hào)為連續(xù)的模擬信號(hào)，易于實(shí)現(xiàn)智能車(chē)巡線(xiàn)的精確控制，更有益于增進(jìn)高校學(xué)生對(duì)智能車(chē)的研究與探索。

通過(guò)傳感器檢測(cè)信號(hào)值的大小，并進(jìn)行比較，判斷引線(xiàn)的初步位置，最后通過(guò)一系列算法得出其精確位置。建立智能車(chē)自動(dòng)循線(xiàn)控制系統(tǒng)，使其具備自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)循線(xiàn)和車(chē)速自動(dòng)調(diào)整等功能。

1 檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

智能車(chē)對(duì)起始線(xiàn)的檢測(cè)采用干簧管串聯(lián)方式，使用串聯(lián)方式可以提高檢測(cè)精度和靈敏度，易于實(shí)現(xiàn)干簧管的對(duì)稱(chēng)布置。道路引線(xiàn)檢測(cè)傳感器的驅(qū)動(dòng)電壓和轉(zhuǎn)向舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓都為5V，直流電機(jī)電壓（電池兩端電壓）為7.2V。采用7805，7806或2940穩(wěn)壓芯片。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用BTS7960，2片同時(shí)使用，用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

智能車(chē)導(dǎo)航采用的是20kHz不斷變化的正弦交流電，該電磁波屬于甚低頻電磁波。采用電磁感應(yīng)線(xiàn)圈方案，其原理簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、頻率響應(yīng)快和電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

放大電路采用LC震蕩電路檢測(cè)交變磁場(chǎng)，弱信號(hào)經(jīng)放大電路放大，再經(jīng)檢波電路的檢波，得到直流信號(hào)傳輸給單片機(jī)A／D模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖1所示。探頭采集到的信號(hào)為毫伏級(jí)正弦信號(hào)，因此要對(duì)其放大整流。由于微處理器A／D接口采樣電壓范圍為0～5V，取放大倍數(shù)為100。該電路前一級(jí)運(yùn)算放大器對(duì)前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，因此對(duì)前后級(jí)電路起到緩沖隔離作用。后級(jí)運(yùn)算放大器起到電壓放大作用后，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管，根據(jù)發(fā)光二極管的亮度指示傳感器檢測(cè)交流磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。

圖1 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的電路

2 傳感器布局方式

2.1 傳感器布局方式設(shè)計(jì)

由于導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)分布為[1]：

由此得：

對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)直流來(lái)說(shuō)，上式中θ2＝0，θ1＝π，則有：

并且磁力線(xiàn)的方向垂直于導(dǎo)線(xiàn)平面以導(dǎo)線(xiàn)為軸的一系列同心圓。同一圓上的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同。

在水平面內(nèi)取與導(dǎo)線(xiàn)垂直于探頭的方向?yàn)閄方向，與導(dǎo)線(xiàn)平行的方向?yàn)閅方向，豎直方向?yàn)閆方向，在同一高度情況對(duì)水平位置信號(hào)進(jìn)行測(cè)試得出如下結(jié)論[2]。

如圖2所示，導(dǎo)線(xiàn)周?chē)艌?chǎng)的強(qiáng)弱為一左右對(duì)稱(chēng)圖像，因此可用X方向調(diào)整車(chē)體的位置，調(diào)整轉(zhuǎn)向舵機(jī)角度的大小。

圖2 線(xiàn)圈軸線(xiàn)（X軸）信號(hào)

傳感器與賽道水平垂直放置，并且均勻分布于賽道前端。均布放置可以使得每個(gè)傳感器檢測(cè)過(guò)程中都能檢測(cè)到數(shù)據(jù)，并且通過(guò)傳感器的值不同，得到導(dǎo)線(xiàn)的初步位置，然后將數(shù)據(jù)傳入微處理器，通過(guò)進(jìn)一步分析得出道路中心精確位置，從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角的大小，使智能車(chē)在預(yù)定軌道行駛[3]。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1和圖3可知，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)處于兩傳感器中央時(shí)，A／D采樣信號(hào)差值（Ed值）為0；當(dāng)將導(dǎo)線(xiàn)往左移時(shí)，Ed值小于0；當(dāng)將導(dǎo)線(xiàn)往右移時(shí)，Ed值大于0。因此，導(dǎo)線(xiàn)位置在0～30cm之間變化時(shí)，A／D采樣信號(hào)差值與探頭中心距導(dǎo)線(xiàn)距離為單調(diào)函數(shù)。由此，利用A／D采樣后信號(hào)差值大小確定賽道中線(xiàn)位置，起到導(dǎo)航作用。

表1 A／D采樣后信號(hào)差值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件主要功能與框架

智能車(chē)軟件控制設(shè)計(jì)中，主要包括系統(tǒng)初始化、獲取A／D值、數(shù)據(jù)檢測(cè)、去除最大最小值、數(shù)據(jù)歸一化處理、求均值、計(jì)算智能車(chē)車(chē)體位置和智能車(chē)方向控制等。

軟件的主要功能有車(chē)體運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、電機(jī)PWM輸出、車(chē)體速度控制、車(chē)體方向控制、車(chē)體運(yùn)行流程控制、程序初始化、車(chē)模啟動(dòng)與停止控制、狀態(tài)顯示、上位機(jī)監(jiān)控和參數(shù)設(shè)定等。

智能車(chē)控制系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 智能車(chē)控制系統(tǒng)軟件流程

3.2 軟件分段插值標(biāo)號(hào)算法

根據(jù)圖3所示，A／D采樣后信號(hào)差值的大小，與探頭中心距導(dǎo)線(xiàn)的距離成單調(diào)分布規(guī)律，由此，可建立智能車(chē)方向控制策略[4]。利用左右對(duì)稱(chēng)的6個(gè)傳感器，來(lái)判別道路中心位于6個(gè)傳感器的哪個(gè)區(qū)間。將6個(gè)傳感器由左至右進(jìn)行編號(hào)｛A，B，C，D，E，F(xiàn)｝，在微處理器中對(duì)6個(gè)傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)值進(jìn)行比較，得出最大值和次大值，從而判斷出道路大體中心位置。此時(shí)得到的中心位置為6個(gè)傳感器區(qū)間位置，為了控制的精確性，在6個(gè)區(qū)間之內(nèi)采用插值標(biāo)號(hào)的控制算法。由于兩傳感器檢測(cè)信號(hào)差值成單調(diào)分布規(guī)律，所以在每個(gè)區(qū)間內(nèi)根據(jù)圖3所示進(jìn)行分段插值，可根據(jù)實(shí)際需要將插入值分為3個(gè)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角相應(yīng)增加。為了控制的連續(xù)性，也可將插入值分為3～6個(gè)不等，實(shí)驗(yàn)證明，4個(gè)插入值即可滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向需要。然后對(duì)插入值由左至右進(jìn)行編號(hào)，每個(gè)編號(hào)對(duì)應(yīng)不同的舵機(jī)轉(zhuǎn)向角。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了電磁導(dǎo)航智能車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)，從硬件和軟件的角度進(jìn)行了詳細(xì)論述，提出了一種簡(jiǎn)單高效的方向控制算法，實(shí)驗(yàn)證明，此方案具有良好的穩(wěn)定性和精確性。采用此控制算法在第六屆“全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)大賽”中獲得西部賽區(qū)決賽二等獎(jiǎng)。但該方案還有改進(jìn)之處，比如軟件算法分段插值可以改為連續(xù)性控制方案，也可以增加道路情況預(yù)判策略。

[1]張昊飏，馬 旭，卓 晴.基于電磁場(chǎng)檢測(cè)的尋線(xiàn)智能車(chē)設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2009，16（11）：152-155.

[2]李仕伯，馬 旭，卓 晴.基于磁場(chǎng)檢測(cè)的尋線(xiàn)小車(chē)傳感器布局研究[J].電子產(chǎn)品世界，2009，16（12）：41-44.

[3]馬 蕾，王榮本.智能車(chē)輛導(dǎo)航控制技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34（4）：582-586.

[4]胡廣書(shū).數(shù)字信號(hào)處理—— 理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.