基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車電磁信號檢測與控制方案

張志豪+苗家騉+計易

【摘 要】本文針對電磁循跡智能車問題，提出電磁信號檢測方案，利用模糊控制原理，經(jīng)過PID算法調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了小車穩(wěn)定的尋跡行進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】傳感器算法；電磁傳感器；智能車

引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，可見其研究意義很大。智能車是一個具有環(huán)境感知、規(guī)劃決策等能力的車輛，作為智能車模型車輛，同樣具備了環(huán)境感知的功能。其中，利用電磁原理設(shè)計的智能車就是通過感知賽道中的磁場電場來做出相應(yīng)的判斷，從而自動改變車輛的運行方向。這種車的優(yōu)點在于可以滿足目前綠色節(jié)能環(huán)保的需求。同時市場上目前已有的電磁智能車產(chǎn)品，還存在許多的待解問題，例如路徑檢測不穩(wěn)、行進(jìn)速度較慢等等。為此，我們小組擬在解決以上問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計一款可在算法、穩(wěn)定性、尋跡速度等綜合指標(biāo)較優(yōu)的智能車。本小車采用電磁感應(yīng)來進(jìn)行識別賽道。

1.檢測方案

1.1電磁原理

基于不同物理效應(yīng)的磁測量傳感器很多，要根據(jù)被檢測磁場的性質(zhì)和要求，使用不同的磁場傳感器。感應(yīng)線圈對磁場的變化靈敏度較高，同時也可根據(jù)被測磁場的形態(tài)和分布選定線圈形狀和幾何尺寸[1]。選用靈敏度更高的餞線圈作為識別信號的傳感器。

本設(shè)計中導(dǎo)通過的電流頻率為20kHz，且線圈較小。設(shè)線圖中心到導(dǎo)線的距離為r，并認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的。再根據(jù)圖1所示的導(dǎo)線周圍磁場分布規(guī)律，利用法拉利定律，線圈中圖1無限長直電流r處磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)電動勢可近似為[2]圖1為無限長直電流r處電磁感應(yīng)強(qiáng)度

1.2傳感器原理

我們對于電磁傳感器的選擇上，采用了TLV2463芯片運算放大模塊，該芯片特點是軌對軌運放，單位增益頻帶寬提高，理論放大倍數(shù)提高，理論放大倍數(shù)提高=6.4MHz/20KHz=320

1.3傳感器的數(shù)量與布局

本次第十二屆全國大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車競賽（NXP）對于裝有電磁組別的車輛傳感器數(shù)量限制為16個，其中不包括車輛底部用于檢測起跑賽道的干簧管，所以我們決定把車輛的傳感器數(shù)量定為四個，其布局定為一字型排開的四個10MH直插校正電容，左右各兩個用于接收來自賽道的電磁信號。大致布局如下圖2。

這樣布局的好處就是可以便于處理從賽道上采集的電磁信號，四個電感會得到四個數(shù)據(jù)，對于信號進(jìn)行處理并且顯示在小車上的顯示器，我們可以對于小車進(jìn)行實時參數(shù)調(diào)整，從而更加容易的發(fā)現(xiàn)問題所在。

傳感器的布局主要有一字型與八字型，一字型布局是傳感器最常用的布局形式，即各個傳感器都在一條直線上，從而保證縱向的一致性，使其控制策略主要集中在橫向上。八字型布局是將中間的若干傳感器前置，這樣增加了縱向特性，能夠早一點了解到車前方的道路情況。需要注意的是由于縱向的排列不一致，八字型比一字型增加了多傳感器同時感應(yīng)的可能性，因此，在決定控制策略時，必須要考慮這種情況，同時，我們也可以利用這種情況的發(fā)生來完成一些特定的判斷，如確定彎道的角度等。[4]

2.控制方案

2.1傳感器數(shù)據(jù)處理

我們通把左邊兩個傳感器A和B和右邊兩個傳感器C和D的電磁信號數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后在分別進(jìn)行加權(quán)平均，若AB的加權(quán)平均數(shù)大于CD的加權(quán)平均數(shù)，則說明賽道中心線在小車整體的左側(cè)，則小車需要向右側(cè)偏轉(zhuǎn)來修正。再通過PID算法來進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)向控制，從而使小車能夠沿著賽道跑。

數(shù)據(jù)處理部分采用變參數(shù)的PD算法。軟件設(shè)計初期，僅對最后送入舵機(jī)的轉(zhuǎn)角采用了PD算法。相比僅簡單利用壓差計算轉(zhuǎn)角，在小S彎道處賽車運行更連續(xù)、更加穩(wěn)定。中期進(jìn)行了改進(jìn)，增加了前排傳感器的壓差值的PD運算，進(jìn)一步提高了賽車的連續(xù)性。上述兩次PD算法的參數(shù)由前排壓差值及前排和后排的傳感器壓差得到的斜率而確定。[3]

2.2傳感器信號采集與車速控制

我們設(shè)計了小車的直線加速與彎道減速的功能以便于更加高效地提高車速。大致過程如下流程圖3。

3.評測結(jié)果

根據(jù)以上方案安置的傳感器所采集的數(shù)據(jù)符合我們的要求，小車可以在直線上提速到2m/s，而在過一些小彎時速度會因為傳感器信號變?nèi)醵邓伲械膹澋酪驗檫^彎過快而傳感器出現(xiàn)了信號中斷而誤判為直道的情況，我們將來的解決方案是將傳感器板做長2～4cm，或或者將傳感器數(shù)量從四個變?yōu)榘藗€。

4.結(jié)論

一字形排開的四個工字電感傳感器可以滿足基本的電磁賽道信息的采集，但是由于傳感器數(shù)量不多，限制了傳感器采集的數(shù)據(jù)量，導(dǎo)致了容易出現(xiàn)誤判賽道的情況，下次要解決這一問題就得增加傳感器板的長度與傳感器電感的數(shù)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖勝紅，肖搌坤，邊少鋒，等.弱磁場檢測方法與儀器研究[J].艦船電子工程，2006，26（4）：158-162.

[2][3]楊雪，高成恩，高攀，等.基于電磁場檢測的尋跡智能車系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11（12）：61-64.

[4]高月華.基于紅外光電傳感器的智能車自動尋跡系統(tǒng)設(shè)計[J].半導(dǎo)體光電，2009， 30（1）：134-137.endprint