基于藍(lán)牙傳輸?shù)闹悄苘囆盘?hào)檢測系統(tǒng)研究*

緱新科，王能才，李冬冬

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

電磁導(dǎo)航智能車輛，是一個(gè)集環(huán)境感知、信息處理和速度控制等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感器、信息融合、通信及自動(dòng)控制等技術(shù)，具有道路障礙自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)控制、自動(dòng)保持安全距離和車速以及巡航控制等功能。以往的電磁導(dǎo)航智能車程序調(diào)試都采用BDM調(diào)試器有線調(diào)試，且智能車在行駛時(shí)導(dǎo)航線與車體的相對(duì)位置不能實(shí)時(shí)顯示出來，智能車很難根據(jù)采集的路況信息進(jìn)行速度分配，不便于尋找速度給定的最優(yōu)解。本文設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙傳輸?shù)男盘?hào)檢測系統(tǒng)，可以通過LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)PC與單片機(jī)無線通信，避免了程序調(diào)試員每改變一次參數(shù)都要進(jìn)行智能車與PC的有線連接，減少了參數(shù)整定的工作量，并可以將電磁傳感器采集的信息實(shí)時(shí)顯示出來，為路徑磁場信號(hào)的檢測與智能車速度的給定提出了一種更加便捷的方法。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

基于藍(lán)牙傳輸?shù)闹悄苘囆盘?hào)檢測系統(tǒng)由下位機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1的上半部分是系統(tǒng)的下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)硬件系統(tǒng)使用模塊化的設(shè)計(jì)思想。下位機(jī)系統(tǒng)以Freescale公司的MC9S12XS128單片機(jī)為核心控制器，系統(tǒng)由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、起跑線檢測模塊、信號(hào)檢測模塊、測速模塊、舵機(jī)控制模塊、LED狀態(tài)顯示模塊、藍(lán)牙發(fā)射模塊A和藍(lán)牙接收模塊B 9大模塊構(gòu)成。圖1的下半部分是系統(tǒng)的上位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，也是數(shù)據(jù)的接收、分析、顯示和發(fā)送終端，系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用LabVIEW 2012虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件開發(fā)系統(tǒng)上位機(jī)程序。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

智能車首先通過藍(lán)牙模塊將程序燒寫到單片機(jī)MC9S12XS128中，指導(dǎo)干簧管對(duì)起跑線進(jìn)行檢測。當(dāng)小車開始起跑時(shí)，電磁傳感器對(duì)賽道磁場信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集的信號(hào)經(jīng)選頻、放大、檢波之后送入MC9S12XS128進(jìn)行處理，提取小車和導(dǎo)線的位置關(guān)系后，計(jì)算出小車偏離導(dǎo)線的偏差，使用PID控制算法對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。用編碼器反饋回來的脈沖數(shù)檢測小車的速度，通過模糊PID控制與Bang-Bang控制相結(jié)合的控制思路對(duì)電機(jī)使用速度控制。在小車行駛過程中，下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線互傳，并在LabVIEW構(gòu)建的數(shù)據(jù)檢測平臺(tái)中顯示和存儲(chǔ)，以及根據(jù)處理的結(jié)果對(duì)控制算法中的各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試。

2 智能車信號(hào)檢測的原理與方法

2.1 路徑導(dǎo)航信號(hào)的建立[1]

根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流會(huì)在其周圍產(chǎn)生交變的電磁場，智能車導(dǎo)航的信息源就是賽道中心線位置處通有100 mA交變電流的銅導(dǎo)線，交流電流的頻率是20 kHz，其產(chǎn)生的電磁波的頻率是 20 kHz，波長為15 km。

由畢奧-薩法爾定律知，對(duì)于無線長直導(dǎo)線來說，距離導(dǎo)線r處P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

根據(jù)法拉第定律，電磁感應(yīng)線圈的內(nèi)部感應(yīng)電壓E與磁場 B（t）、線圈的圈數(shù) N、橫截面積 A的關(guān)系為：

感應(yīng)電動(dòng)勢的方向可以用楞次定律來確定。

令電磁感應(yīng)線圈中心到銅導(dǎo)線的距離為r，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的，則電磁感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢可近似為：

即電磁感應(yīng)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小正比于電流的變化率，反比于電磁感應(yīng)線圈中心到銅導(dǎo)線的距離。其中，常量K為與電磁感應(yīng)線圈擺放方法、電磁感應(yīng)線圈面積有關(guān)的一個(gè)量，具體感應(yīng)電動(dòng)勢常量須實(shí)際測定來確定。

2.2 傳感器的選擇

由于電感線圈測量范圍廣，理論上只要加上合適的諧振電容和放大電路，不但能夠篩選出特定頻段進(jìn)行放大，而且有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此選取工字型電感傳感器。它具有價(jià)格便宜、原理簡單、頻率響應(yīng)快、體積小和電路實(shí)現(xiàn)簡單等特點(diǎn)[2]，并且能在100 mA直導(dǎo)線電流旁檢測到峰峰值為40 mV的電壓值，能夠滿足磁場信號(hào)檢測的要求。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

從檢測原理可以知道，測量磁場核心是檢測線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值，本設(shè)計(jì)從感應(yīng)線圈、信號(hào)選頻放大和檢波3個(gè)方面對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)際電路原理圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

2.4 電磁感應(yīng)線圈在磁場中的特性

通電銅導(dǎo)線周圍的磁場是一個(gè)矢量場，約定智能車前進(jìn)的方向?yàn)閅軸正方向，順著Y軸的右手邊為X軸正方向，Z軸指向小車的正上方，場的分布如圖3所示。

水平線圈是指電感線圈的軸線平行于Z軸，垂直線圈是指電感線圈的軸線平行于X軸，則這兩個(gè)線圈可以感應(yīng)磁場向量的兩個(gè)垂直分量，進(jìn)而可以獲得磁場的強(qiáng)度與方向。顯然，垂直線圈感應(yīng)的是變化率，水平線圈感應(yīng)的是變化率。

由式（1）可以推出：

其中，電磁感應(yīng)線圈中心軸線距離地面的垂直距離為h，水平距離為 x，則由式（3）可得豎直線圈 E正比于，水平線圈E正比于。為了確定傳感器的布局，需對(duì)電感線圈的排布高度進(jìn)行相應(yīng)的分析，分別取h 為 4、6、8、10、12，在 LabVIEW 中調(diào)用 MATLAB 對(duì)水平和豎直放置的傳感器采集的感應(yīng)電壓進(jìn)行仿真，得到感應(yīng)電壓E與水平偏移量之間的關(guān)系如圖4、圖5所示。

圖4 豎直線圈E與x的關(guān)系

圖5 水平線圈E與x的關(guān)系

根據(jù)對(duì)圖4、圖5分析得出，豎直線圈的感應(yīng)電壓是x的偶函數(shù)，在 Y軸兩側(cè)單調(diào)，且在 0點(diǎn)處，h越大，感應(yīng)電壓E越??；水平線圈的感應(yīng)電壓E是x的奇函數(shù)，在Y軸兩側(cè)無單調(diào)關(guān)系；水平線圈適合做x的正負(fù)判斷，豎直線圈適合算x的具體數(shù)值，水平線圈比豎直線圈衰減慢得多，說明水平線圈對(duì)遠(yuǎn)處道路狀況比較敏感，可以用來預(yù)測前方的彎道。

2.5 傳感器排布的設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁感應(yīng)線圈在磁場中的特性可知，豎直線圈可以容易得出智能車與銅導(dǎo)線的相對(duì)位置，理論上采用雙垂直線圈就可以判斷出銅導(dǎo)線的位置，然而為了提高檢測的精度，精確地控制小車，可以適當(dāng)增加傳感器的個(gè)數(shù)與合理調(diào)試傳感器安放的高度來實(shí)現(xiàn)。檢測發(fā)現(xiàn)，電感線圈的排布不能太密，傳感器太多則相互間干擾較大，太少則降低了檢測的精度。初步選定了用4只傳感器來對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行位置測量，4個(gè)垂直線圈平均間隔一字排開，分別是左右各兩個(gè)對(duì)稱分布。由圖5可知，傳感器安放得越高，感應(yīng)電壓越小，又由于路徑中設(shè)有5 mm高的障礙，智能車在經(jīng)過障礙時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，從智能車的穩(wěn)定性考慮，選取6 cm高度時(shí)，智能車經(jīng)過障礙路徑時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)在0.8 mm內(nèi)，傳感器所測得的感應(yīng)電壓變化很小，抖動(dòng)對(duì)傳感器正確識(shí)別路徑不會(huì)產(chǎn)生太大影響，因此，在布置傳感器時(shí)選用6 cm的高度。

經(jīng)過實(shí)際車模運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種布置方案車模從進(jìn)彎道到出彎道，舵機(jī)做了兩次擺角，最后一次擺角是在傳感器出彎9 cm時(shí)才做出的，這時(shí)，垂直放置傳感器的中心線與導(dǎo)線的夾角為65°，與導(dǎo)線的偏差比較大，若車模以2.5 m/s的速度在小彎道運(yùn)行，很容易沖出賽道，即一旦傳感器轉(zhuǎn)彎出外時(shí)，由于信號(hào)較弱小車出現(xiàn)亂擺，那么小車將失去控制。分析得出這種布置方案使得智能車的前瞻性太小，導(dǎo)致入彎時(shí)速度減得過多，出彎時(shí)舵機(jī)的反應(yīng)又太慢，舵機(jī)不能及時(shí)偏轉(zhuǎn)，不宜采納。

由圖5可知，水平線圈對(duì)遠(yuǎn)方路況比較敏感，可以感知路況的變化趨勢，通過對(duì)彎道處磁場的分析，在以上傳感器布置方案的兩端再各放置一個(gè)水平線圈，用來對(duì)彎道進(jìn)行前瞻。經(jīng)實(shí)際車模驗(yàn)證，變更傳感器擺放的方向和角度，可以在原來傳感器位置的基礎(chǔ)上前瞻15 cm～20 cm，如果電感線圈的直徑加大一倍，則可以做到前瞻35 cm，下稱“大前瞻”。盡管放置水平線圈可以增大小車的前瞻性，但隨之也帶來了新的問題，那就是在大前瞻的布局下，智能車在通過十字交叉賽道時(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的抖動(dòng)，智能車的穩(wěn)定性受到影響。通過對(duì)十字交叉路徑處場強(qiáng)分析，得出抖動(dòng)原因就在于十字交叉點(diǎn)出現(xiàn)了場強(qiáng)疊加，場強(qiáng)的水平分量與豎直分量都增大了很多，使得原場強(qiáng)的大小與方向都發(fā)生了變化，這種抖動(dòng)對(duì)大前瞻來說是一個(gè)嚴(yán)重的干擾。雖然經(jīng)過軟件處理之后小車能夠順利通過十字交叉口，但不可避免會(huì)有少許抖動(dòng)。這樣既影響小車的穩(wěn)定性，也使行進(jìn)速度有一定下降，速度過慢，從而大大影響了智能車的平均速度。從智能車的穩(wěn)定性考慮，將兩個(gè)水平線圈采用軸線與小車前進(jìn)方向一致的擺法，這樣小車在十字交叉處幾乎不受干擾，但這樣的前瞻在10 cm以內(nèi)，前瞻性非常小，滿足不了小車高速運(yùn)行時(shí)對(duì)彎道的判斷，因此此種布局方案還需進(jìn)一步改進(jìn)。

由于單排傳感器檢測的磁場信息單一，而雙排傳感器檢測的信息很豐富，既可以通過判斷導(dǎo)線的斜率來彌補(bǔ)前瞻的不足，消除抖動(dòng)，也可以合理利用其采集的信息作轉(zhuǎn)角以及速度控制。最終采用了雙排傳感器布置方案，即在小車前輪前方再增加一組軸線與導(dǎo)線垂直的傳感器，傳感器垂直高度為8 cm，左右各一個(gè)對(duì)稱排放。

實(shí)際車模運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，此種方案具有更加精確的位置解算能力，并且利于速度控制。

3 磁場信號(hào)數(shù)據(jù)的藍(lán)牙傳輸

3.1 藍(lán)牙與上位機(jī)和下位機(jī)接口設(shè)計(jì)

智能車信號(hào)檢測系統(tǒng)選用的藍(lán)牙模塊是HH-W公司的 BT10-04， 單片機(jī)選用 Freescale公司的MC9S12XS128。BT10-04藍(lán)牙模塊采用CSR藍(lán)牙芯片，其為藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；1位數(shù)據(jù)起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無檢驗(yàn)位；頻率為 2.4 GHz；內(nèi)置 USB轉(zhuǎn)串口模塊，可以直接與電腦USB連接，數(shù)據(jù)以串行傳輸方式發(fā)送和接收，收發(fā)模塊自動(dòng)發(fā)送尋求信號(hào)進(jìn)行配對(duì)鏈接，鏈接成功后主機(jī)和分機(jī)的功能完全相同；配對(duì)密碼為1234；RXD與TXD分別為5 V數(shù)據(jù)接收端和數(shù)據(jù)發(fā)送端，可直接與單片機(jī)連接。藍(lán)牙傳輸模塊接口電路如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙傳輸模塊接口電路

上位機(jī)與下位機(jī)無線通信的基本過程是：首先打開藍(lán)牙轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇藍(lán)牙通信，下位機(jī)通過藍(lán)牙發(fā)射模塊A將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，上位機(jī)藍(lán)牙接收模塊A接收到下位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)化為符合RS-232協(xié)議的電平信號(hào)并輸出，利用計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行通信口及Windows操作系統(tǒng)中集成的串口驅(qū)動(dòng)程序，便可與上位機(jī)建立通信鏈接，然后利用LabVIEW 2012集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)串口控制程序，并在串口配置中設(shè)置“停止位”為 1.0，“波特率”為 19 200 b/s，“數(shù)據(jù)比特”為8，“采樣點(diǎn)數(shù)”為300。當(dāng)需要將程序燒寫到單片機(jī)時(shí)，首先在PC上插上藍(lán)牙主機(jī)模塊B，等待連接成功后，先發(fā)送一個(gè)指令給單片機(jī)，使智能車停止運(yùn)行，然后再發(fā)送程序文件，這樣就實(shí)現(xiàn)了程序的無線燒寫。

3.2 磁場信號(hào)的檢測與處理

信號(hào)采集包括硬件部分和軟件部分。硬件部分由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、藍(lán)牙傳輸模塊和單片機(jī)硬件系統(tǒng)構(gòu)成。軟件部分使用LabVIEW 2012開發(fā)上位機(jī)程序，其功能主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收、存儲(chǔ)、顯示、處理和提供人機(jī)交互界面。系統(tǒng)整體界面設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)整體界面設(shè)計(jì)

運(yùn)行“基于藍(lán)牙傳輸?shù)碾姶艑?dǎo)航智能車路徑信號(hào)采集與分析平臺(tái).EXE”程序，在程序主界面中選擇“信號(hào)采集”選項(xiàng)卡，在“串口名稱”下拉列表中選擇與藍(lán)牙接收模塊對(duì)應(yīng)的串口號(hào)，分別輸入采集者姓名、性別、年齡信息和時(shí)間信息。單擊工具欄上的“運(yùn)行”按鈕，此時(shí)采集設(shè)備處于連接狀態(tài)，單擊“采集”按鈕，系統(tǒng)開始采集電磁傳感器信息并將8個(gè)傳感器的感應(yīng)電動(dòng)勢與導(dǎo)線的相對(duì)位置實(shí)時(shí)顯示出來。

信號(hào)檢測的目的就是要判斷導(dǎo)線的位置以及根據(jù)路況信息對(duì)智能車進(jìn)行速度分配。由于模擬檢測法空間分辨率可達(dá)3 mm，而且當(dāng)導(dǎo)線電流不穩(wěn)定時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，因此采用模擬檢測法，即將采集回來的A/D值進(jìn)行合理運(yùn)算之后來判斷智能車和導(dǎo)線之間的位置。

圖7所示的圖形是8個(gè)傳感器在5 s時(shí)間內(nèi)分別采集回來的A/D值，由圖7可以看出，經(jīng)過藍(lán)牙無線傳輸采集的磁場數(shù)據(jù)信號(hào)與圖5，圖6 MATLAB仿真磁場信號(hào)波形一致，1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)圖為豎直安置的傳感器采集的感應(yīng)電動(dòng)勢與水平偏移量之間的關(guān)系圖，2號(hào)與5號(hào)圖為軸線與小車前進(jìn)方向一致安置的傳感器采集的感應(yīng)電動(dòng)勢與水平偏移量之間的關(guān)系圖。

A/D值的具體處理如圖8所示。

圖8 A/D值處理流程圖

由圖8流程圖得出有效的控制序列后，將兩個(gè)最大的A/D值取出來對(duì)10取余得到它們對(duì)應(yīng)的序號(hào)，這樣就確定了哪兩個(gè)傳感器離導(dǎo)線近，然后根據(jù)這兩個(gè)傳感器A/D值的差值再與之前預(yù)先設(shè)定的A/D值比較，同時(shí)，乘以設(shè)定的距離值就得到了x的坐標(biāo)。

提取智能車和導(dǎo)線之間的位置關(guān)系后，可以確定小車的速度給定策略。當(dāng)智能車偏離導(dǎo)線較少時(shí)，給定一個(gè)較小的回正速度，智能車可以加速行駛；當(dāng)智能車偏離導(dǎo)線較大時(shí)，應(yīng)該給定較大的回正角度和減慢車速。本系統(tǒng)速度的給定使用二次曲線擬合速度的方法。根據(jù)二次曲線的頂點(diǎn)式：

只要輸入3個(gè)坐標(biāo)，就可以得到二次函數(shù)的3個(gè)系數(shù)，進(jìn)而可算得曲線的解析式。利用二次函數(shù)的圖像性質(zhì)來分配速度，即直道速度為 3 m/s，大弧彎道為 2.8 m/s，小弧彎道為2.5 m/s。

本文研究的基于藍(lán)牙傳輸?shù)闹悄苘囆盘?hào)檢測系統(tǒng)將智能車路徑信號(hào)檢測系統(tǒng)和藍(lán)牙技術(shù)相結(jié)合，通過對(duì)電磁信號(hào)的分析，自行設(shè)計(jì)了采集感應(yīng)電動(dòng)勢的信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過改進(jìn)對(duì)傳感器的布局進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了PC與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)的無線互傳，完成了磁場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)在露天普通條件下，最大的通信速率為56 kb/s，最大傳輸距離為10 m，若此距離滿足不了調(diào)試要求，可通過外接射頻功率放大模塊使藍(lán)牙通信距離達(dá)到100 m。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，界面友好，簡單實(shí)用，能有效減少程序調(diào)試者的工作量，為智能車根據(jù)路況信息進(jìn)行速度給定設(shè)計(jì)了一種更加便捷有效的方法。

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