基于K60芯片的雙電磁車追逐運(yùn)動的設(shè)計

吳隆東++姚齊國

摘 要：本文詳細(xì)闡述了基于電磁傳感器的自導(dǎo)航循跡小車的設(shè)計制作過程以及雙車追逐運(yùn)動的算法。控制芯片采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的32位微控制器Kinetis K60，通過10mH電感檢測賽道導(dǎo)線激發(fā)20khz電磁波引導(dǎo)小車行駛，使用編碼器采集小車的速度信息，通過鴛鴦超聲波進(jìn)行兩車之間的通信，設(shè)計了一個準(zhǔn)確靈活的智能循跡的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：Kinetis K60 電磁檢測 超聲波通信

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微電子產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)也得到了很大發(fā)展，與此同時，控制理論與技術(shù)也有了長足的發(fā)展，這一切都推動著智能小車的技術(shù)越來越趨于成熟。

智能小車集中運(yùn)用了計算機(jī)、傳感器、通信、信息、自動控制等技術(shù)來完成環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能，是一個典型的高技術(shù)綜合系統(tǒng)。它的迅速發(fā)展吸引了研究人員的關(guān)注，也促使高校加強(qiáng)了對智能小車的應(yīng)用研究。該設(shè)計就是基于這樣的背景提出的。本文采用了一款性價比高、功耗低的Kinetis K60單片機(jī)作為控制單元，設(shè)計制作了兩臺智能電磁循跡小車，該智能車巧妙地運(yùn)用電磁傳感器檢測技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、超聲波通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)兩車準(zhǔn)確靈活的自動運(yùn)動控制。

系統(tǒng)硬件的設(shè)計

1、智能車整體結(jié)構(gòu)與電源模塊

系統(tǒng)的整體模塊圖示如圖1所示。

智能車電源規(guī)定使用型號7.2V2000mAh Ni-Cd 的電池供電。根據(jù)電源穩(wěn)定性的要求，設(shè)計經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)選型，最終采用LM2940和AMS1117-3.3兩款芯片。兩者都為低壓差線性穩(wěn)壓器件，LM2940最大輸出電流為1A，AMS1117-3.3為輸出可調(diào)穩(wěn)壓器件。選用AMS1117-3.3為單片機(jī)、OLED供電，LM2940為舵機(jī)、驅(qū)動模塊供電。

2、電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動芯片選用BTN7971，它是一款針對電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的完全集成的大電流半橋芯片。驅(qū)動集成電路可進(jìn)行邏輯電平輸入，與微控制器的連接非常簡單，且該驅(qū)動集成電路還具有電流檢測診斷、轉(zhuǎn)換率調(diào)整、死區(qū)時間生成以及過熱、過壓、欠壓、過流和短路保護(hù)。BTN7971只占用較小的電路板空間，為大電流保護(hù)的PWM電機(jī)驅(qū)動提供了一種成本優(yōu)化的解決方案。

智能車系統(tǒng)驅(qū)動板共用4片BTN7971，共同組成了一個全橋。此芯片開關(guān)頻率可以達(dá)到25kHZ，電機(jī)噪聲大和發(fā)熱的問題得到了解決，驅(qū)動能力也有了明顯的提高，反應(yīng)速度加快。

3、電磁檢測傳感器模塊

根據(jù)電磁檢測原理，在通有交變電流的直導(dǎo)線周圍存在電磁場。智能車競賽中路徑導(dǎo)航使用的交變電流為20KHZ，100mA，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。

由于賽道尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波波長，因此在導(dǎo)線附近能夠感應(yīng)到的電磁能量非常少，可以將其視為緩變磁場。設(shè)計按照靜態(tài)磁場的處理方法來獲取導(dǎo)線周圍的磁場分布，從而實(shí)現(xiàn)位置檢測。

無限長直導(dǎo)線周圍的電磁分布為一圈一圈的同心圓，并且強(qiáng)度隨點(diǎn)到通電導(dǎo)線的距離r的增加呈減小趨勢。根據(jù)這個特性，我們可以計算出電磁傳感器距離中心直導(dǎo)線的距離，從而確定小車在賽道上的位置。

綜上分析，電磁傳感器采用線圈最為合適。線圈電感有多種規(guī)格，直徑越大高度越高，在直導(dǎo)線同一位置獲得的電磁能量就越大，傳感器獲得的信號就越強(qiáng)，但是太大的電感會增加傳感器重量，從而引起機(jī)械結(jié)構(gòu)問題。在經(jīng)歷眾多次選型之后，設(shè)計根據(jù)電感諧振頻率公式，采用10mH與6.8nf電容構(gòu)成LC電路來實(shí)現(xiàn)頻選放大比賽場20KHZ交變電流，并以此作為電磁車的路徑導(dǎo)航信號。在直導(dǎo)線通有100mA電流時，它能檢測到峰值為1V 左右的電壓值，能夠滿足控制的要求。

磁信號經(jīng)過電感采集之后，需要對信號進(jìn)行放大處理。通過對大量的運(yùn)放芯片與運(yùn)放電路測試之后，設(shè)計采用AD8032高性能軌對軌輸入/輸出運(yùn)算放大器，既能滿足信號放大倍率，也能滿足探測需求。

4 、編碼器測速裝置

編碼器、霍爾傳感器、光電傳感器、測速電機(jī)是常見的四種測速方式。根據(jù)不同的測速精度要求，經(jīng)過多次選型測試后，設(shè)計選用歐姆龍出品的200線編碼器進(jìn)行測速。使用這種編碼器足夠滿足精度需求，并且輸出為數(shù)字接口，輸出測速脈沖，可供單片機(jī)采樣獲得實(shí)際速度值。

5、 兩車通訊模塊

根據(jù)賽道情況，設(shè)計選擇采用鴛鴦測距模塊如表1，其使用一發(fā)一收兩個模塊，前車發(fā)送信號，后車接收信號并做出處理。檢測角度大于90°，距離=脈寬*340m/s。

系統(tǒng)軟件的設(shè)計

1、單片機(jī)最小系統(tǒng)

整個系統(tǒng)由采用飛思卡爾32 位微控制器Kinetis K60作為核心控制單元，以IAR軟件平臺為開發(fā)環(huán)境?？刂破髂懿杉吞幚砟M和數(shù)字兩種傳感器信號，輸出的兩路PWM 分別對舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行控制。舵機(jī)決定小車的行駛角度，保證循跡運(yùn)動的準(zhǔn)確性。硬件驅(qū)動電路控制電機(jī)使小車進(jìn)行調(diào)速，配合速度策略不至于小車沖出賽道。另外使用編碼器采集速度值，作為輔助速度控制，最終實(shí)現(xiàn)一套能夠自主識別路線，并且可以實(shí)時輸出車體狀態(tài)的智能車控制系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)的工作原理是由磁感應(yīng)傳感器采集賽道信息并經(jīng)放大處理，與測速編碼器采集的車模速度信息一起送給Kinetis K60單片機(jī)，通過程序設(shè)計控制優(yōu)化算法，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和電機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到車模在賽道上的穩(wěn)定高速行駛。

2、智能車軟件系統(tǒng)

設(shè)計對整個小車的程序進(jìn)行了模塊編寫，這樣解決問題相對簡單，既容易觀察，也增強(qiáng)了可移植性。程序中用到的資源有PWM、AD、PID、PIT定時器、SPI、UART、普通I/O口等功能。

PWM模塊可分為兩個部分：電機(jī)控制；舵機(jī)控制。這就涉及到控制策略。

首先是舵機(jī)的控制。利用單排傳感器進(jìn)行傳感器的定位，實(shí)現(xiàn)該函數(shù)的思路是根據(jù)傳感器的偏差，進(jìn)行分段線性給出舵機(jī)角度。舵機(jī)控制中設(shè)計使用的是PD控制，P起主導(dǎo)調(diào)節(jié)的作用。但是如果P偏大了會讓舵機(jī)抖動，導(dǎo)致直道不穩(wěn)定。D的引進(jìn)對于連續(xù)寬泛的坐標(biāo)量作用很明顯，主要表現(xiàn)在減小超調(diào)、克服振蕩。

其次是電機(jī)控制。要實(shí)現(xiàn)小車電機(jī)能在短時間內(nèi)達(dá)到理想速度，而既無振蕩，又無超調(diào)是有一定難度的。一個比較好的方案就是采用增量式PID 進(jìn)行控速。速度的策略簡便靈活，直道和大弧彎道設(shè)置高速，小弧彎道和90度直角彎設(shè)置低速。

再者是兩車的超聲波通訊，設(shè)計采用前車發(fā)送信號，后車接收并讀取兩車的距離送入單片機(jī)，配合PWM進(jìn)行電機(jī)調(diào)速。判定兩車距離進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，讓兩車始終保持在額定距離范圍內(nèi)，在追逐運(yùn)動中有序且不會發(fā)生物理接觸。

結(jié)論

通過硬件模塊的設(shè)計制作并加以配合軟件模塊的調(diào)試，本設(shè)計能夠靈活的實(shí)現(xiàn)兩智能小車循電磁線并完成追逐運(yùn)動，追逐過程中也始終保持著設(shè)定的距離，不會出現(xiàn)前后車有物理接觸的現(xiàn)象。

由于采模塊化設(shè)計，本系統(tǒng)具有良好的可升級性和可擴(kuò)性。采用單片機(jī)進(jìn)行控制處理，它具有編程靈、自由、易于控制，穩(wěn)定性能好、擴(kuò)展容易等優(yōu)點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)是以Kinetis K60為核心，經(jīng)過調(diào)試實(shí)現(xiàn)了小車的調(diào)速、循跡、兩車追逐，顯示速度和路程等功能。但由于時間和水平的限制，本系統(tǒng)還有許多仍需要改進(jìn)的地方。

基金項目： 浙江海洋學(xué)院科研項目（浙海院研〔2012〕20號）；浙江海洋學(xué)院2015年度大學(xué)生科技創(chuàng)新項目。

（作者單位：浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院）endprint