基于LDC1000自動(dòng)循跡智能小車(chē)設(shè)計(jì)

黃 健，董三鋒，王利平

(西京學(xué)院，西安710123)

0 引 言

自動(dòng)循跡智能小車(chē)是近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，在各種電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中都有所涉及，比如飛思卡爾智能車(chē)大賽、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、TI杯比賽等。智能車(chē)融合了傳感器、電機(jī)控制、微處理器等多項(xiàng)硬件技術(shù)，為有效的對(duì)其進(jìn)行控制，還要加入軟件算法。智能車(chē)控制是典型的軟硬件技術(shù)的結(jié)合體，具有極大的研究?jī)r(jià)值，其中自動(dòng)循跡是智能車(chē)要解決的一個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題。早期的循跡采用光電傳感器，用黑白線作為跑道標(biāo)識(shí)。近幾年，隨著電感傳感技術(shù)的發(fā)展，有人提出采用鐵絲作為跑道，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡［1－3］。

本文正是基于此提出采用TI公司新型數(shù)字電感傳感器 LDC1000 作為傳感器［4－5］，檢測(cè)直徑為0.7 mm的細(xì)鐵絲構(gòu)成的跑道。由于鐵絲太細(xì)，必須采用自制的線圈來(lái)檢測(cè)，否則根本檢測(cè)不到。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，繞制成功了合適的線圈，能夠明顯感應(yīng)到細(xì)鐵絲。但由于只有一個(gè)LDC1000，當(dāng)鐵絲在線圈的正中心時(shí)，值最大，向左或者向右偏移時(shí)，都會(huì)減小，給軟件編程造成了一定的困難。采用試探法結(jié)合狀態(tài)圖法，能夠有效地控制小車(chē)的左右移動(dòng)和前進(jìn)，較好地完成了自動(dòng)循跡的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。LDC1000傳感器檢測(cè)到鐵絲的值后，通過(guò)一個(gè)SPI總線接口傳送給STM32微處理器。由于選擇的主控是STM32F103RBT6［6－7］。它有 2 個(gè) SPI 接口，用另外一個(gè)連接到1．44英寸TFT真彩屏，顯示采集到的數(shù)據(jù)和其它信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用TB6612，體積小，比L298性能好。其中2個(gè)直流電機(jī)都帶有編碼器，可將其連接到STM32的定時(shí)器進(jìn)行測(cè)速。通過(guò)軟件編程控制左右電機(jī)速度，使得小車(chē)能夠平穩(wěn)前行。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2． 1 LDC1000傳感器設(shè)計(jì)

LDC1000原理圖如圖2所示。圖中DCLK是LDC1000時(shí)鐘輸入信號(hào)線，SCLK是SPI總線通信所需時(shí)鐘線，SDI是SPI總線數(shù)據(jù)接收信號(hào)線，SDO是SPI總線數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)線。由于LDC1000采用SPI總線通信，所以將LDC1000的SCLK連接到STM32的PA5(SPI1_SCLK)，將 LDC1000的 SDI連接到STM32的 PA7(SPI1_MOSI)，將 LDC1000的 SDO連接到STM32的PA6(SPI1_MISO)，將LDC1000的SCLK連接到 STM32的 PA5(SPI1_MOSI)，將LDC1000的CSB連接到STM32的PA4(SPI1_NSS)，為實(shí)現(xiàn)有效通信，雙方必須共地。此外，LDC1000的DCLK作為主時(shí)鐘，要求產(chǎn)生6 MHz的頻率，用STM32的PC6通過(guò)定時(shí)器的PWM波產(chǎn)生。圖中LDC1000與INA和INB連接的電容C和電感L為振蕩電路，基于電渦流原理［8］，能夠與外部檢測(cè)的金屬產(chǎn)生諧振。

圖2 STM32與LDC1000連接圖

當(dāng)外部有金屬物體時(shí)，在電感L上將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)諧振頻率。而LDC1000對(duì)金屬物的探測(cè)也就是基于測(cè)試LC諧振頻率的方法。LDC1000的外部基準(zhǔn)時(shí)鐘是6 MHz，由STM32的PC6產(chǎn)生。使用內(nèi)部寄存器計(jì)數(shù)方法作頻率計(jì)。其中LC的諧振頻率通過(guò)式(1)計(jì)算:

式中:Fsen是LC諧振頻率;Fex是外部時(shí)鐘基準(zhǔn)頻率，取值為6 MHz;Fcnt是LDC1000內(nèi)部計(jì)數(shù)器值，TL是LDC1000內(nèi)部寄存器設(shè)置的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)式(1)兩邊分別求倒數(shù)，并做適當(dāng)變化，可得到:

式中:1/Fsen是LC諧振周期;1/Fex是基準(zhǔn)時(shí)鐘周期。式(2)表明在TR個(gè)LC諧振周期內(nèi)，使用LDC1000的Fcnt計(jì)數(shù)器記錄基準(zhǔn)時(shí)鐘的個(gè)數(shù)來(lái)推算LC的諧振頻率。

根據(jù)電渦流原理，要檢測(cè)直徑為0．7 mm的細(xì)鐵絲，必須要產(chǎn)生足夠大的渦流，就必須增大電感量L的值．通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，繞制了直徑為4 cm的電感線圈，如圖3所示。

圖3 自制電感線圈

該線圈采用0．15 mm的細(xì)銅絲繞制而成，直徑為4 cm，電感量為0．180 mH，與其匹配的電容值為2 nF。

2． 2 TB6612直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

TB6612是東芝公司推出的一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，集成度高，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 2路直流電機(jī)［9］。TB6612的硬件連接圖如圖4所示。

圖4 TB6612硬件連接圖

圖4 中PA0，PA11，PA12控制1路電機(jī)，PA0產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速;PA11，PA12控制電機(jī)的方向。PA1，PB10，PB12控制另1路電機(jī)，PA1產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速;PB10，PB12控制電機(jī)的方向。AO1，AO2連接1路電機(jī);B01，B02連接另外1路電機(jī)。

2． 3 TFT顯示單元電路設(shè)計(jì)

TFT顯示單元采用1．44英寸SPI接口真彩屏，顯示電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 TFT顯示電路設(shè)計(jì)原理圖

為提高1．44 TFT真彩屏的刷屏速度，采用硬件SPI接口與STM32相連，其中 SCLK連接到 PB13(SPI2_SCLK)，DI連接到 PB15(SPI2_MOSI)，CS 連接到 PB12(SPI2_NSS)。其余 RST為復(fù)位信號(hào)，GND 為接地，VCC 接3．3 V。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是只有一個(gè)LDC1000傳感器探頭。當(dāng)鐵絲在傳感器線圈的正中心時(shí)，檢測(cè)到的頻率值最大;當(dāng)鐵絲向左、向右偏轉(zhuǎn)時(shí)，檢測(cè)到的頻率值都在減小。因此，如何判斷偏左還是偏右，就變得非常困難。為有效解決這個(gè)問(wèn)題，提出“試探法”結(jié)合“狀態(tài)圖”的方法。當(dāng)頻率值減小時(shí)，首先讓小車(chē)左轉(zhuǎn)，如果值繼續(xù)減小，則右轉(zhuǎn)。因?yàn)樾≤?chē)要沿著鐵絲行走，小車(chē)將會(huì)有3個(gè)狀態(tài)，分別是直走、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。只有控制好這3個(gè)狀態(tài)及其相互轉(zhuǎn)換的條件，另外，為有效控制小車(chē)的運(yùn)行，還必須測(cè)出傳感器對(duì)鐵絲感應(yīng)的最大值FRE_MAX和最小值FRE_MIN，F(xiàn)RE_MAX是細(xì)鐵絲在自制線圈的正中心時(shí)測(cè)量值，F(xiàn)RE_MIN是細(xì)鐵絲完全偏離線圈，在線圈外時(shí)測(cè)量值。圖6給出了小車(chē)的狀態(tài)圖。

圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖中FRE為傳感器測(cè)得的當(dāng)前頻率值，測(cè)試時(shí)，首先將小車(chē)放在跑道的正中心，細(xì)鐵絲位于傳感器線圈的中心直徑上。當(dāng)FRE=FRE_MAX時(shí)，小車(chē)直走。當(dāng)FRE減小時(shí)，首先讓小車(chē)左拐，如果FRE繼續(xù)減小，說(shuō)明小車(chē)?yán)^續(xù)偏離細(xì)鐵絲，這時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為右拐;若右拐時(shí)，F(xiàn)RE一直在增大，說(shuō)明右拐正確，小車(chē)一直在向細(xì)鐵絲靠近，當(dāng)遞增到最大值后，小車(chē)直走。當(dāng)FRE受到意外干擾，F(xiàn)RE≤FRE_MIN時(shí)，強(qiáng)制讓小車(chē)右拐，如果值遞增，說(shuō)明右拐正確，小車(chē)正在靠近細(xì)鐵絲，繼續(xù)右拐;如果不變，還是最小值，說(shuō)明右轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，改變狀態(tài)左拐，左拐后如果FRE在遞增，繼續(xù)左拐，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大值FRE_MAX后，直走。

按照?qǐng)D6的狀態(tài)圖在MDK5．0下用C語(yǔ)言編程，較好地完成了對(duì)小車(chē)自動(dòng)循跡的控制。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)的跑道如圖7所示。小車(chē)起始位置放在2 m直道的正中心，途徑6個(gè)彎道，彎道圓弧的半徑均為為20 cm。最后再回到起點(diǎn)處，完成一圈行駛。

圖7 小車(chē)行駛跑道

靜態(tài)測(cè)試時(shí)，用手挪動(dòng)小車(chē)到指定位置，測(cè)量傳感器LDC1000通過(guò)自制線圈對(duì)細(xì)鐵絲感應(yīng)時(shí)的頻率值。當(dāng)線圈的電感量為0．180 mH，電容為2 nF時(shí)，對(duì)直道、彎道1、彎道2、彎道3、彎道4、彎道5、彎道6測(cè)量得到的頻率值與細(xì)鐵絲位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1～表7所示。

表1 鐵絲位置與頻率值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系(直道1)

表2 鐵絲位置與頻率值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系(彎道1)

表3 鐵絲位置與頻率值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系(彎道2)

表4 鐵絲位置與頻率值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系(彎道3)

表5 鐵絲位置與頻率值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系(彎道4)

表1～表7中距離d是細(xì)鐵絲與線圈直徑之間的垂直距離。從表中可以看出，當(dāng)距離d增大時(shí)，頻率值明顯減小，但在彎道時(shí)比較復(fù)雜，但整體而言，如果偏離彎道，則頻率值減小;若靠近，頻率值增大。

表6 鐵絲位置與頻率值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系（彎道5）

表7 鐵絲位置與頻率值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系（彎道6）

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用LDC1000數(shù)字電感傳感器和自制線圈，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)鐵絲跑道的檢測(cè)。采用試探法結(jié)合狀態(tài)圖法，解決了只有一個(gè)傳感器無(wú)法識(shí)別左右的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，解決了該問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)循跡功能。具有實(shí)用性和通用性，可應(yīng)用在汽車(chē)、消費(fèi)電子、智能玩具等領(lǐng)域［10－11］。

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