基于單片機的無線充電電磁循跡小車

李興旭 魏磊 高琴

摘 要：以S9KEA128單片機為主控，設(shè)計了一套電磁循跡智能車系統(tǒng)。針對一般智能車充電需要人工插線、鋰電池充電慢等問題，采用無線充電方案設(shè)計，選用超級電容組作為儲能裝置。文中介紹了無線充電模塊、自動升降壓電源模塊、運放模塊的設(shè)計方案、差比和偏差算法、速度PI閉環(huán)控制、方向PD閉環(huán)控制等。經(jīng)過實驗驗證，該智能車能夠以不低于2 m/s的速度自主完成鋪設(shè)有環(huán)島、S彎、U型彎、十字路口等元素的賽道，循跡效果穩(wěn)定可靠，升級空間較大。

關(guān)鍵詞：智能車;單片機;電磁尋跡算法;差速控制;無線充電

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-00-05

0 引 言

第十三屆全國大學(xué)生智能車競賽（后簡稱大賽）題目設(shè)定宗旨：在“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”的指導(dǎo)思想下，同時兼顧當(dāng)今科技發(fā)展的新趨勢。

超級電容因為其充電速度快、大電流放電能力強、功率密度高等特點，在新能源汽車領(lǐng)域備受關(guān)注。同時超級電容所擁有的充放電路簡單、安全系數(shù)高、超低溫特性好等特點使其適合于工程項目應(yīng)用。它作為一種儲能器件，屬于雙電層電容器，其儲能過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，儲能過程可逆、充放電次數(shù)多，對環(huán)境十分友好。

在超級電容廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域、無人駕駛技術(shù)領(lǐng)域的背景下，大賽新增了無線節(jié)能組。按照大賽要求，設(shè)計并制作一款將3D打印件作為車體，由法拉電容供電、支持無線充電的電磁尋跡智能車（下稱小車）。小車采用32位微控制器S9KEA128作為主控，利用電感電容捕獲賽道正弦電磁信號。電磁信號經(jīng)過放大整流后輸入到微控制器ADC模塊進(jìn)行數(shù)字化處理，之后由程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算出路徑偏差后控制電機差速轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)循跡功能。

實驗流程：超級電容先放電使兩端電壓不超過0.1 V。小車停留在充電區(qū)域，開啟地面無線充電發(fā)射裝置，待程序檢測到超級電容兩端電壓達(dá)到一定數(shù)值后，則認(rèn)為充電完畢，控制電機駛離充電區(qū)域。出發(fā)后車模能夠沿著賽道自動運行兩圈并停在指定區(qū)域內(nèi)。

本文設(shè)計的技術(shù)核心為無線充電技術(shù)、賽道路徑判斷，所提出的設(shè)計方案源于反復(fù)實踐與測試，結(jié)果可靠。

1 智能車機械設(shè)計

小車采用3D打印車身、兩輪前驅(qū)配一個全向輪后輪的設(shè)計。驅(qū)動電機采用市面上常見的自帶電調(diào)的五線調(diào)速無刷電機[1]。智能車通過兩個電機差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。電感電容對安裝在車頭前瞻支架上，距離后輪軸心40 cm處（大賽要求前瞻最長僅能伸出到距離后輪中心40 cm處），距離地面18 cm處（保證前瞻具有一定的揚起角度，防止上坡時卡在坡上）。利用前瞻支架傳感器可以提前收集賽道信息，提高通過小S彎路段的流暢性，增強小車循跡穩(wěn)定性。試驗場地如圖1所示，智能車實物如圖2所示。

2 智能車硬件設(shè)計

工字電感配一個諧振電容組成一套電感電容對，作為傳感器，利用電磁感應(yīng)原理接收來自地面電磁導(dǎo)線的正弦信號。兩個水平方向擺放的傳感器用作一般賽道元素循跡（如直線、十字路、一般彎道），兩個豎直方向擺放的傳感器用作環(huán)島循跡。運放模塊將采集到的微弱正弦信號放大后整流轉(zhuǎn)化為直流輸入到微控制器的ADC模塊進(jìn)行數(shù)字化處理。

根據(jù)路況信息，微控制器通過集成的FTM模塊產(chǎn)生兩路占空比不同的PWM波、輸出控制量，調(diào)整兩個電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行差速、控制方向，以此實現(xiàn)尋跡功能。智能車的速度采集通過512線編碼器完成，輪子轉(zhuǎn)過一圈編碼器會產(chǎn)生固定的脈沖個數(shù)。脈沖信號經(jīng)微控制器FTM模塊采集，折算為輪子的實際轉(zhuǎn)速。

智能車同時還需要配備藍(lán)牙串口HC-05、OLED顯示屏、按鍵進(jìn)行信息傳輸、人機交互，方便程序調(diào)試，應(yīng)當(dāng)在主控板上添置相應(yīng)接口。硬件框圖如圖3示。

2.1 能源系統(tǒng)電路設(shè)計

智能車通過無線充電接收模塊從地面發(fā)射裝置中取電，向法拉電容充電后再供給電路其他部分。

2.1.1 無線充電模塊設(shè)計

無線充電模塊可簡單分為兩部分：整流輸入部分和穩(wěn)壓輸出部分。整流部分包括接收線圈、諧振電容和整流二極管，將接收的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。大賽規(guī)定地面無線充電發(fā)射器輸出功率為640 kHz/30 W。接收線圈選用5匝多股漆包線，配4.7 nF的高壓高頻電容作為諧振電容。接收線圈內(nèi)切于發(fā)射線圈正上方5 mm處，整流部分輸出電壓約為30 V。穩(wěn)壓器件選用凌力爾特公司設(shè)計生產(chǎn)的LTC3780，寬電壓4～36 V輸入、輸出0.8～30 V可調(diào)，經(jīng)測試符合需求。為了防止法拉電容組過充，采用LM358比較器進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電容組電壓達(dá)到或超過設(shè)定值時（由滑動變阻器調(diào)節(jié)設(shè)定值），比較器輸出為高，拉高LTC3780的RUN引腳使其關(guān)斷，如圖4所示。

2.1.2 自動升壓降壓電源模塊

本車使用的法拉電容組由5個60 F耐壓值為2.7 V的法拉電容串聯(lián)組成，帶有BW6106均壓保護(hù)芯片，對應(yīng)保護(hù)點為2.45 V，法拉電容組充電輸入、輸出電壓范圍為0～12.25 V。

智能車上的微控制器、運放芯片、OLED顯示屏等都需要5 V電源供電。

法拉電容組放電工作時電壓會不斷下降，為保證其他元器件供電正常，并盡可能充分利用法拉電容組中的電能，需要能夠自動升壓降壓的電路。

選用的TPS630701的輸入范圍為2.0～16 V，輸出為5 V，如圖5所示。智能車的五線調(diào)速無刷電機供電輸入范圍為8～16 V，功耗較低。為了使電機能夠更好地響應(yīng)，供電電壓要盡可能高。綜合考慮，采用德州儀器設(shè)計生產(chǎn)的TPS61088升壓輸出12 V電壓為電機供電，如圖6所示。

2.2 智能車運放模塊設(shè)計

賽道中心鋪設(shè)有一條直徑為 0.1～1.0 mm的電磁引導(dǎo)線，通有20 kHz，100 mA的交變電流。傳感器架設(shè)于前瞻支架上（離地面約18 cm處）。為保證程序的處理精度，應(yīng)將微弱的電磁信號放大。經(jīng)驗證，德州儀器公司設(shè)計生產(chǎn)的四路運放芯片OPA4377符合使用需求，如圖7所示。

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)基于影像光學(xué)的循跡方式因?qū)ν饨绺蓴_抵抗能力差，很多時候都不能較好地滿足客戶對于穩(wěn)定、快速的需求。而有軌運輸又面臨成本高、改動困難等問題。目前，憑借成本低、修改方便、抗干擾能力強等優(yōu)點，電磁導(dǎo)航技術(shù)已成為當(dāng)前工業(yè)運輸自動化研究的重點。

本文針對電磁導(dǎo)航技術(shù)和超級電容的應(yīng)用特點，結(jié)合無線充電技術(shù)、路徑偏差算法、PID控制算法，提出一種電磁循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計，具有成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，可以滿足大多室內(nèi)無軌運輸?shù)男枰?/p>

本文方案還有很大的提升空間，其改進(jìn)思路如下：

（1）無線充電的過程最好由反饋程序控制，實時調(diào)整充電電流，完成法拉電容組的自適應(yīng)充電，使充電更快;

（2）智能車循跡的實時性要求較強，應(yīng)當(dāng)使用嵌入式實時操作系統(tǒng);

（3）當(dāng)前采用的經(jīng)典PID控制算法太依賴參數(shù)，受到外界強烈干擾容易引發(fā)失控，應(yīng)當(dāng)采用更先進(jìn)的PID控制算法。

參 考 文 獻(xiàn)

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