支持無線充電的智能循線小車系統(tǒng)的設(shè)計分析

徐華鋒 陸靖雯 高依然

摘 要：通過實驗，設(shè)計了一種基于無線充電的智能小車系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線充電模塊和鋰電池為汽車提供安全、快速、有效的電能供應(yīng)。小車循線模塊主要是基于一個四路紅外傳感器，利用物質(zhì)的對光的反射和吸收性質(zhì)，當紅外線發(fā)射到黑線上時會被黑線吸收掉，發(fā)射到其他的顏色的材料上會有反射到紅外的接受管上。通過安裝在前端和底板的紅外傳感器采集的路徑信息，讓四輪驅(qū)動減速電機控制小車行駛，實現(xiàn)小車的巡線功能。

關(guān)鍵詞：智能小車;紅外循線;無線充電

一、研制背景及意義

新能源汽車早已被列入國務(wù)院發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，它的發(fā)展一直是國家實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，是緩解現(xiàn)如今日漸短缺的石油資源和環(huán)境污染的現(xiàn)狀的良好手段。對于電動汽車走向市場的挑戰(zhàn)， 其能源的可持續(xù)供應(yīng)即電動汽車充電技術(shù)是制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵。對于電動汽車面臨的市場挑戰(zhàn)，可持續(xù)的能源供應(yīng)，即電動汽車充電技術(shù)，是制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵。而無線充電技術(shù)作為一種新型的新能源汽車充電方式，具有安全、可靠、靈活等優(yōu)點，具有著良好的市場應(yīng)用前景，它的高效率實現(xiàn)為電動汽車的發(fā)展帶來了新的機遇。因此，本設(shè)計以無線充電系統(tǒng)高效穩(wěn)定供電為研究目的，制作出一件支持無線充電的智能尋軌小車模型。

二、硬件系統(tǒng)及其控制

（一）控制中心

小車控制系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，采用四通道紅外傳感器采集道路信息，充分利用其高速計算處理能力，實現(xiàn)循線功能。STM32F103C8T6開發(fā)板是一款常用的集計算、控制、存儲和輸出于一身的計算機硬件系統(tǒng)。其程序存儲器容量是64KB，強大的芯片資源和IO配置比起51單片機、Arduino更具挑戰(zhàn)性。

（二）電機驅(qū)動

小車由四輪驅(qū)動四路直流減速電機驅(qū)動。采用TB6612FNG驅(qū)動芯片控制驅(qū)動4臺直流減速電機。通過控制驅(qū)動芯片的AIN1，AIN2，BIN1，BIN2，PWMA，PWMB的電平高低來控制電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停止。電機控制原理見表1：

（三）循線模塊

小車循線模塊是基于紅外傳感器，其采用的是四路紅外傳感器分別連接在STM32主控板上的A1，A2，A3，A4口上。其中中間兩路循線是一直在黑線上，小車會直行，當任意一個出來，則小車會自動糾正，如果最外面的檢測到黑線，則小車以更大速度糾正到正確黑線上面。其程序編寫原理如圖1所示。

（四）無線充電模塊

其無線充電模塊設(shè)計是利用近場感應(yīng)，也就是電感耦合，是由震蕩電路產(chǎn)生交流信號，經(jīng)波形電路處理后，最后由功率放大器將波形放大，形成交流電，發(fā)射端線圈以交流電推動而產(chǎn)生交流電磁場，從而將能量從發(fā)射端轉(zhuǎn)移到接收端。通過橋式電路整流和濾波電容濾波成直流電給小車內(nèi)部三節(jié)18650鋰電池充電，當無線充電發(fā)射器停止充電時，使用繼電器自動控制開關(guān)，經(jīng)DC-DC穩(wěn)壓升壓變換給小車供電，從而實現(xiàn)無線充電電動小車前進。無線充電發(fā)射模塊采用XKT-801芯片，接收模塊采用XKT630芯片。這兩個芯片是芯科泰公司開發(fā)的高頻諧振大功率集成電路。主要用于大功率、長距離系列產(chǎn)品。它們負責(zé)處理無線能量的傳輸功能。利用電磁能量轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和對電路的實時監(jiān)控，為各種電池實現(xiàn)快速充電。

（五）機械部分

機械部分設(shè)計如圖1所示，采用4WD四驅(qū)裝置為小車的主體部分，采用多孔的鋁合金板材搭成小車機械框架，tt減速電機作為驅(qū)動，以及亞克力板輔助搭建。整個作品目前尺寸為260mm*190mm*140mm，以鋰電池為供電模塊，通過穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換電壓給減速電機和四路循線模塊供電。設(shè)計時的注意事項：

（1）小車搭載的模塊較多：驅(qū)動板、四路循線、紅外感應(yīng)器、3節(jié)18650鋰電池盒、4個TT減速電機、繼電器、DC-DC升壓穩(wěn)流模塊、無線充電接受模塊。因此，采用多孔鋁合金平板作為小車的底板。

（2）無線充電線圈安裝在小車底部：采用16mm銅柱將100mm*100mm*2mm亞克力板固定在鋁合金底板下方，將線圈緊貼在亞克力板上。

（3）小車的驅(qū)動板采用自鎖開關(guān)配合繼電器，確保充電安全。利用無線充電模塊啟動繼電器控制了小車的供電電路，使其在小車充電時斷開小車的供電，讓小車更加安全穩(wěn)定的充電。

三、工作原理及性能分析

（一）循線行駛測試

把小車放在帶黑線導(dǎo)軌的軌道上，打開小車的開關(guān)，讓小車自動循線行駛。測試結(jié)果顯示，在小車的直線運行過程中，小車會出現(xiàn)左右搖擺的現(xiàn)象，分析如下：

（1） 當小車的初始角度偏移越小，小車在運行中就越穩(wěn)定。

（2）通過用PWM調(diào)速，結(jié)果顯示，小車的車速減小時，小車的穩(wěn)定性提高。

（3）在小車檢測校正偏轉(zhuǎn)時，有兩種選擇：一是小車調(diào)節(jié)偏置側(cè)輪停止實現(xiàn)停滯偏轉(zhuǎn);二是通過調(diào)整偏置輪的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)差速偏轉(zhuǎn)。方案二實現(xiàn)效果較好。

（二）無線充電測試

將發(fā)射模塊接入220V交流電源電源，經(jīng)過變壓器、整流濾波后向發(fā)射電路輸入一個24V直流電壓，接收端的輸出接到負載儀，負載儀以恒流的方式輸出，調(diào)整耦合線圈的有效距離，測量輸出電壓與電流的變化。

測試結(jié)果顯示，無線充電模塊在耦合線圈之間的有效距離在小于10mm時，充電效率可達40%以上。因此在設(shè)計小車時，將耦合線圈的有效距離設(shè)置在8mm。

（三）創(chuàng)新點及應(yīng)用

（1）適用于不同類型智能碼頭，智能物流、智能倉庫等。

（2）自動化程度高：可通過PC上位機可實現(xiàn)實時集中式控制，操作和控制簡便，容易地使用它。

（3）其無線充電模塊去除了插座和電源線的約束，讓小車的充電更加方便，同時取締了充電接口，解決市場上各類充電器接口分歧，實現(xiàn)不同的類型的多種產(chǎn)品共享充電的功能。

隨著智能終端、智能物流、智能倉庫的發(fā)展，AGV智能汽車早已成為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它的設(shè)計與發(fā)展對于提高智能物流的自動化程度和企業(yè)生產(chǎn)效率有著十分重要的意義，其無線充電高效率的實現(xiàn)在AGV小車的節(jié)能措施實施改進，因此應(yīng)用前景很廣。

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作者簡介：徐華鋒（1999.10- ），男，安徽安慶人，北京市昌平區(qū)華北電力大學(xué)，本科，研究方向：熱能工程;陸靖雯（1999.04- ），女，廣西南寧人，北京市昌平區(qū)華北電力大學(xué)，本科，研究方向：智能電網(wǎng)信息工程;高依然（1998.05- ），女，河北滄州人，北京市昌平區(qū)華北電力大學(xué)，本科，研究方向：工程管理。