自動循跡電動小車的設(shè)計與實踐

崔國璇

（巴斯大學(xué)，英國 巴斯BA2 7AY）

0 引言

智能小車已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個方面，提高了生產(chǎn)自動化水平，自動循跡電動小車是智能小車的一種，它可以按照預(yù)定軌道行駛，不需要人為干預(yù)，可用于自動巡視、生產(chǎn)監(jiān)控等多種場合。

本文介紹的自動循跡電動小車是一個由電池供電的小車，能在不借助外力的條件下沿敷設(shè)載流導(dǎo)線的軌道行駛。該小車采用差速驅(qū)動轉(zhuǎn)向法能夠使其在轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的弧度更小，更有利于沿軌道運行而不至于脫離軌道，這種模式控制靈活、可靠，精度高。

1 自動循跡電動小車總體設(shè)計思路

自動循跡電動小車整個電路系統(tǒng)主要由檢測模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊等部分組成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

檢測模塊由左右兩個傳感器和峰值檢測器構(gòu)成。傳感器用于對路面信號進(jìn)行檢測，采集路徑信息，信號經(jīng)過處理之后，送到控制模塊?？刂颇K根據(jù)路徑信息和小車當(dāng)前狀態(tài)利用差分放大器和控制器等進(jìn)行實時控制，輸出信號送到驅(qū)動模塊驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，從而控制電動小車的運動，實現(xiàn)自動循跡行駛。

2 檢測模塊電路設(shè)計

2.1 傳感器

由于軌道是載流導(dǎo)線，傳感器需要通過檢測周圍的電磁場來確定小車相對于道路的位置。由電磁感應(yīng)原理可知，導(dǎo)線周圍空間充滿了交變的電磁場，如果在里面放置一個電感線圈，電磁感應(yīng)會使線圈中產(chǎn)生交變電流。在導(dǎo)線位置和導(dǎo)線中電流一定的條件下，線圈中感應(yīng)電動勢是空間位置的函數(shù)。因此，可以用電感線圈作為傳感器。

傳感器用于感應(yīng)導(dǎo)引線中的信號，本設(shè)計采用兩個傳感器，在小車上對稱放置，利用左右兩個傳感線圈接收交流信號。由于電感感應(yīng)出的電動勢很小，采用電感和電容諧振電路放大感應(yīng)電動勢。導(dǎo)引線中的信號頻率為20 kHz，根據(jù)相關(guān)公式可以得出，傳感器的電感為220 μH時，濾波器電容的理論計算值為288 nF，電路中選擇將220 nF的電容器和68 nF的電容器并聯(lián)使用，這樣利用這個電路可以較好地檢出頻率為20 kHz的信號，且電容上的電壓會比較大。

2.2 峰值檢測器

傳感器檢測到并輸出的信號是一個正弦波信號。峰值檢測器用于將交流正弦波信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，它的輸出信號為輸入信號的峰值，當(dāng)輸入信號的峰值改變時，輸出信號將隨之增大或減小，這樣傳感器放置在不同的位置，所感應(yīng)到的信號的大小可以利用峰值檢測器輸出電壓的大小來反映。峰值檢測器由二極管、電容器和反相器組成［1］。峰值檢測器電路如圖2所示。

圖2 峰值檢測器電路

3 控制模塊電路設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

自動循跡電動小車控制系統(tǒng)是整個設(shè)計的核心部分，它由差分放大器、控制器、反相器、加法器等器件組成。

電動小車是由兩個輪子中的電動機(jī)驅(qū)動的，理想情況下，小車的車速正比于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)取決于加在電樞上的電壓，兩端電壓的極性決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，電壓的大小影響電動機(jī)的轉(zhuǎn)速［2］，小車在直線行駛時，電動機(jī)電壓應(yīng)能驅(qū)動兩個電動機(jī)以基本速度轉(zhuǎn)動，參考電壓以此為依據(jù)來選擇。

小車位置控制通過改變小車兩個輪子中電動機(jī)電壓的大小來實現(xiàn)。在檢測模塊中選用左右兩個傳感器，所感應(yīng)到的兩路交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號后，送到差分放大器。利用差分放大器比較兩個輸入電壓，得到電壓差值并經(jīng)控制器放大，其輸出稱為差值電壓。這個電壓經(jīng)加法器進(jìn)一步處理后送到驅(qū)動模塊。

當(dāng)小車沿直線行駛時，如果導(dǎo)線位于兩個傳感器的中間，則差值電壓為零，在參考電壓作用下驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動。小車通過檢測導(dǎo)線中的交流信號來計算車體與導(dǎo)線的偏差［3］，例如右側(cè)傳感器離導(dǎo)線太近時，差值電壓將變大，如果小車想要沿軌道行駛，則小車必須向右轉(zhuǎn)以糾正自己的位置，此時左輪加入的驅(qū)動電壓要比右輪大以獲得較大的轉(zhuǎn)速，使小車右轉(zhuǎn)，從而將導(dǎo)線的位置始終保持在兩個傳感器的中間［4］。

當(dāng)小車彎道行駛時，輸入信號將發(fā)生變化，兩個車輪的速度隨之改變以校正小車的位置，使它可以沿軌道運行。此后新的位置會進(jìn)一步影響輸入信號，因此該系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以始終保持小車在軌道上快速行駛。小車控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 電動小車的控制系統(tǒng)框圖

3.2 差分放大電路

由差分放大器和控制器構(gòu)成的差分放大電路如圖4所示。左右兩個峰值檢測器的輸出電壓接入差分放大器，為簡化差分放大器的設(shè)計，電路中選用四個100 kΩ的電阻，差分放大器在該系統(tǒng)中作為單位增益放大器使用，其輸出電壓等于兩輸入電壓之差。當(dāng)導(dǎo)線位于兩個傳感器的中間時，兩個峰值檢測器的輸出電壓相等，差分放大器的輸出電壓為零。當(dāng)導(dǎo)線靠近左傳感器時，差分放大器的輸出電壓為正值；當(dāng)導(dǎo)線靠近右傳感器時，差分放大器的輸出電壓為負(fù)值。由于差分放大器的輸出信號較小，為了提高增益，在輸出端加了一個控制器，增加控制器后的輸出電壓變大。

圖4 差分放大電路

3.3 加法器

加法器有兩個輸入端，一端接入差值電壓（其中一個加法器的輸入信號將差值電壓反相后加入），一端接入?yún)⒖茧妷?，差值電壓來自前一級電路中差分放大器?jīng)控制器后的輸出，參考電壓由9 V蓄電池經(jīng)變阻器分壓后提供。由于選擇差速驅(qū)動法進(jìn)行方向控制，兩直流電動機(jī)應(yīng)分別供電，差分放大電路的輸出電壓無論是正值還是負(fù)值，經(jīng)加法器后，電壓都可以被偏置到正值，為兩個直流電動機(jī)提供正向電壓。兩個加法器中一正一負(fù)兩個差值電壓分別與參考電壓求和，使最終加在左右兩個電動機(jī)上的電壓中一個升高使車輪加速，另一個電壓則降低使車輪減速，輪速差使小車向左或向右偏轉(zhuǎn)，沿著軌道修正行駛路徑。帶反相器的加法器電路如圖5所示。

4 驅(qū)動模塊電路設(shè)計

在驅(qū)動模塊中，用功率放大器將信號放大后驅(qū)動電動機(jī)工作。加法器的輸出電流相當(dāng)小，功率放大器用來提高輸出電流，本設(shè)計使用了運算放大器和一個三極管。此外，增加一個100 nF電容器并聯(lián)在電動機(jī)的兩端用來消除電動機(jī)產(chǎn)生的噪聲。功率放大器電路如圖6所示。

圖5 帶反相器的加法器電路

圖6 功率放大器電路

5 自動循跡電動小車的組裝和測試

自動循跡電動小車的車身設(shè)計了兩層，每個子電路焊接在不同的電路板上，并考慮抗干擾性，每個電路板穩(wěn)定地放置在小車上，小車頂層放置有兩個電位計分別用于調(diào)節(jié)差值電壓和參考電壓。在車身的前端設(shè)置了一個塑料斜坡，用于支撐并放置檢測模塊。傳感線圈的位置不固定，可以隨時進(jìn)行調(diào)整。將小車的檢測、控制、驅(qū)動模塊及配件安裝完畢后，小車組裝完成。

為了驗證電動小車測控系統(tǒng)的有效性，將小車放在軌道上進(jìn)行測試。小車第一次測試時，它的速度相對較快，運行不穩(wěn)定，有時會偏離軌道。為此，根據(jù)小車行進(jìn)情況進(jìn)行了改進(jìn)，將傳感器兩個感應(yīng)線圈間的間距增大，將參考電壓改為較低的值，改進(jìn)后小車運行較穩(wěn)定。如果要提高速度，小車在轉(zhuǎn)彎時兩個電動機(jī)的電壓差應(yīng)該更大，使小車能進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎，這樣就要增大差分放大器的增益。通過改變安裝在小車上的兩個變阻器的阻值并進(jìn)行大量測試后，找到了合適的平衡點，使小車能夠以較快的速度和可靠的性能按照規(guī)定的路線行駛。

6 結(jié)語

本文闡述了自動循跡電動小車的設(shè)計思路和整體架構(gòu)，進(jìn)行了檢測、控制、驅(qū)動三大模塊的設(shè)計，選擇出元件參數(shù)，測試了電路特性，采用差速驅(qū)動轉(zhuǎn)向法控制小車，通過對系統(tǒng)進(jìn)行完善，成功實現(xiàn)了電動小車直線和曲線自動循跡快速行駛，達(dá)到預(yù)期效果。

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