基于電磁循跡的直立車設(shè)計

熊中華

（山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院,山東淄博，255000）

隨著汽車行業(yè)飛速發(fā)展，智能網(wǎng)聯(lián)汽車已成為汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展趨勢。本文基于全國智能車競賽，采用電磁循跡，快速通過多種復(fù)雜路況。

相較于攝像頭循跡、光電循跡，電磁循跡不易受到光線、溫度等環(huán)境因素的影響，適應(yīng)能力更強。

1 總體方案設(shè)計

賽道中心線位置處通有100mA 交變電流的導(dǎo)線所產(chǎn)生的電磁場，用于電磁循跡。采用直立車模（D 車模），以MK60FX512VLQI5 單片機作為主控單元，在IAR 軟件上進(jìn)行調(diào)試。以10mH 工字電感為主體提前采集賽道信息，進(jìn)行歸一化，均值濾波,通過編碼器檢測電機轉(zhuǎn)速，利用PID算法根據(jù)路況變化控制電機轉(zhuǎn)速，完成速度的閉環(huán)控制。通過姿態(tài)傳感器獲得直立車傾角、角速度，通過PID 算法進(jìn)而控制直立環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán)。直立車D 車模如圖1 所示。

圖1 直立車D 型車模示意圖

2 機械系統(tǒng)

■2.1 主要模塊

（1）傳感器模塊

電磁傳感器：10mH 工字電感[2]，搭配6.8nF 校正電容，且電感、電容應(yīng)該彼此靠近。

姿態(tài)傳感器：陀螺儀、加速度計。陀螺儀測量車模角速度，其輸出模擬電壓與直立車前傾或后仰的角速度成正比。加速度計測量車模傾角，其輸出模擬電壓與直立車傾角成正比。注意，兩個傳感器的輸出的模擬電壓值都是正值，可以使用龍邱的ICM20602 加速度計陀螺儀模塊，這個硬件模塊是由加速度計和陀螺儀兩個模塊合并為一個模塊，陀螺儀測量直立車角速度，加速度計可以用于去除陀螺儀溫漂現(xiàn)象。

速度傳感器：512 線mini 編碼器，用于實時測量電機轉(zhuǎn)速，便于使用PID 算法閉環(huán)控制車速。

（2）電源模塊：選用7.2V 2000mAh Ni-cd 供電，電源模塊包括多個穩(wěn)壓電路，將電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊正常工作所需電壓，防止干擾，保證工作穩(wěn)定性，K60 核心板所需電壓為3.3V，驅(qū)動電路所需電壓為12V，電感模塊所需電壓為5V，編碼器、陀螺儀、OLED 屏所需電壓為5V。

（3）驅(qū)動電機模塊：使用電機 RS-380，結(jié)合PID 算法，通過改變驅(qū)動電壓，控制電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。通過電機差速控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向環(huán)。通過電機速度控制、加速度控制，實現(xiàn)直立環(huán)。利用 MOS 管驅(qū)動芯片來驅(qū)動H 橋驅(qū)動電路，電機驅(qū)動電路如圖2 所示。

圖2 電機驅(qū)動電路

（4）控制器模塊：使用MK60FX512VLQI5 單片機，接受各傳感器采集的信息，判斷小車姿態(tài)、路況變化、車速，及時數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行算法，進(jìn)而驅(qū)動電機。

（5）液晶顯示模塊：為便于調(diào)試，安裝OLED 液晶顯示，可以直觀顯示出各傳感器值，進(jìn)而觀察當(dāng)前小車狀態(tài)與程序中各參數(shù)之間的關(guān)系。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■2.2 直立車結(jié)構(gòu)搭建

搭建原則：質(zhì)量集中、重心低、質(zhì)量輕、車軸對稱。

（1）找機械零位、降低重心

為使直立車可以有更高速地通過復(fù)雜賽道，首先得找到直立車的“機械零位”，即合理安放核心板、運算放大器、電池、碳素支架、電機、OLED 顯示屏、陀螺儀等模塊，使直立車在靜止?fàn)顟B(tài)下，不依靠外力盡可能達(dá)到直立平衡。

若未找到完美的“機械零位”，可以在直立車運行時，通過電機正反調(diào)節(jié)，車前傾，電機正轉(zhuǎn)；車后傾，電機反轉(zhuǎn)。

在保證“機械零位”的基礎(chǔ)上，應(yīng)同時保證小車重心低，便于后期小車整體提速，當(dāng)小車轉(zhuǎn)彎或者速度過快時，容易發(fā)生“抬輪”、側(cè)翻等現(xiàn)象，重心低，便于小車穩(wěn)定。但重心不能過低，若重心過低，容易與車道相碰，造成過坡道困難。

（2）編碼器安裝

為精確獲得電機轉(zhuǎn)速，兩輪合理安放編碼器，調(diào)節(jié)編碼器、電機齒輪、車軸齒輪三者齒輪間隙，避免間隙不當(dāng)，造成打齒磨損，傳動阻力過大，產(chǎn)生噪聲；注意電機帶動后輪空轉(zhuǎn)聲音，若聲音刺耳，則齒輪配合間隙過大，若聲音遲滯、沉悶，則齒輪間隙過小，若傳動部件轉(zhuǎn)動，輕松、流暢，無噪聲，則齒輪間隙良好。

先使用十字扳手套筒拆卸兩后輪，裸露出電機齒輪、車軸齒輪、編碼器安裝孔，通過調(diào)節(jié)編碼器在編碼器安裝孔的位置，保證兩齒輪軸平行，調(diào)整齒輪間隙。注意先安裝編碼器，再安放自制電路板、電池等模塊。

（3）輪胎保養(yǎng)

輪胎適當(dāng)涂軟化劑，并經(jīng)常擦，保證輪胎的適當(dāng)軟度，提高摩擦力，有利于提高車速。

（4）電磁傳感器安裝

使用空心碳素桿支架作前瞻，采用熱熔膠固定，為防止結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，影響測量電感值，采用一根斜撐桿支撐固定安放工字電感的水平主桿。

采用三水平電感方案，利用對稱水平電感的感應(yīng)電動勢量差和比值來解算車體相對于導(dǎo)線偏離的距離，極大降低代碼復(fù)雜程度。三水平電感方案如圖4 所示。

圖4 三水平電感方案

（5）姿態(tài)傳感器安裝

將陀螺儀安放在車模后方底部，減少對于傾角測量的干擾，且水平安裝，避免影響過彎速度。

（6）自制電路板安裝

自制電路板應(yīng)盡可能小，減輕整車質(zhì)量，便于合理安裝各機械元件，提高速度。且應(yīng)關(guān)于車軸對稱放置，貼近車模的底盤，可以將電路板固定在兩個電機上，降低整車重心，使直立車運行更平穩(wěn)。

（7）電池安裝

使用鋁片材質(zhì)的電池支架安裝在直立車后方，并使用將電池固定在電池支架上，且關(guān)于車軸對稱，便于隨時取放充電，同時，有效降低了直立車重心，行駛更平穩(wěn)。

3 軟件設(shè)計與調(diào)試

■3.1 電感值采集及處理

工作原理是MK60FX512VLQI5 單片機通過 AD 口采集電感檢測得電磁信號變化量，為消除電流變化對電感值的影響，電感值歸一化，通過以下公式歸一化：

式中：max為電感最大值,min為電感最小值。x為歸一化前的值，y為歸一化后的值。

傳感器數(shù)值采用均值濾波，連續(xù)采集5 次，求均值，去除噪點，得到較準(zhǔn)確的電感值；通過姿態(tài)傳感器獲得直立車傾角和角速度，用于直立環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán)控制。使用mini512 編碼器采集兩電機實時轉(zhuǎn)速，結(jié)合直立傾角、角速度，應(yīng)用PID 控制理論算法，將直立控制輸出Ang_control、速度控制輸出Speed_control、轉(zhuǎn)向控制輸出Dir_control三者進(jìn)行線性疊加，進(jìn)行電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制。

■3.2 PID 簡介

PID[3]的全稱為比例積分微分控制，P 即為比例，I 即為積分，D 即為微分。

Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,Kp太大，容易使小車震蕩、不穩(wěn)定，影響電感采集值，造成路況誤判；

Ki用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，Ki太小，加速反應(yīng)慢，穩(wěn)態(tài)誤差難消除；Ki太大，容易超調(diào)，小車震蕩;

Kd改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，對偏差變化提前預(yù)報，Kd太大，會讓小車抖動、遲鈍，來不及對賽道元素突變作出反應(yīng)。

■3.3 直立環(huán)

搭車時，找到合適的機械零位，當(dāng)小車處于機械零位時，電機不轉(zhuǎn)，保持直立狀態(tài)，但一旦小車運動時，容易偏離機械零位，須通過電機正反轉(zhuǎn)保持直立。

通過加速度計陀螺儀模塊檢測車模傾角、角速度變化，判斷是否偏離機械零位。若車前傾，電機正轉(zhuǎn)；車后傾，電機反轉(zhuǎn)，來維持直立車平衡。

姿態(tài)傳感器包括陀螺儀和加速度計，分?jǐn)?shù)字式、模擬式。我們采用模擬式，模擬式直接用AD 采集。相較于數(shù)字式，讀取速度更快，但容易受溫度影響，產(chǎn)生累計誤差，累計誤差可以使用加速度計[1]校核。

使用ICM20602 六軸加速度計陀螺儀模塊采集所需軸的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加速度計姿態(tài)解算，獲得直立車傾角值，但該方法容易受到直立車抖動、溫度等影響，與實際傾角產(chǎn)生較大偏差，不能直接用于直立環(huán)控制。陀螺儀可以測量車模傾斜角速度，對角速度進(jìn)行積分可得到車模傾角，這種方式不易受到車模運動的影響，但存在角速度偏差，積分運算易產(chǎn)生累計誤差，與直立車實際傾角產(chǎn)生偏差，不利于直立環(huán)算法的構(gòu)建?？紤]到兩種方法都可得到直立車傾角，陀螺儀角速度積分方法誤差更小，且加速度靜態(tài)響應(yīng)好，陀螺儀動態(tài)響應(yīng)好，選擇使用加速度計獲得的傾角值來校核陀螺儀角速度積分得到的傾角值，兩者融合解算出一個更準(zhǔn)確的傾角值，加速度計陀螺儀得到的角度通過互補濾波[5]進(jìn)一步得到角度Ang_ronghe，然后，選擇PID 中的PD 控制，即用Ang_ronghe乘以比例項系數(shù)Kp_ang；再用陀螺儀采集到的值與陀螺儀的偏移量相減，再乘以一個比例系數(shù)，得到角速度Ang_dot,乘以微分項系數(shù)Kd_ang；將兩值相加得到的PWM值作為直立控制輸出Ang_control。直立控制公式如下：

式中：Ang_control為直立控制輸出,Ang_ronghe為加速度計陀螺儀的角度通過互補濾波后的角度，Kp_ang為比例項系數(shù)，Ang_dot為歸一化后的角速度，Kd_ang為微分項系數(shù)。

■3.4 轉(zhuǎn)向環(huán)

轉(zhuǎn)向環(huán)是利用電感獲取的差比和偏差進(jìn)行PD 控制輸出PWM 波，控制左右電機產(chǎn)生速度差，驅(qū)動車模轉(zhuǎn)向消除車模距離賽道中線的偏差，需要比例控制，快速響應(yīng)直立車轉(zhuǎn)向，因直立車安裝有電池等重物，為防止“轉(zhuǎn)向過沖”現(xiàn)象，加入微分控制。要想進(jìn)一步提速，可以建立多組車速與給定Kp、Kd之間的函數(shù)關(guān)系式。

通過三水平工字電感采集到的數(shù)據(jù)計算出直立車當(dāng)前位置Dir_value,預(yù)設(shè)的理想中線值為Mid_line,兩者作差為方向偏差Err_direct,即是此時直立車偏離賽道中線的距離，再乘以比例項系數(shù)Kp_direct;再用陀螺儀采集到的值與陀螺儀的偏移量相減，進(jìn)行歸一化，得到角速度Ang_dot,乘以微分項系數(shù)Kd_direct；將兩值相加得到的PWM 值作為轉(zhuǎn)向控制輸出Dir_control。轉(zhuǎn)向控制公式如下：

式中：Dir_control為轉(zhuǎn)向控制輸出,Err_direct為此時直立車偏離賽道中線的距離，Kp_direct為比例項系數(shù)，Ang_dot為歸一化后的角速度，Kd_direct為微分項系數(shù)。

■3.5 速度環(huán)

保證速度環(huán)控制的前提是直立環(huán)控制，為實現(xiàn)直道加速，彎道減速或者恒定速度通過，我們期望理想速度是一個恒定值，如果直立車運行速度忽快忽慢，會造成車模前后傾斜，進(jìn)而影響工字電感采集電感值，進(jìn)而影響元素判斷甚至決策誤判，故我們希望速度環(huán)的理想速度為一恒定值。

速度環(huán)就是利用min512 編碼器及時反饋兩車輪瞬時速度，使用PI 調(diào)節(jié)，進(jìn)行閉環(huán)控制[4]，實現(xiàn)實際電機轉(zhuǎn)速快速達(dá)到理想速度。

直立車?yán)硐胨俣萔i與電機實際轉(zhuǎn)速Vr差值為速度偏差Err_speed。為使速度變化快速響應(yīng)，乘以一個比例項系數(shù)Kp_speed;引入積分環(huán)節(jié)可以消除偏差，減小穩(wěn)態(tài)誤差，累積偏差I(lǐng)ngra_speed乘以一個積分項系數(shù)Ki_speed;將兩值相加得到的PWM 值作為速度控制輸出Speed_control。速度控制公式如下：

式中：Speed_control為速度控制輸出,Err_speed為直立車?yán)硐胨俣萔i與電機實際轉(zhuǎn)速Vr差值，Kp_speed為比例項系數(shù)，Ingra_speed為速度偏差累積值，Ki_speed為積分項系數(shù)。

■3.6 PID 調(diào)試方法

對于速度要求不高的情況下，直立環(huán)最關(guān)鍵；

對于追求高速完成比賽，轉(zhuǎn)向環(huán)是核心。對于直立環(huán)，要注重利用示波器融合出合適的互補濾波；對于速度環(huán)的PI 調(diào)節(jié)，要注重結(jié)合直立環(huán)的PD 調(diào)節(jié)情況，直立環(huán)不能太“硬”，即PD 值較大，也不能太“軟”，即PD 值太小，可以稍硬一些，便于其他環(huán)的調(diào)試，若直立環(huán)太硬，不利于調(diào)試速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)；若直立環(huán)太軟，則響應(yīng)速度變慢，會影響到直立車的行駛速度，甚至?xí)a(chǎn)生較大擺動；速度環(huán)調(diào)節(jié)需要找到一組合適的PI 可以同時適應(yīng)高速和低速。

先調(diào)Kp,令Ki、Kd 為0，在賽道上調(diào)到正常車速后，觀察記錄相應(yīng)數(shù)值及現(xiàn)象。然后調(diào)節(jié)Ki,最后調(diào)節(jié)Kd。當(dāng)小車可以很好地運行時，可以在電池、環(huán)境變化等多種情況下，同時微調(diào)Kp、Ki、Kd 中任意多個參數(shù)值，多次跑車，記錄比較理想的Kp、Ki、Kd 值。

根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗，可以將Kp 參數(shù)調(diào)大點，可以更好地根據(jù)路況變化速度快速調(diào)節(jié)。將Ki 調(diào)小些，可以將Kp 參考值設(shè)為0.7，Ki 參考值為設(shè)0.03,Kd 參數(shù)設(shè)為0.3，再多次根據(jù)實際路況，改進(jìn)算法，多次調(diào)試，取得理想數(shù)值。

4 結(jié)語

本文從總體方案設(shè)計、機械系統(tǒng)設(shè)計、軟件設(shè)計與調(diào)試三方面詳細(xì)介紹了基于電磁循跡的直立車設(shè)計，經(jīng)調(diào)試驗證，方案可行。