基于無線充電系統(tǒng)的自動追蹤智能小車

朱瞿辰，汪敬華，姜 宇，楊 蘭，趙春鋒

（上海工程技術(shù)大學(xué)工程實訓(xùn)中心，上海 201620）

0 引言

隨著人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，智能控制應(yīng)用也不斷出現(xiàn)在各個場景，手持設(shè)備、智能終端的無線充電需求持續(xù)旺盛。2021 年第十六屆全國大學(xué)生智能汽車競賽中設(shè)立的節(jié)能信標(biāo)組競賽命題，要求智能小車在完成紅外信標(biāo)燈自動追蹤的同時，自動完成從預(yù)埋在信標(biāo)燈罩下的無線電能發(fā)射裝置的充電行為。發(fā)射線圈的電能在小車過信標(biāo)燈時被接收，并儲存于超級法拉電容組中，供小車追蹤控制的連續(xù)工作，比賽場地如圖1所示。

圖1 比賽場地示意圖

經(jīng)過無線充電、視覺識別以及追蹤算法研究，以英飛凌TC264 作為控制核心，采用LCC恒功率無線控制技術(shù)進行高效充電，圖像采集利用連通域算法進行信標(biāo)搜索，使用PID 控制電機實現(xiàn)信標(biāo)追蹤功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

智能小車系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 智能小車系統(tǒng)組成

以英飛凌公司的TC264 微控制器作為系統(tǒng)的控制核心，TC264 最高主頻200 MHz、雙核TriCore?架構(gòu)，有集成ADC 轉(zhuǎn)換、I2C 總線、DMA、USART 等豐富資源，為汽車級芯片。采用逐飛科技公司總鉆風(fēng)攝像頭采集紅外信標(biāo)位置坐標(biāo)，自行設(shè)計LCC 恒功率無線充電以及儲能模塊為智能小車系統(tǒng)收集和存儲電能。電機驅(qū)動模塊和編碼器是小車運行控制的必要組件，配有按鍵和TFT進行人機交互。

2 無線電能接收系統(tǒng)設(shè)計

2.1 恒功率充電接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線充電發(fā)射裝置由競賽組委會提供，恒功率充電接收端部分自行設(shè)計，由硬件和軟件兩部分組成。無線充電接收硬件組成如圖3 所示，電能接收線圈經(jīng)過LCC 補償網(wǎng)絡(luò)后進行全校整流變成直流電，再經(jīng)過BUCK 電路恒功率控制將電能充入超級電容組，供主控系統(tǒng)工作。圖3虛線方框為恒功率控制部分，電壓采集采用了簡單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，電流采集將采集電阻串聯(lián)在主電路母線中，差分電壓由電流檢測芯片AD8217 放大至0～3.3 V 送給單片機。采用TC264 單片機內(nèi)部集成的ADC 采集電壓和電流，進而計算出接收電能功率，根據(jù)設(shè)定功率調(diào)節(jié)BUCK半橋充電效率。

圖3 恒功率充電硬件組成原理

2.2 無線電能傳輸LCC拓撲網(wǎng)絡(luò)

無線電能傳輸前端采用了雙邊對稱LCC 拓撲結(jié)構(gòu)，如圖4所示，為電能發(fā)射端線圈，將電能轉(zhuǎn)換為磁場能，為電能接收端線圈，將磁場能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)射裝置將直流電逆變成交流電送給LCC（由L、C和組成）電路，經(jīng)發(fā)射磁場能，接收端將磁場能轉(zhuǎn)換為電能后送給LCC（由L、C和組成）電路后整流（1～4 組成）。發(fā)送端和接收端互相前后對稱，因此稱雙邊對稱LCC 拓撲結(jié)構(gòu)。采用LCC拓撲結(jié)構(gòu)能夠在后端負載變化（u變化）的狀態(tài)下，讓接收線圈保持恒定的電流值，有效提高能量接收效率。

圖4 雙邊對稱LCC網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)無線發(fā)射頻率，需要對接收線圈和電容進行參數(shù)匹配，即確定L、C和參數(shù)。利用這三個元器件在同一工作頻率下與電感阻抗值相等的方法計算各自參數(shù)。在實際使用時根據(jù)理論計算值采用標(biāo)稱電容進行并聯(lián)匹配使得整流后的電壓最大。經(jīng)過LCC 諧振得到仍是正弦交流電，半波整流效率低，倍壓整流和全波整流原理上具有相同的效率，實際實驗時發(fā)現(xiàn)全橋整流比倍壓整流具有更低的輸出阻抗。

2.3 恒功率控制

為了高效控制充電效率，采用恒功率控制方法，恒功率充電系統(tǒng)原理示意圖如圖5 所示。通過單片機對BUCK 電路前端電流與電壓采樣并計算當(dāng)前充電功率，與設(shè)定功率值進行比較，采用傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)器計算校正結(jié)果，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PWM 控制兩個MOS 管組成的半橋電路，經(jīng)由LC 組成的BUCK 電路對電容組進行恒功率充電。自行設(shè)計上位機軟件繪制恒功率調(diào)節(jié)效果波形圖如圖6所示。

圖5 恒功率調(diào)節(jié)原理示意圖

圖6 恒功率調(diào)節(jié)效果圖

3 自動追蹤程序設(shè)計

3.1 連通域定位算法

信標(biāo)燈能發(fā)出10 Hz閃爍的紅光和常亮紅外光，采用帶有可見光濾片的MT9V032 數(shù)字攝像頭，只采集信標(biāo)燈發(fā)出的紅外光的現(xiàn)場圖像，對其二值化處理和數(shù)字濾波，得到準(zhǔn)確的ROI（region of interest）區(qū)域。

連通區(qū)域（connected component）一般是指圖像中具有相同像素值且位置相鄰的像素點組成的圖像區(qū)域（region of Blob）。連通區(qū)域分析是將二值化后圖像中的各個連通區(qū)域找出并做標(biāo)記，在圖像處理的眾多應(yīng)用中較常用的方法，其基本算法有兩遍掃描法（two-pass）和種子填充法（seed-filling）。兩遍掃描法是通過兩遍圖形掃描，將圖像中存在的所有連通域找出并標(biāo)記下來；而種子填充法是從多邊形區(qū)域的一個內(nèi)點開始，由內(nèi)向外用給定的顏色畫點直到邊界為止。

本設(shè)計基于英飛凌TC264 單片機采用兩遍掃描法找出信標(biāo)燈連通域，根據(jù)重心法計算信標(biāo)燈目標(biāo)位置在圖像中坐標(biāo)。燈坐標(biāo)與圖像鎖定如圖7所示。

圖7 尋燈坐標(biāo)與圖像鎖定效果圖

3.2 尋燈控制策略和效果

在設(shè)計小車尋燈的程序中，設(shè)計了速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)，轉(zhuǎn)向環(huán)為內(nèi)環(huán)。找到信標(biāo)燈后，小車要快速定向追蹤到信標(biāo)燈壓燈、滅燈，滅燈后要有合適的原地轉(zhuǎn)動速度以快速尋找下一個信標(biāo)燈。在滅燈、尋燈的過程中，小車能夠選擇停留在信標(biāo)燈上進行無線快速充電以獲取下一次追蹤信標(biāo)燈時消耗的電能。最優(yōu)化路徑、無線充電效率以及尋燈充電策略作為本次比賽角逐的要點。

采取了切燈斜邊的方法使小車跑動更加流暢，同時使磁鐵完美貼合信標(biāo)燈達到滅燈觸發(fā)要求，以達到快而高效滅燈的競速要求。轉(zhuǎn)向速度的控制主要考慮路徑最優(yōu)化，在接近信標(biāo)燈時提前拐一個小角度在信標(biāo)燈切線方向行駛，滅燈時加速轉(zhuǎn)向。此方法的難點在于精準(zhǔn)控制小角度轉(zhuǎn)向以及速度把控，根據(jù)多次試驗以及Matlab進行速度和方向擬合，轉(zhuǎn)化為控制算法寫入單片機中，最終小車制作實物效果如圖8所示。

圖8 最終小車實物

4 結(jié)語

根據(jù)競賽要求在紅外信標(biāo)燈自動追蹤的同時完成自動續(xù)航充電，本文描述了LCC 恒功率無線充電的控制為小車進行高效無線充電，對紅外圖像采用連通域方法尋找信標(biāo)燈坐標(biāo)，實現(xiàn)智能小車精準(zhǔn)的信標(biāo)定向循跡追蹤。這種設(shè)計方案在比賽中獲得成功，對于其他項目開發(fā)具有一定的借鑒意義，為今后的相關(guān)研究打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。