發布時間：2019-03-28所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：以S9KEA128單片機為主控，設計了一套電磁循跡智能車系統。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、運放模塊的設計方案、差比和偏差算
摘要：以S9KEA128單片機為主控，設計了一套電磁循跡智能車系統。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、運放模塊的設計方案、差比和偏差算法、速度PI閉環控制、方向PD閉環控制等。經過實驗驗證，該智能車能夠以不低于2m/s的速度自主完成鋪設有環島、S彎、U型彎、十字路口等元素的賽道，循跡效果穩定可靠，升級空間較大。
關鍵詞：智能車,單片機,電磁尋跡算法,差速控制,無線充電
第十三屆全國大學生智能車競賽(后簡稱大賽)題目設定宗旨：在“立足培養、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”的指導思想下，同時兼顧當今科技發展的新趨勢。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，在新能源汽車領域備受關注。同時超級電容所擁有的充放電路簡單、安全系數高、超低溫特性好等特點使其適合于工程項目應用。
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生化學反應，儲能過程可逆、充放電次數多，對環境十分友好。在超級電容廣泛應用于汽車領域、無人駕駛技術領域的背景下，大賽新增了無線節能組。按照大賽要求，設計并制作一款將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。電磁信號經過放大整流后輸入到微控制器ADC模塊進行數字化處理，之后由程序對數據進行處理，解算出路徑偏差后控制電機差速轉彎，實現循跡功能。實驗流程：超級電容先放電使兩端電壓不超過0.1V。
小車停留在充電區域，開啟地面無線充電發射裝置，待程序檢測到超級電容兩端電壓達到一定數值后，則認為充電完畢，控制電機駛離充電區域。出發后車模能夠沿著賽道自動運行兩圈并停在指定區域內。本文設計的技術核心為無線充電技術、賽道路徑判斷，所提出的設計方案源于反復實踐與測試，結果可靠。
1智能車機械設計
小車采用3D打印車身、兩輪前驅配一個全向輪后輪的設計。驅動電機采用市面上常見的自帶電調的五線調速無刷電機[1]。智能車通過兩個電機差速實現轉彎。電感電容對安裝在車頭前瞻支架上，距離后輪軸心40cm處(大賽要求前瞻最長僅能伸出到距離后輪中心40cm處)，距離地面18cm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，增強小車循跡穩定性。
2智能車硬件設計
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，利用電磁感應原理接收來自地面電磁導線的正弦信號。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島循跡。運放模塊將采集到的微弱正弦信號放大后整流轉化為直流輸入到微控制器的ADC模塊進行數字化處理。
根據路況信息，微控制器通過集成的FTM模塊產生兩路占空比不同的PWM波、輸出控制量，調整兩個電機轉速進行差速、控制方向，以此實現尋跡功能。智能車的速度采集通過512線編碼器完成，輪子轉過一圈編碼器會產生固定的脈沖個數。脈沖信號經微控制器FTM模塊采集，折算為輪子的實際轉速。智能車同時還需要配備藍牙串口HC-05、OLED顯示屏、按鍵進行信息傳輸、人機交互，方便程序調試，應當在主控板上添置相應接口。
2.1能源系統電路設計
智能車通過無線充電接收模塊從地面發射裝置中取電，向法拉電容充電后再供給電路其他部分。
2.1.1無線充電模塊設計
無線充電模塊可簡單分為兩部分：整流輸入部分和穩壓輸出部分。整流部分包括接收線圈、諧振電容和整流二極管，將接收的交流電轉換為直流電。大賽規定地面無線充電發射器輸出功率為640kHz/30W。接收線圈選用5匝多股漆包線，配4.7nF的高壓高頻電容作為諧振電容。接收線圈內切于發射線圈正上方5mm處，整流部分輸出電壓約為30V。穩壓器件選用凌力爾特公司設計生產的LTC3780，寬電壓4～36V輸入、輸出0.8～30V可調，經測試符合需求。為了防止法拉電容組過充，采用LM358比較器進行保護，當電容組電壓達到或超過設定值時(由滑動變阻器調節設定值)，比較器輸出為高，拉高LTC3780的RUN引腳使其關斷。
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60F耐壓值為2.7V的法拉電容串聯組成，帶有BW6106均壓保護芯片，對應保護點為2.45V，法拉電容組充電輸入、輸出電壓范圍為0～12.25V。智能車上的微控制器、運放芯片、OLED顯示屏等都需要5V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2.0～16V，輸出為5V。
智能車的五線調速無刷電機供電輸入范圍為8～16V，功耗較低。為了使電機能夠更好地響應，供電電壓要盡可能高。綜合考慮，采用德州儀器設計生產的TPS61088升壓輸出12V電壓為電機供電。
2.2智能車運放模塊設計
賽道中心鋪設有一條直徑為0.1～1.0mm的電磁引導線，通有20kHz，100mA的交變電流。傳感器架設于前瞻支架上(離地面約18cm處)。為保證程序的處理精度，應將微弱的電磁信號放大。經驗證，德州儀器公司設計生產的四路運放芯片OPA4377符合使用需求。
3智能車軟件設計
3.1路徑識別
根據畢奧-薩伐定理可知，電感檢測到的感應電動勢會隨小車遠離載流導線而減小。采用經典差比和(歸一化)算法，即利用兩個電感的電壓值“作差、作和、再相除”的思路對歸一化后的數據進行處理，運算出的結果數值與智能車偏離賽道中心角度正相關(但并非線性關系)，運算結果數值的正負與智能車偏離的方向對應[2]。
3.2智能車控制算法
控制算法分為如下三部分：(1)方向閉環PD控制;(2)速度閉環PI控制;(3)電機驅動程序，需要花費一定時間調整兩個控制閉環的參數才能達到良好的控制效果。
3.2.1方向閉環PD控制
方向閉環控制可以使智能車轉彎響應更快、更準確，同時增強了系統的穩定性(相比開環控制而言)。程序片段如下(5ms執行一次此程序片段)：floattemp[4];//存放偏差(POSITION)intDir_out=0;//存放PD控制輸出的占空比差值floatdiffer=0.0;//存放微分結果floatKp，Kd;//存放P與D的系數temp[3]=temp[2];temp[2]=temp[1];temp[1]=temp[0];temp[0]=POSITION;//刷新，歷史數據往后遞推differ=(temp[3]-temp[0])*100;//求微分，并放大100倍(微分限幅后略)Dir_out=Kp*POSITION+Kd*differ;//PD算法。
3.2.2速度閉環PI控制
因為兩個電機之間存在差異以及外部因素影響，如兩輪的重量、重心位置不同、外胎摩擦力不同、地面凹凸不平等，導致即使輸入相同占空比的PWM波，也無法使兩個輪子輸出的轉速一致，使得智能車在行駛過程中始終處于一種偏離方向的狀態，高速行駛時不利于控制。為了減少這種情況對智能車的影響，采用PI控制算法對兩個輪子分別進行速度控制，使得在某種程度上兩輪速度接近。
此外，當智能車車速上升到一定程度時，會因為速度變化不平滑引發失控，出現賽道打滑、彎道沖出的問題。利用PI速度控制算法可以有效緩解這些問題。輪子的速度由512線編碼器采集。值得注意的是，對編碼器采集的數據應當進行濾波處理，綜合多方面考慮，最終決定進行一階低通濾波處理[6]。
程序如下(25ms執行一次)：voidPID_Banlance(intSv)//Sv為設定的目標速度{floatKp=1.0，Ki=0.10;//存放P與I的系數staticintSEK_L，EK_L，Pv_L;//分別存放歷史偏差總和，當前偏差，濾波后的當前速度intspeed，SpeedCtrl_L;//分別存放編碼器采集回來的當前速度，PI輸出結果Pv_L=0.90*speed+0.10*Pv_L;//一階低通濾波EK_L=Sv-Pv_L;SEK_L=+EK_L;SpeedCtrl_L=Kp*EK_L+Ki*SEK_L;//PI算法(后面限幅略)}//右輪程序相同。
3.2.3電機驅動程序
融合方向環和速度環控制量，輸出兩路PWM控制兩個電機(本文設計采用的電機使用單極性PWM波控制)。程序如下：VoidGo_motor(intSpeedCtrl_L，intSpeedCtrl_R，intDir_out){Intout_L=0，out_R=0;//控制左輪的最終占空比，控制右輪的最終占空比out_L=SpeedCtrl_L-Dir_out;out_R=SpeedCtrl_R-Dir_out;//兩輪差速}//后相關程序。
4結語
傳統基于影像光學的循跡方式因對外界干擾抵抗能力差，很多時候都不能較好地滿足客戶對于穩定、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、抗干擾能力強等優點，電磁導航技術已成為當前工業運輸自動化研究的重點。本文針對電磁導航技術和超級電容的應用特點，結合無線充電技術、路徑偏差算法、PID控制算法，提出一種電磁循跡智能車系統設計，具有成本低、穩定性高等優點，可以滿足大多室內無軌運輸的需要。
本文方案還有很大的提升空間，其改進思路如下：(1)無線充電的過程最好由反饋程序控制，實時調整充電電流，完成法拉電容組的自適應充電，使充電更快;(2)智能車循跡的實時性要求較強，應當使用嵌入式實時操作系統;(3)當前采用的經典PID控制算法太依賴參數，受到外界強烈干擾容易引發失控，應當采用更先進的PID控制算法。
參考文獻
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