电磁感应车双车追踪设计与实现

刘 强

（四川工商学院，四川成都，611745）

摘要：本设计通过对小车设计制作整体思路、机械调教、电路设计、算法设计、调试等方面的介绍，详尽地阐述了整个设计过程的思想和创意。具体表现在机械的合理规划、电路的创新设计、算法方面的独特想法。

关键词：电磁；无线；追踪；控制

Design and implementation of dual vehicle tracking in electromagnetic induction vehicle

Liu Qiang

（Sichuan Technology and Business University，Chengdu Sichuan，611745）

Abstract ：This paper describes the design process of the whole idea and creativity.Specific performance in the rational planning of the machinery,circuit design,the unique idea of the algorithm.

Keywords ：electromagnetic;wireless;tracking; control

1 系统结构

图1 系统总体方案图

如图1 所示，本系统结构主要由MK60DN512ZVLQ10 单片机构成的主控制模块、电源模块、传感器模块、信号处理部分、电机驱动模块、测速模块、无线传输模块、测距模块、人机交互模块等模块组成。主控制器选用由恩智浦公司的K60。赛道中心铺设通有频率为20kHz、电流为100mA 交流电的细铜线作为智能车的引导线，车体前方的电磁传感器实时采集车模在赛道上的位置信息， 经运算放大器AD620 放大信号后，送入微控制器内部的ADC 单元进行模数转换，经过算法处理得到相关的偏差参数。将所得到的偏差参数进行相应的函数运算并结合比例- 微分运算用于智能车的转向控制。通过编码器测速模块实时检测车速，采用微控制器的输入捕捉功能进行脉冲计数，计算出当前速度。当前速度与通过偏差参数实时计算出的当前目标速度进过PID 运算达到速度闭环控制，通过PWM 信号控制驱动电路调整电机的转速，使当前速度无限接近目标速度，完成智能车速度的闭环控制。通过无线模块实现两车通信，把超声波不断的进行两车距离测量的信息和其他信息实现共享，做出相应控制，保证两车都运行在设定的安全距离。此外，使用了按键作为输入设备、拨码开关实现档位选择、OLED 作为显示器辅助调试。

2 智能车机械结构调整与优化

几乎智能车系统全部的控制都是在一定的机械结构基础上实现的。因此在设计整个软件架构和算法之前，一定要对整个智能车模的机械结构和原理有清晰的认识，然后建立数学模型。再根据具体的设计方案和跑法来调整智能车的机械结构，并在调试过程中不断的改进和优化。前轮、差速器和重心的调整都很重要。良好的车轮定位使汽车在正常运行过程中，能够达到直线行驶稳定、转向轻便、转向后能自动回正、减少轮胎与转向系零件磨损等效果。车轮定位主要调节主销后倾、主销内倾、车轮外倾、车轮前束。车辆理想的转向模型，就是在轮胎不打滑的情况下，忽略左右轮因受力不均产生的变形和轮胎受重力影响的变形下的转向建模。

合理的转向机构在车辆运行中起到重要的作用。合适的前轮机械可以使车直线行驶时不会跑偏，保证车辆行驶的方向稳定；而车辆转向时，合适的前轮机械可以使车自动回复到直线行驶状态，具有好的回正性。正因如此，转向系统优化设计为机械结调教部分的重点部分，直接关乎智能车的运行性能。舵机的转动带动横拉杆实现的赛车的转向。舵机的转动速度和功率一定，想要加快转动的速度，可调节舵机的安装位置和加长横杆长度。速度和力矩此消彼长，追求速度快，则损失了力矩。在设计规划时应综合考虑响应速度与力矩的关系，通过不断的调整得到一个较匹配的转向效果。由于本系统的模型车的差速器为硬件差速（被动差速），差速器的好坏，对车的过弯性能有着很大的影响。车的重心和重量等因素决定差速器的松紧，车速低不容易体现出差速器的性能，当车速很快的时候差速器的性能就尤为重要。通过调节前轮机械和差速器，我们要达到的最理想效果是：无论何时，特别是在过弯时，四个轮子作纯滚动。为了达到较远的前瞻，就必须把碳素杆支架加长，这样就会引起重心靠前，导致后轮的压力不足，为了使重心后移，同时又要保证车模的运行稳定，应尽量减轻车模的重量，特别是前瞻支架的重量，同时把电池往后移，使用车模配套的零件降低底盘。电机齿轮为传动轮，衔接太紧转动阻力大，噪音也大。衔接太松容易磨损齿轮，磨损到一定程度声音会变大， 容易扫齿导致毁坏齿轮。而编码器齿轮只需要稍微调节一下即可。调节好后，转动起来非常轻松，车运行的时候很安静。

3 硬件设计7

设计与研发

2016.10

电源模块为系统的各部分提供所需要的电源。电源的稳定性和可靠性是整个硬件电路运行的基础。全部硬件电路的电源由7.2V、2000mAh 的镍镉电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压不同，所以选用了多个稳压芯片组成了不同电压的电源模块。车在启动时会产生很大的冲击电流，对其他电路造成电磁干扰，导致电池两端的电压下降，拉低稳压电路所需的最低电压值，使单片机出现复位。为了解决冲击电流的影响，可在电源中增加大容量的电解电容。

电感感应信号较微弱，并且混有杂波，因此很有必要把信号进行处理。常进行以下三个步骤能够得到较为理想的信号：信号的滤波，信号的放大，信号的检波。

电机驱动电路为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由四只支 N 沟道功率 MOSFET 管和四只P 沟道功率MOSFET 管组成，额定工作电流可以轻易达到 100A 以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。

4 软件设计

舵机和电机通过FTM 模块来控制，S-D5 舵机频率300Hz， RS-540 电机频率35KHz（避免电机干扰电磁感应）。ADC 模块采样电磁传感器的电压信息，用来判断车体相对赛道位置和赛道元素，I/O 模块主要用来作为人机交互。PIT 模块作为定时器产生4ms 的定时中断，其中转向控制程序与速度控制程序均在PIT 中断当中完成。ADC 采样程序和数据的处理在主函数中完成。超声波模块测距（一收一发）和NRF24L01 无线通信模块相互通信服务程序均在中断函数完成，控制两车速度来达到全程近距离的效果。

微控制器ADC 单元分别采集五个电感值，进行平滑滤波使信号稳定，与之前开机每个电感采集的最值进行归一化运算， 归一化处理分为传感器标定与数据归一化。 赛道位置（偏差）的解算是整个智能车运行的基础，为智能车的重中之重。舵机的控制是传感器检测到的电磁信号通过拟合出的偏差来实现打角的，舵机的控制基本分为方向判断和打角控制。

一个好的速度控制能在不同赛道位置准确的给出目标速度，电机对目标速度响应迅速，系统在干扰下速度依然稳定。速度策略的基本思想是直道快速，弯道减速。电磁双车追踪不仅仅两辆车各自速度要快、稳定性要好，还必须有很好的配合，达到跟踪距离近。大体控制策略为：前车不管后车，自己按照自己的档位运行。通过后车来跟踪前车，距离太近减速；距离远，如果后车又在弯道，那就按照自身正常的速度控制运行，其他情况都加速追踪。对于坡道能否过好，除了识别和坡道算法，还得速度控制。直角几乎不用特殊处理，只需适当减速就好。太快的速度过直角，损失了路径和稳定性。十字处磁场叠加，强度很大。在十字处采用水平电感判断方向。如果有弯道入十字，必须准确识别出是弯入十字再做处理；出十字弯必须处理，接近十字的时候，垂直的电感会比其他地方值都大很多，用大于阈值的部分来补偿计算偏差，效果比较好。当相邻赛道隔得很近或者车路径差，前瞻已经感应到相邻赛道信息，此时车很容易就窜道了。判断方向电感值必须限幅（下限），过滤掉突变电感值（硬件电路稳定）。直接用PID 刹车，待车停稳后再关闭电机。

5 总结

本系统主要体现机械调教、硬件电路制作和软件算法设计。在设计过程中，涉及传感器数据处理、舵机打角控制策略、速度控制算法和双车控制策略的实现。分析了整个智能车系统，在车模机械、硬件设计和算法设计与优化上都有许多改进与创新。

参考文献

[1] 邵贝贝：嵌入式实时操作系统LC ／ OS- Ⅱ，清华大学出版社， 2004.5，P15-P27

[2] 邵贝贝：单片机嵌入式应用的在线开发方法，清华大学出版社，2004.8，P99-P108

[5] 卓晴、黄开胜、邵贝贝：学做智能车，北京航空航天大学出版社，2007.1，P12-P33

作者简介

刘强，男（1982.8—），汉族，四川邻水，硕士，讲师，研究方向：自动控制、嵌入式控制。

（上接14 页）

从30% 到90% 时，相对应的驱动电流、光辐射能量的测量值。

表1 PWM 对光能量的控制实验数据

分析表中数据得出，所设计的阵列UV-LED 光源驱动电路能够提供0~1000mA 可调的恒定驱动电流，各组驱动电流独立可调。PWM 调光电路输出方波的占空比即可调节UV-LED 的驱动电流， 从而改变LED 发光强度，且在工作范围内成线性关系。

4 结论

根据光固化对紫外光源的需求，响应国家节能减排的号召，利用市面上现有的UV-LED 灯珠和恒流驱动电源模块的特性，设计了一种阵列UV-LED 光源驱动控制电路。对该驱动电路的设计原理进行了介绍，并用实验证明了该电路的可行性。本驱动电路性能稳定、成本低廉，并且由于其结构灵活，可根据实际需求增减系统的LED 数量以适应不同工艺的需求，若采用更大功率的UV-LED 灯珠，本驱动电路仍然适用。

参考文献

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[3]HONG Xiao-yin, JIN You-kai, JIN Yang-zhi. Overview of radio-cure technology in china[J].Thermosetting Resin(热固性树脂),2002,17(1):31-34. （in Chinese）

[4] 赵欢，许文海，芦永军.LED 阵列型紫外光固化光源系统[J]. 光电子·激光，2007，18（11）：1314-1316.

[5] 周秀云，张涛，尹伯彪，黄建国. 光电检测技术及应用[M]. 北京: 电子工业出版社，2009.

作者简介

李小蓉（1990 －），女，本科，初级工程师，主要研究方向：光电子技术。8

设计与研发