基于电磁场检测巡线智能车系统的设计

基于电磁场检测巡线智能车系统的设计

谭凯伦、赵乾宇、郑祥勇

哈尔滨理工大学，山东省荣成市， 264300

本文介绍了基于飞思卡尔32位微控制器的基于电磁场检测巡线智能车系统。针对比赛的具体情况，我们建立了赛车、赛道和自主控制系统的基本模型，给出了理论分析、仿真计算、在线调试的基本开发方法，在比较各种算法的性能特点后，我们确定最终方案，并完成了智能车的制作和调试。

本系统以M4系列微控制器K60为核心，软件平台为IAR EWARM开发环境，车模为组委会统一提供的E车模。

文章介绍了整个智能车系统的硬件和软件设计开发过程。使用K60作为主控芯片，用安装在车头的电感来检测赛道信息，用陀螺仪和加速度计检测小车姿态，用光电编码器检测车模速度，用干簧管检测起跑线信息。整个系统的工作原理是由磁感应传感器采集赛道信息并经放大处理，与陀螺仪和加速度计采集的车模姿态信息和光电编码器采集的车模速度信息一起送给单片机，通过程序设计控制优化算法，控制电机的转速以达到车模在赛道上的稳定高速行驶。

关键字：智能车 K60 循迹 速度

1.1 概述

随着现代科技的飞速发展，人们对智能化的要求已越来越高，而智能化在汽车相关产业上的应用最典型的例子就是汽车电子行业，汽车的电子化程度则被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。同时，汽车生产商推出越来越智能的汽车，来满足各种各样的市场需求。

第十一届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竟赛就是在这个背景下举行的。比赛要求在大赛组委会统一提供的竞赛车模，我们选择了飞思卡尔微控制器K60为核心控制单元的基础上，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动等，最终实现能够自我识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制硬件系统。

本文先从总体上介绍了智能车的设计思想和方案论证，然后分别从机械、硬件、软件等方面的设计进行论述，重点介绍了芯片的选择和路径识别的方法，接着描述了智能车的制作及调试过程，其中包含本队在制作和调试过程中遇到的问题及其解决方法。整体结构框图如图 1-1 所示：

图 1.1 整体结构框图

1.2 整车设计思路

本组电磁车使用山外K60作为核心控制单元，使用多传感器大前瞻进行巡线控制，并且检测起跑线。使用了光电编码器对小车速度进行检测。并且增加了OLED屏和按键，以便更方便的查看小车数据，小车参数，以及整体策略。根据采集到的中线信息以及小车速度信息，对小车的转向以及速度进行控制，从而实现小车的循迹

2.1重心的调整

通过重心的调整，可使模型车转弯时更加稳定、高速。其调整主要分为重心高度的调整以及重心在整车上局部分布的调整。考虑到车子的稳定性，在保

证车模顺利通过坡道的前提下，我们尽可能的降低车子的重心。同时均匀车身重量，使重心在整车的中轴线上。由于靠前的重心会影响小车平衡位置，过后的重心又会导致侧滑，经过多次试验，我们找到了一个合理的位置安排重心。

为了降低电池的安装高度，我们拆掉了车模底盘周围的部分防护架，电池用魔术贴固定在底盘支架上，这样也有利于电池的更换；同时，直接将主板用热熔胶固定在底盘面板支架上。

2.2电感支架的设计安装

电感支架的重量对小车的转弯性能影响非常大，因为电感支架远离车重心的部分在转弯时会形成较大的离心力，如果支架较重的话就会导致车模在转弯的过程中发生甩尾。因此，我们尽力减轻电感支架的重量。为了追求质量的轻量化，我们用两个粗细不同的碳素杆，用热熔胶固定连接处，电感用热熔胶固定在靠近杆的末端。

2.3传感器的设计安装

2.3.1陀螺仪加速度计的安装

姿态传感器是测量小车姿态的传感器，应当与小车连接紧密。我们在调试的过程中发现固定在整个车模中间质心的位置，或者车模的底部，可以最大程度减少车模运行时前后振动对于测量倾角的干扰。与此同时安装角度传感器电路板时应该尽量保证陀螺仪传感器水平安装。如果陀螺仪安装不能够保证水平，则会影响车模过弯道时的速度。表现为车模在过弯道时速度变快或者变慢。分析车模在过弯道使得运动，车模在过弯道时同时具有两种运动：平动和转动。其中转动会带动陀螺仪转动。如果陀螺仪安装不是绝对的水平，那么这个转动就会在陀螺仪的Z轴方向存在一个分量。根据陀螺仪倾斜的方向不同，这个分量有可能是正，有可能是负。从而会使得车模控制“仿佛感觉到在上坡或者是在下坡”，引起车模的速度变慢或者变快。

2.3.2永磁铁的安装

为了能够触发计时系统，需要在车模底盘安装一块永磁铁作为标签。永磁铁距离地面高度在 2cm 以内。计时磁标可以永久粘在车模的地盘上，也可以在比赛前临时固定在车模的底地盘上。具体磁标固定的位置并不要求精确，计时的过程是检测该磁标前后通过磁感应线圈的时间间隔。

2.4 其他机械结构的调整

关于直立两轮车的机械结构方面可以改进的地方还有，比如说车轮、传感器的保护等方面。由于直立小车的直立行驶及转向都是通过后轮实现的，因此当小车在转向时，模型车的轮胎与轮毂之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力，而且使小车的状态不稳。因此，我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮毂错位而引起的驱动力损失的情况。另外，由于新购进的轮胎较硬，速度快时拐弯处明显打滑，因此需要对轮胎外胎进行适当的处理：软化或打磨。

3.1 单片机系统设计

单片机最小系统是智能车系统的核心控制部件。我们采用了M4内核32位的K60芯片。

3.2 电源模块设计

电源是智能车的原动力，电源供电的稳定性直接关系到整个系统的稳定性。所以我们要考虑电源的转换效率，尽量降低噪声，防止干扰。比赛规定智能车供电电源只能使用指定型号的7.2V 2000mAh Ni-Cd 电池供电。而系统单片机需要5V 电源；电机驱动电压为7.2V；一些运放电路以及其它IC也需要5V电源。5V电压，主要为放大电路、传感器模块、蓝牙、OLED模块、编码器等功能模块供电。由于核心板对电压质量高，因此采用纹波小的TPS7350供电，而电机驱动部分则采用LM2940供电，基本满足要求。

3.3 传感器方案

传感器是电磁车的眼睛，所以传感器模块即放大电路对于小车能否快速准确的捕捉路况信息十分重要。本系统根据LC谐振电路检测小信号的原理，选取10mH工字电感和6.8nf电容搭建LC谐振电路，但采集到的正弦信号的振幅一般只有几十毫伏，对于单片机来说太微弱。为了使单片机能够识别这种微弱信号，采用仪表放大器INA118放大信号，该芯片具有稳定，放大倍数大，外围电路简单等特点。再通过检波模块得到所需要信号。

3.4 驱动电路设计

电机驱动的设计，采用IR2104加MOS构成全桥进行驱动。IR2104是H桥式N通道MOS管驱动器集成电路，特别针对于脉宽调制电动机控制。它使基于桥式电路的设计更为简单和灵活。MOS管选用IRLR7843，具有大电流内阻极小的特点。其它外围电路还有BS0512，5V升12V集成电源模块，74hc08D，数字控制部分，也当隔离部分。