顧肖峰　楊宗良　于明亮

摘 要：文中采用全國大學(xué)生智能汽車競賽組委會認(rèn)定的L車模作為載體，以NXP的MK60FX512VLQ15為核心芯片，設(shè)計一種自動避障電磁循跡智能小車系統(tǒng)。為了提高電磁小車在室內(nèi)和室外運行的穩(wěn)定性和速度，增加識別坡道和橫斷路障的準(zhǔn)確率，軟件上運用了差比和與歸一化擬合處理電感值、增量式PID控制電機、位置式PID控制舵機等算法，硬件上運用了運算放大電路放大電感型號，單片機內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電感的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，BTN7971B驅(qū)動電機，MVR1EB測距模塊和超聲波相配合越過障礙物，運用藍(lán)牙模塊在線遠(yuǎn)程調(diào)試或者控制小車，通過上位機獲取小車具體信息，OLED顯示實時參數(shù)標(biāo)志位。最終結(jié)果表明，該電磁尋跡智能小車系統(tǒng)在實際的比賽中運行平穩(wěn)，性能可靠。

關(guān)鍵詞：K60;PID;循跡;電磁傳感循跡;避障;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);嵌入式

中圖分類號：TP271文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-0-04

0 引 言

第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽新增加室外電磁組，是為實現(xiàn)競賽的“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”的指導(dǎo)思想[1]。在電磁循跡廣泛應(yīng)用于生活各個場景之下，大賽新增加室外電磁組，其與以往傳統(tǒng)組別不同，其賽道僅僅是一根電磁線，小車需通過特定的元素如：正六邊形環(huán)島、坡道、橫斷路障、自動停車等。小車以32位微處理器MK60FX512VLQ15[2]作為主控芯片，利用電感電容LC諧振獲取賽道位置信息。位置信號經(jīng)過運算放大整流后傳入微處理器的ADC進(jìn)行數(shù)字化，再由軟件進(jìn)行歸一化等處理，得到具體的位置偏差。避障運用了MVR1EB測距模塊和超聲波測距模塊相結(jié)合。

1 整體設(shè)計方案

本系統(tǒng)通過電機PID閉環(huán)與舵機PD控制，電磁模塊獲取位置信息，停車檢測模塊獲取磁鐵的變化、顯示模塊可用于調(diào)試與顯示[3]，如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動電路采用英飛凌大功率驅(qū)動芯片BTN7971B組成的全H橋驅(qū)動模塊，具有過熱過流保護(hù)功能。雙BTN7971B H橋驅(qū)動電路具有強勁的驅(qū)動和剎車效果，最大電流43 A。

在程序上運用PWM信號來控制每路BTN的輸出，如圖2所示，用編碼器測定電機的轉(zhuǎn)速，通過增量式PID調(diào)節(jié)PWM，進(jìn)而控制電機轉(zhuǎn)速。單片機輸出PWM通過隔離芯片74LVC245到BTN7971B，隔離芯片如圖3所示。

2.2 電磁檢測模塊

根據(jù)電磁學(xué)的電磁感應(yīng)可知，導(dǎo)體中通入變化的電流（如按照正弦波規(guī)律變化的電流），相應(yīng)導(dǎo)體的周圍會產(chǎn)生變化的磁場，且磁場的與電流的變化具有一定的規(guī)律（即畢奧—薩伐爾定律）[4]。在此磁場中放置一個由線圈組成的電感，則此電感就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與通過線圈的磁通量的變化率成正比，公式如下：

（1）

由于導(dǎo)體周圍磁感應(yīng)強度的方向和大小不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也有所不同，因而可以確定電感所處的空間位置[5]。電磁模塊主要流程如圖4所示

圖4中選頻時依照進(jìn)行選擇，其電路如圖5所示。

2.3 電源模塊

整個系統(tǒng)的正常工作離不開電源模塊[6]。所需供電電壓如下：最小核心系統(tǒng)為3.3 V，編碼器[7]為5 V，電磁模塊為5 V、舵機驅(qū)動為5 V、OLED顯示為3.3 V。因而用LM1117-5 V和LM1117-3.3 V單獨給核心板供電;舵機驅(qū)動采用DC-DC LM2596S-5.0，其最大能輸3 A。其余外設(shè)全由另一個LM2596-5.0和LM1117-3.3 V供應(yīng)。電源模塊電路如圖6～圖8所示。

2.4 舵機模塊

由于舵機是使用的SD5舵機，其為三線舵機，包含：信號線、正極、負(fù)極。PWM信號通過74LVC245隔離芯片直接與舵機信號口相接，如圖9所示。

2.5 避障模塊

采用超聲波測距和MVR1EB模塊，前者采用普通GPIO口，后者采用UART串口獲取，兩者都為5 V供電，上下垂直放置。

2.6 測速模塊

本系統(tǒng)采用512線編碼器，編碼器自身直接輸出旋轉(zhuǎn)方向和脈沖。由于K60自帶正交解碼，因而使用更方便，如圖10所示。

3 軟件設(shè)計

從硬件電路可知，軟件部分由三部分：電機驅(qū)動算法、舵機驅(qū)動算法、避障算法。

3.1 電機驅(qū)動算法

本系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，采用增量式PID控制算法[8]。PID中P為比例項，I為積分、D為微分。增大P會縮短反應(yīng)時間，過大會導(dǎo)致過調(diào)。增大D會使得系統(tǒng)區(qū)域穩(wěn)定，但會延時。通過多次調(diào)試得到合適的PID值[9]，算法流程如圖11所示。

3.2 舵機驅(qū)動算法

舵機控制算法為開環(huán)控制，采用位置式PD控制。由電磁模塊獲取位置信息的感應(yīng)電動勢，通過K60的12位A/D轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號;再通過不同位置的電感之間進(jìn)行擬合歸一化處理，差比和后獲得一個位置偏差值;將此位置偏差值傳遞給PD算法，同時和丟線算法線結(jié)合[10]，判斷方向，最后輸出PWM控制舵機，其流程如圖12所示。

3.3 避障算法

通過一個超聲波一個MVR1EB激光測距模塊，可以獲取到兩個距離。由于超聲波具有發(fā)散性，因而在遇到坡道等相似路徑或者物體時，會出現(xiàn)測不準(zhǔn)，而激光由于聚合性高，當(dāng)傾角固定的情況下，幾乎不會出現(xiàn)測不準(zhǔn)。所以當(dāng)超聲波和激光模塊的距離相差非常小時，則遇上了橫斷障礙;當(dāng)兩者差距很大并且超聲波的數(shù)值跳動大時，很有可能是坡道。

之后通過對速度進(jìn)行積分，判斷何時避過障礙物，流程如圖13所示。

4 結(jié) 語

本文主要分析第十四屆“恩智浦杯”智能汽車競賽中的室外電磁組，以電磁循跡、歸一化，差比和處理電感為主，測距避障為輔，舵機PD控制和電機閉環(huán)PID控制相輔相成。結(jié)果表明，本系統(tǒng)在實際的比賽中運行平穩(wěn)，性能可靠。

參 考 文 獻(xiàn)

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