基于電磁場尋線智能車傳感器的布局及控制策略

楊陽,蘭一星,袁靖

(樂山師范學院 物理與電子工程學院,樂山 614000)

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基于電磁場尋線智能車傳感器的布局及控制策略

楊陽,蘭一星,袁靖

(樂山師范學院 物理與電子工程學院,樂山 614000)

本設計是以“飛思卡爾”杯全國大學生智能車競賽為背景的電磁場檢測的尋線智能汽車。系統的特點是充分利用磁場檢測傳感器的布局來識別路徑，以達到在速度較快的情況下控制小車的舵機轉向。本文主要介紹了傳感器的布局方法和轉向與速度的控制策略。實驗證明該系統的傳感器布局和控制策略能較好地互補，使小車達到最佳狀態。

智能車；電磁傳感器；舵機控制；PID算法

引 言

以通電導線產生的磁場對智能車進行引導的優點在于不受光線、溫度、濕度的影響，外界干擾小，控制可靠。但是以往的電磁車的傳感器布局一般為單排，其缺點是只能確定傳感器相對于賽道中心的位置而不容易判斷出車身的位置，導致轉向時不能得到最佳的控制策略。因此本設計實驗了雙排傳感器的方案。理論分析和實踐證明，雙排傳感器的布局方法比單排傳感器信息量大，控制線性化好，轉向和速度更為優化。

1 設計原理

1.1 基本原理

根據電磁學基本理論，我們知道比賽賽道上的導線在通入了20 Hz、100 mA的電流后產生磁場。

在此穩恒磁場中放置一電感線圈，線圈中感應電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導線的距離。公式如下：

其中k為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關的一個量。該公式說明，在導線周圍不同位置，磁感應強度的大小和方向不同，電磁傳感器在不同位置獲得的信號強度也不同，由此可以確定賽車前方的轉向和車身當前位置。

1.2 本車傳感器的布局及設計

圖1 傳感器布局圖

我們在小車前方50 cm采用三個電感線圈與中心導線相垂直、兩個電感線圈與中心導線相平行的方式來布局，主要用于判斷小車將要進入的賽道道路彎曲程度和路況。在小車前方15 cm處與中心導線相垂直的方向放置兩個電感線圈，來判斷小車車身當前偏離中心線的位置，還可以判斷車子是入彎還是出彎。整個系統電磁檢測傳感器的布局如圖1所示。

圖2 垂直布局傳感器感應電勢與中心導線的位置關系

當車模在直道上從左至右水平移動時，前排和后排垂直放置傳感器的感應電勢值與中心導線的位置關系如圖2所示。數據均經過了濾波、限幅和歸一化處理。

圖4 放大和檢波電路原理圖

從圖2可以看出，傳感器垂直布局時，在直道上偏離中心線越遠，感應電勢值越小。采用多個傳感器對稱布局而不是單一傳感器的優點在于不僅能計算偏離距離，而且能得出偏離方向，簡化系統硬件設計。

前排另外兩個電感線圈水平豎直放置，在直道上與賽道中心導線成平行方向，因此其在直道上所感應電勢值較小，如圖3所示。而在彎道上，由于與中心導線具有一定角度不再平行，這兩個電感線圈感應電勢的絕對值和變化率均變得較大，所以用其檢測前方道路彎曲程度和小車面臨轉向角度是可以考慮的較好方案。

圖3 平行布局傳感器感應電勢與中心導線的位置關系

2 數據采集和處理

2.1 檢測信號采集

為了能不失真且放大倍數較大，在經過了三極管分立元件、LM386集成運放和NE5532的測試后決定用NE5532來作為磁場檢測信號的放大模塊，并用肖特基二極管在作為檢波元件，其原理圖見圖4。

放大倍數決定于可調電位器P2的值比上R1的阻值(10 kΩ)，是可以調節的。一般將信號放大300倍,使其最大值達到3～5 V較為理想。

2.2 檢測信號處理

經過A/D轉換存入單片機的采集數據需要進行處理才能用于控制。首先，針對磁場檢測信號易受干擾的特點，對數據進行了平均值濾波、限幅等處理；針對電感元件參數的雜散性和安裝誤差等情況，根據電感感應電勢掃描的極大極小值對采集數據進行了歸一化處理；根據關系曲線的畸變情況，對數據進行了削頂限幅和修正補償。

3 轉向和速度控制策略

PD控制策略是智能汽車速度與轉角控制的較佳方案，但需將通常的PID控制算法進行修正和完善。

在直道上，前排垂直布局的三個電感的感應電勢的絕對值和變化率均較大，精度和靈敏度高，適合于將此三個電感線圈在磁場中感應電勢的差值與和值的比值作為PD控制中的P值。采用差值與和值相除方式的優點是可以不受上坡下坡時傳感器值異常的影響。

前排三個垂直對稱布局傳感器感應電勢的和值與中心導線距離的關系如圖5所示。可以看出，中心線附近感應電勢的和值變化較小，這與直道上小車稍微偏離中心線時，調整小車位置所需要的轉向角度不宜過大相適應，否則容易引起小車行駛過程中振蕩。因此，和值適于用作小車的轉向控制。只是如前所述，需要對和值在中心線附近的畸變進行削頂和修正。

圖5 對稱線圈感應電勢和值與中心導線的距離關系

前排另外兩個電感平行于中心導線放置，其在直道上感應電勢的值較小，在彎道上感應電勢的絕對值和變化率卻較大，適合用于檢測彎道，因此在轉彎過程中將其加入PD控制算法來控制小車轉向。

通過后排兩個垂直布局電感的感應電勢，可以判斷小車車身偏離中心線的位置，以及當前車子是入彎還是出彎，其值適于作為PD控制算法中的D值。

在得到可靠的道路信息和車身位置后，就可以用合適的算法來計算舵機轉角，然后進一步根據轉角的大小來控制電機的轉速，見圖6。

圖6 信號處理及速度轉角控制圖

結 語

[1] 臧杰，閻巖．汽車構造[M]．北京：機械工業出版社，2005.

[2] 孫同景，陳貴友．十六位單片機原理及嵌入式開發技術[M]．北京：機械工業出版社，2008.

[3] 王威．HCS12微控制器原理及應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4] 桌晴，黃開勝，邵貝貝．學做智能車[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007.

圖7 節點測試結果

測試表明節點用于采集環境溫濕度數據，檢測距離遠并且運行穩定。該設計節點的通用性良好，組網方便，具有擴充能力與發展余地，并可接入互聯網方便遠程測控與資源共享，具有較強的實用性。

參考文獻

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賈浩強(碩士生)，研究方向為嵌入式系統；李耀(碩士研究生導師)，研究方向為嵌入式系統。

(責任編輯：楊迪娜 收稿日期：2013-12-26)

Sensor Layout and Control Strategy of Intelligence Automotive Based on Electromagnetic Field

Yang Yang, Lan Yixing, Yuan Jing

(College of Physics and Electronic Engineering, Leshan Normal University，Leshan 614000， China)

This design participates "Freescale" cup national smart car competition as the background design of electromagnetic detection line smart car. The characteristics of the system is to make full use of the magnetic field detection sensor layout to identify paths, in order to achieve the fast steering gear steering control under the condition of the car. This article mainly introduces the sensor layout method and the steering and speed control strategy. Experiments prove that the system of sensor layout and control strategy can complement each other, making the car achieve the best state.

smart car; electromagnetic sensors; steering gear control; PID algorithm

TP368.1

A

珍

2013-12-03)