電磁導向智能車設計探討

鞠寶鋒等

摘要：文章主要介紹了以MK60DN512VLQ10微控制器為核心控制單元的電磁導向智能車。其使用6*8mm 10mH工字型電感進行路況采集，通過舵機打角、雙電機差速實現對智能車方向控制和速度控制；采用干簧管對起跑線進行檢測，實現停車控制。電磁導向智能車的設計及開發過程中主要涉及車模機械結構調整、控制算法的開發、信號采集放大電路和電機驅動電路的設計。

關鍵詞：微控制器；智能車；電磁導向；PID；電磁傳感器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2015）25-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.007

1 設計思路及方案的總體說明

電磁引導智能汽車利用麥克斯韋電磁場理論，通過100MA的電磁傳感器采集線交流電產生的電磁場測試路徑。電感采集的電壓經過信號放大、檢波和整流輸入單片機，實現對中心線的提取。智能車采用PID進行速度控制，PD進行方向控制。其通過中心線的提取判斷車身角度，并結合路況的不同，通過舵機打角、電機差速為小車選取最優路徑。

根據智能車系統的基本要求，我們設計了系統結構圖，如圖1所示：

2 機械結構設計

2.1 主銷后傾角

主銷后傾角安裝在前軸，主銷上面稍微向后傾斜角度。它使車輛離心力形成產生的轉矩和車輪的方向相反的方向轉變，迫使車輪偏轉后自動恢復到其原始位置在中間。主銷后傾角較大，速度越高，前輪的穩定性更好。汽車主銷內傾和連鑄機自動校正，維持一個連續函數。調整主銷后傾角為1°～3°。

2.2 主銷內傾角

主銷內傾是內置的主銷內傾角，前角略其作用在于前輪自動回正，掩埋的前輪自動回大點的積極作用，而且越猛越費力，輪胎磨損增大角度；相反，前輪自動回正少作用越弱。主銷后傾角調節一般不超過8°。

2.3 前輪外傾角

在汽車橫向平面內，前輪外傾角中心策略，作為平前輪外傾。使前輪外傾，一方面對垂直滾動的車輪在路面，減小阻力，滑動小車向前；另一方面減小軸承鎖緊螺母和貨物，增加壽命，提高安全水平。前輪外傾通常為1°左右，但高速急轉彎到汽車前輪外傾，甚至可以減少負。

2.4 前輪前束

看下面的輪子，汽車的兩個前輪的轉動平面不平行，但小的角度來看，這種現象稱為前輪前束。車輪前束的作用是減輕或消除因前輪外傾角所造成的不良后果，二者相互協調，使前輪在汽車行駛中滾動而無滑動。本智能車將主銷后傾設為最大來獲得足夠的穩定性，適當的主銷內傾，前輪外傾保持0°和微前束。

2.5 傳感器的安裝

通過實驗我們得出：增大智能車的前瞻，可以使小車預判提前，留給單片機更多調整小車的時間，但前瞻過長會造成車體轉彎后擺，因此選擇堅固、較輕的支架架設傳感器并且選擇合適的前瞻距離，才會使小車獲得足夠的預判和合理的重心。采用盡量架寬傳感器的方案，以獲得豐富的車道信息，并且提前預知車道形狀。對稱水平電感只能實現直道和一般彎道的檢測，為實現對多樣道路的檢測，應采用水平與豎直電感相結合的布置方案。電感一定要盡可能水平放置，減小數據采集

誤差。

3 硬件系統設計及實現

3.1 單片機最小系統板

MK60DN512VLQ10是K60系列MCU。Kinetis系列微控制器是Cortex-M4系列的內核芯片。最小系統使用K60 144PIN封裝，為節省電路板空間，主板上僅將本系統所用到的引腳引出，包括PWM接口、計數器接口、外部中斷接口、若干普通IO接口，如圖2所示：

3.2 電源模塊

采用lm2940將7.2V電源電壓變為5V供給電機驅動與舵機（如圖3所示），用lm1117將5V電壓變為3.3V供給單片機與LCD（如圖4所示）。

3.3 放大電路和檢波電路的設計

因為電感感應出的電動勢非常小，且是差分信號，所以必須把電感采集的數據進行放大、整流、濾波，然后將信號輸給單片機。放大電路采用LM386集成電路放大、整流、濾波，如電路圖5所示：

3.4 電機驅動模塊設計

電機驅動模塊采用BTS7960，該芯片帶有電流檢測與診斷，壓擺率調整，死區保護，過熱、過壓、過流和短路保護，能夠支持高達25kHz的PWM輸入，具有極低的內阻的特點。電機驅動模塊電路圖6：

4 軟件系統設計及實現

4.1 賽道信息的采集及數據歸一化處理

4.1.1 賽道信息的獲取。通過模擬測試。根據收集到的A/D值、合理的操作和導體的位置判斷，這種方法使空間分辨率可達2毫米，對當前的變化影響較小，適合汽車穩定性測試需求。

4.1.2 數據歸一化處理。將A/D的值做數據歸一化，計算出各個傳感器的相對位置，通過加權的方式最后計算出導線的位置，信號歸一化的公式如下：

相對值=[（測量值-最低值）/（最高電壓-最低電壓）]*100%

4.2 控制算法

4.2.1 舵機的PD控制。根據電磁傳感器采集到的偏移量，利用前后幾次偏移量之差進行PD控制。

舵機轉角為：

α=Kp*b+Kd*Diff

式中：Kp為比例系數；b為相對于中心的偏移量；Kd為積分系數；Diff為位置微分量。

4.2.2 電機的PID控制。對于速度控制，采用了增量式PID控制算法，基本思想是直道加速，彎道減速。對于速度的控制策略：在小偏差范圍內不進行差速處理，只由舵機打角進行車身校正，當小車偏離車道較大時，根據給定小車的運行速度，兩車輪輪速配合舵機打角適當差速的控制方法，偏大車身晃動而造成的速度丟失，同時保證了直道上的直線行駛。

5 結語

本文是基于MK60DN512VLQ10單片機，電磁信號基礎上討論一種電磁導向智能車，涉及控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學科，以實現讓車模能夠自動尋跡并自動控制運動，最終實現小車智能化。電磁導向智能車是未來汽車發展的一個

方向。

參考文獻

[1] 卓晴，黃開勝，邵貝貝.學做智能車——挑戰“飛思卡爾”杯[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2] 邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3] 蔡述庭.“飛思卡爾杯”智能汽車競賽設計與實踐——基于S12XS和KinetisK10[M].北京：北京航空航天出版社，2012.

作者簡介：鞠寶鋒（1992-），男，山東濰坊人，山東理工大學學生，研究方向：車輛工程。

（責任編輯：周 瓊）