基于超級電容的電磁節能智能小車的設計

石 強 唐 軍 申 瑜 李 洋 張 強

(貴州大學電氣工程學院 貴州 貴陽 550025)

基于超級電容的電磁節能智能小車的設計

石 強 唐 軍 申 瑜 李 洋 張 強

(貴州大學電氣工程學院 貴州 貴陽 550025)

智能小車的設計將會沿著速度更快，更加節能的方向發展。本文基于該趨勢設計了一種以超級電容為電源，以電感作為路徑識別的傳感器的電磁節能小車。本文將從節能小車的系統方案，硬件電路，和路徑識別以及軟件的設計方面做出詳細介紹。其中，本文會分別說明超級電容作為電源的優點，以及小車電機的選取和以及路徑識別等。實驗結果證明，本次設計的電磁節能小車在節能方面有著很好節能效果。

超級電容;節能;智能小車;路徑識別

一、引言

智能小車的未來發展方向必然朝著速度更快，更加智能，以及更加節能的方向發展。經過多年的發展和設計，智能小車的設計在提高速度和智能化的方向已經取得了長足的進步，但是對于智能小車的節能設計才剛剛起步，因此而本文將重點放在小車的節能設計上。本文中的電磁節能小車由超級電容，電磁信號采集電路，恩智浦公司產的三十二位k60單片機，SD-5舵機，編碼器以及直流無刷電機動力系統組成。電磁節能小車由電磁信號采集電路采集電路，然后通過路徑識別算法由k60控制SD-5舵機控制方向，無刷直流電機結合編碼器提供前進動力。因此電磁節能車的設計分為以下部分：1超級電容的電源部分。2電磁信號采集電路部分。3 K60單片機作為CPU。4舵機方向部分 5直流無刷電機和編碼器組成動力反饋部分。

二、硬件電路圖

電磁的智能節能小車的硬件電路設計主要要從節能的方面考慮。在的分析中，由于超級電容放電的非線性，所以在超級電容的后面會加上一個升降壓模塊TPS6070.

從實驗可以得出，電磁節能車的電源硬件電路圖總體可以大致分為兩部分，第一部分為升降壓模塊TPS6070模塊，這個模塊的作用在于無論超級電容的電壓無論高于或者低于目標電壓時，在電壓的上下限值的范圍內，都能穩定輸出目標電壓，本文使用的TPS6070電壓模塊，有效的電壓利用功率達到98%，工作電流可以達到2A，可以很好的滿足我們的節能要求。第二部分為為各個子系統供電的供電部分，經過升降壓模塊穩定輸出目標電壓后，然后分別分別轉換為各個子模塊需要的電壓。

三、路徑識別算法

對于電磁節能智能小車的設計，優秀的路徑識別的算法往往是比較重要的。綜合各種路徑以及節能的綜合考慮，采用三路電感用于信號采集。對于電磁節能車，為了減少信號源不穩定的影響，在進行路徑識別算法之前，我們要對原始信號進行濾波以及歸一化處理，濾波的方法在于三路電感采集信號五十次，去除最大值和最小值，然后獲取均值，這樣可以防止信號突變帶來的信號失真。濾波算法如下：

假定一路電感采集信號50次，得到的值為C1,C2,C3……C50。然后利用冒泡算法獲取最大值以及最小值Cmax,Cmin。此時得到剩余N個值，然后利用均值算法得到我們最終的信號值C

(2)

與此同時為了減少信號源不穩定對路徑識別算法的影響，采取歸一化處理方式對信號進行處理。歸一化處理如下：

C=(C-Cmin1)/(Cmax1-Cmin1)

(3)

其中:Cmin1和Cmax1表示剔除最大值和最小值后剩余的值之間的最大值和最小值。經過歸一化處理過的信號將用于路徑識別。一般的道路，如直道，彎道以及十字，只要得到偏差即可用于舵機控制。假定左邊采集的電感信號為CL，中間電感采集的信號為Cm，右邊采集的電感信號為Cr。

dy=100*(Cr-CL)/(Cr+CL)

(4)

對于圓環，由于環內的信號會出現相互抵消的情況，所以需要算法識別他。圓環識別和處理算法步驟如下：

(1)圓環前通常有一段直道，即S

(2)進入圓環時，由于左右電感和信號線平行，信號采集值會急速減小，根據大量實驗，可以設定Slx以及Srx,當左路信號CL

(4)識別到圓環以后，還要出環，由于中間的電感是垂直放置，他進入圓環時信號會急速增大，但是在環內運動過程中，由于在圓環出口，中間電感會和信號線平行，會急速減小，即Cm

四、軟件程序設計

電磁節能小車的軟件程序設計可以分為幾部分，第一部分，是對信號的采集和處理。包括上一小節的信號濾波，和歸一化處理，以及求出濾波和圓環識別。第二部分，是通過獲取的偏差進行舵機和電機的PID控制。對于方向的PID控制，其核心思想在于把控制周期內的車輛狀態視為不變，在智能小車的行駛中，每20ms進行一次控制，可滿足要求。

其處理流程大致如下，對三路電感采集的信號進行濾波和歸一化處理，由于電磁圓環特殊性，需要特別識別，如果識別到圓環，需對圓環進行處理。最后獲取偏差結合PID算法對小車進行速度和方向控制。

五、小結

本文的電磁節能小車從以下幾個方面進行了設計，第一，選用能量轉換效率高的超級電容作為了本次電磁節能小車的電源。第二，為了獲取穩定的電壓輸出，選擇了TPS6070升降壓芯片，該芯片的能量轉換可以達到98%，工作電流可以達到2A。第三，電感電路在采集信號時異常耗電的，由于電磁節能小車的速度要求并不是太高，所以優化了電感電路，選取了三路電感作為了信號采集的傳感器，大大降低了能量損耗。第四，使用了光電碼盤代替了傳統的編碼器，以及使用了直流無刷電機代替了耗電的直流電機。第五，在程序上，優化了算法，使CPU耗電更少。實驗證明，本文設計的電磁節能小車的節能效果比傳統的電磁智能小車可以節約65%的電量。

指導老師：唐軍

[1]卓晴，黃開勝，邵貝貝，學做智能車-挑戰飛思卡爾杯[M].北京航天航空大學出版社，2017:1-18.

[2]李圣勇.大規模儲能電池管理系統的研究[D],南寧：廣西大學：2-4.

[3]孟彥京，張商州，陳景文，充電方式對超級電容能量效的影響[J],電子器件，2014,37(1):13-16.

石強(1994-)，男，漢，四川省廣元市旺蒼縣木門鎮杏埡村五組，研究生學歷，貴州大學，控制工程與科學。