基于K60單片機的電磁循跡雙車聯動系統

江南大學物聯網工程學院 楊子鵬 王 威 徐穎秦

1.引言

近年來，智能制造浪潮席卷全球，現代工廠對自動化、智能化的要求越來越高。借助電磁自動引導裝置，在規定的路徑上實現自主行駛的無人運輸車在智能工廠中具有極高的應用價值。電磁循跡雙車聯動系統借助電磁傳感器形成轉向閉環，可以使無人車沿著電磁線進行自主行駛；借助編碼器對車速進行速度反饋形成電機轉速閉環，可以使無人車按照預定速度行駛；借助鴛鴦超聲波可以形成車距閉環，使后車以恒定車距跟隨前車，形成雙車聯動。該系統采用的電磁循跡模式相比攝像頭、光電等光學循跡，不受光照等外界因素影響，可靠性強，且軌道鋪設的經濟成本低[1]，在智能工廠等領域具有一定的應用價值和發展前景。

2.硬件組成及設計原理

基于K60單片機的電磁循跡雙車聯動系統硬件組成原理如圖1所示。系統以K60單片機為控制器，以電磁傳感器、編碼器、鴛鴦超聲波為測量變送器，以舵機、電機為執行器，形成一套完整的運動控制系統。該系統同時配有按鍵與OLED顯示屏，實現車速設定、PID參數調節等功能。

圖1 系統組成原理圖

圖2 LM2940穩壓電路

圖3 編碼器電路

2.1 單片機主控制器

本設計選用飛思卡爾K60型單片機[2]，該單片機采用Cortex M4內核，是一款低功耗高性能的MCU，其內部有快速高精度16位ADC，滿足系統功能實現要求。 主控電路由K60最小系統板為主進行拓展，設置鴛鴦超聲波、編碼器、電磁傳感器、舵機、電機、OLED顯示屏等接口方便接線。整個系統采用7.2V電源進行供電，由于系統各模塊所需電壓為5V，因此搭載LM2940穩壓電路將7.2V電壓轉換成5V，如圖2所示。編碼器屬于漏極開路輸出，需要增加上拉電阻，如圖3所示。同時主控電路預留備用接口，方便拓展。

2.2 電機驅動電路

電機驅動采用兩個IR2104s半橋驅動器搭建全橋電路[3]，如圖4所示。IR2104s的VCC端需要接12V電源，采用圖5所示的LM2577升壓電路將5V升高為12V供其使用。為保障單片機的安全，采用74lvc245芯片將其與電機驅動隔離，如圖6所示。電機驅動有有兩個控制管腳，通過單片機控制，對IN1管腳輸入PWM波，IN2管腳輸入低電平時，可使電機正向轉動，同時實現無級調速；對IN2管腳輸入PWM波，IN1管腳輸入低電平時，可以實現電機反轉功能。

圖4 電機驅動全橋電路

圖5 LM2577升壓電路

圖6 74lvc245隔離電路

2.3 電磁傳感器電路

根據麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產生交變電磁場，通過檢測相應電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導線的空間位置。電磁引導線中通以20kHz的交變電流作為引導信號，可以有效避開環境中其他磁場干擾。采用LC串并聯電路對電磁信號進行選頻放大，電感選用330uH，電容選用100pF。電磁信號放大器如圖7所示。電磁傳感器上對稱分布4個電磁信號放大器，傳感器通過檢測智能車所處位置電磁場的強度和方向，再經AD轉換即可獲得它所處的空間位置，進而實現對智能車方向控制。

圖7 電磁信號放大電路

圖8 前車主程序流程圖

圖9 后車主程序流程圖

3.系統軟件控制算法設計

系統采用三個閉環進行控制，分別是轉向閉環、車速閉環、車距閉環。舵機轉向需要快速響應，因此采用PD算法進行控制[4]；車距控制要求精度高，采用PI算法進行控制；車速控制希望性能更優，因此采用PID算法進行控制。主程序流程圖如圖8和圖9所示。

4.結論

本設計以K60單片機為控制核心，通過編碼器對車速進行檢測，電磁傳感器對車空間位置進行檢測，鴛鴦超聲波對車距進行檢測，將檢測結果送入AD轉換器轉換成數字信號后傳送給K60單片機，對采集到的數據采用PID控制策略，單片機輸出相應的控制信號，實現對智能車速度、車距以及空間位置的控制。該系統對環境的適應性強，對智能車的控制精度高，能夠很好的實現對智能車速度、車距以及空間位置的控制，而且軌道鋪設成本低，經濟性好，在現代化工廠中有一定的應用價值。

[1]楊建姣,朱鳳武,齊跡．基于K60電磁循跡智能車系統控制策略的設計[J]．安徽電子信息職業技術學院學報,2016,15(2)∶9-13．

[2]隋金雪,楊莉,張巖．飛思卡爾”杯智能汽車設計與實例教程[M]．電子工業出版社,2014．

[3]閆琪．智能車設計[M]．北京航空航天大學出版社,2014．

[4]黎婷婷,葉夢君,喬德文,龍濤．基于電磁技術的智能車系統的軟件設計[J]．智慧工廠,2016(03)∶95-99．