四輪電磁智能車的研究與實現

賀佳輝 侯明 路悅 蔣澤鑫

北京信息科技大學，北京 100192

隨著汽車數量的急劇增長，對交通系統提出了越來越高的要求。優化道路網絡系統，提供安全舒適的駕車環境成為目前科技界需要攻克的一大難題。

在提出的各種解決方案中，無人駕駛技術脫穎而出，這種解決方法受到了越來越多的關注。而智能小車系統就是現實生活中的無人駕駛汽車的縮影，智能小車與無人駕駛汽車在核心控制方向有著極為相似的地方，因此，智能小車的研究對于無人駕駛技術的發展無疑起到了較大的推動。

本次設計的最終目的是要使用PID控制技術實現電磁循跡小車在軌跡上高速、平穩、準確地行駛。電磁循跡小車就是要檢測賽道中心通有20 kHz、100 mA交流電的通電導線所產生的交變電磁場，并使小車沿著導線所形成的軌跡進行平穩的行駛。本文將使用三個工字電感檢測導線產生的交變磁場，從而辨別車在軌跡上的位置。工字電感產生的交變信號通過整流、濾波，并經過運放將交流信號轉變為直流信號，以便于單片機讀取并解算位置。

二、硬件電路部分

在智能車整體系統的搭建中，硬件電路的作用就有如建筑物的地基，在整個系統中占有舉足輕重的地位，尤其是到了后期速度快了之后更是尤為明顯。

智能小車的硬件可以主要概括為五個部分：單片機系統模塊、主控電路模塊（藍牙串口傳輸模塊、液晶及按鍵模塊）、電池供電及電源管理模塊、路徑檢測模塊、測速模塊以及直流電機驅動模塊和舵機控制模塊。 硬件電路整體組成見圖1所示。

1、單片機最小系統模塊

最小系統部分是整個智能小汽車的“大腦”，是智能車系統采集以及處理信號的核心，所以最小系統的可靠性成為了整個系統穩定運行的重中之重。本文將使用飛思卡爾公司的K60作為系統的控制核心。采用飛思卡爾公司的K60單片機作為主控芯片，并使用了山外的最小系統板。使用三路ADC采集，兩路PWM，以及LPTMR模塊的脈沖計數功能，UART串口功能以及I/O口若干。

2、主控電路模塊

主控電路模塊以單片機最小系統為核心，延伸出小車各個模塊需使用的外設接口。外設接口是通過洞洞板把K60單片機的接口引出來的，主控電路的設計要求主要就是抗干擾能力強以及布局布線的整齊合理度。除了外設接口外，本系統主控板還設計了藍牙轉串口電路，OLED顯示屏部分以及鍵盤、LED等調試所用的人機交互模塊。

3、電池供電及電源管理模塊

電池供電及管理也是很重要的一部分，合理分配電源資源可保證小車正常運行。電池使用7.2 V、2000 mAh的鎳鎘電池作為動力保障，使用TPS7350作為穩5 V電壓源單獨為運算放大器供電；使用lm2940穩5 V給藍牙、編碼器等模塊供電；使用ASM1117-3.3芯片直接為單片機系統供電，這樣的供電管理為小車的正常工作提供了保障。電源供電模塊如圖3所示。

4、路徑檢測模塊

人正常走路首先通過眼睛看路，然后通過大腦決策控制雙腿正常走路。而我們這里的路徑檢測模塊就是相當于人身體中的“眼睛”。

智能車所在的電磁組的道路中心線鋪設有一根漆包線，里面通有100 mA的20 kHz交變電流。因此，在道路中心線周圍產生一個交變磁場，通過道路電磁中心線偏差檢測與電機差動控制實現方向控制。本車使用三個電感解算出小車的偏差，然后通過PID控制算法得到控制量，最后作用到舵機上實現小車的正常打角。

智能車采用10 mH的工字電感線圈搭配6.8 nF的諧振電容作為整個系統的“眼睛”，采用工字電感是因為這類電感的磁滯現象可以感應出類正弦波，從而方便對信號的處理。

運算放大器采用lm386作為信號放大器，并設計了相關的整流濾波電路，最終得到了可靠的直流電供給單片機的ADC進行信號采集。 信號放大電路如圖4所示。

5、直流電機驅動模塊

直流電機驅動模塊是提供給電機強大驅動力的模塊。具有能過強電流而整個模塊發熱少，散熱快的能力。我們小車所用的小車模塊是使用mos管搭建的H全橋驅動電路，電路的可靠性高，過流能力強，可以滿足要求。

三、軟件系統概述

系統的軟件部分大體可以分為三大板塊：轉向控制系統的程序實現、速度控制系統的程序實現，以及人機交互部分的軟件實現。軟件實現思路如圖6所示。

1、智能車轉向控制算法的實現

轉向控制將采用經典PID控制來完成智能車的轉向。

2、智能車速度控制算法的實現

轉向加速度二者可以保證小車的正常運行，本系統將使用傳統增量式PI控制來實現小車的速度控制，并且做到直道、彎道根據不同的曲率設定不同的速度，以保障智能小車可以沿著賽道中線穩定行駛。

3、智能車人機交互系統的軟件設計

人機交互主要有兩大模塊：第一個是OLED顯示屏，OLED顯示屏主要顯示三個電感采集的電壓值和解算出來的偏差是否正確；第二個是基于串口通信的虛擬示波器上位機，主要用于調參時觀察曲線的跟隨度，從而進行調參。

四、車模行走的控制算法

1、車模轉向控制算法

（1）車模轉向的基本原理

本車使用三個電感解算出小車的偏差，然后通過PID控制算法得到控制量，最后作用到舵機上實現小車的正常打角。PID 控制以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為智能車控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。

（2）位置解算算法

為了使電感采集到可靠的電壓值要進行軟件濾波處理，軟件濾波主要有均值濾波、中值濾波，以及滑動濾波等多種濾波方式，而均值濾波的軟件實現思路簡單，并且濾波效果好，所以采用了均值濾波。位置解算算法之前，我們使用的是經典的位置解算算法差比和。

（3）PD控制算法的實現

智能車的方向控制采用位置PID控制。因為智能車尋跡本質上是一個隨動系統，積分項在彎道累積的偏差錯誤地加在直道的跟蹤上造成在進入直道時轉向不夠準確，跑直道時雖然能跟蹤電磁線，但是轉向調整往往超調，導致車身在直道上左右震蕩，這種震蕩嚴重影響了車的整體表現。將積分項系數Ki設為0，發現車在直線高速行駛時仍能保持車身非常穩定，沒有震蕩，所以沒有必要使用Ki參數 。該控制方案調整為PD 控制。Kp和Kd參數由工程整定得出，經過多次試驗，得到一組穩定快速的參數。設置合適的調節范圍，讓智能車更準確地控制轉向。

2、車模的速度控制算法

智能車的速度控制也是很重要的一環。為了得到車模可靠的運行速度，使用500線的歐姆龍編碼器對小車的速度進行獲取。車模的速度控制最后使用了傳統的PI控制器，并選取50 ms作為控制周期。經驗證，PI控制器可以使小車按自己設定的速度規劃進行穩定的行駛，速度規劃大概就是直道加速，彎道減速。速度使用增量式PI控制。傳統的PID控制器主要有增量式和位置式兩種算法。位置式看名字就知道它適用于舵機等位置式器件。而電機的速度控制很明顯適用增量式的PI控制，小車的速度使用增量式PID后不會產生很大的震蕩，所以D這個阻尼系數的存在無關緊要。PI控制器在我們的使用過程中還發現了一個問題，就是I增大使速度控制有滯后，并且積分飽和也給我們帶來了很大的困擾，如果取消I的話，速度控制又會產生靜態誤差。針對這個問題，我們將I參數設定到1以下，控制效果不錯。針對于彎道減速問題，我們將速度設定值與偏差整合成了一個二次函數，這個二次函數a值為負數開口向下，剛好可以滿足彎道減速，直道加速的要求。

五、系統測試

經過一段時間的參數調整以及不斷地現場調試，智能車能夠準確地識別電磁信號，并且穩定的在賽道上行走。運行情況如圖7所示。

六、小結

本文詳細闡述了小車的轉向控制與速度控制的軟件實現。在轉向控制中還說明了ADC采集時各種濾波方案的優缺點。在速度控制中，我們還說明了增量式PID與位置式PID的適用情況，并且說明了增量式PI控制器的軟件實現。在此還特別介紹了停車的反接制動法用軟件的實現。