基于CH32 的雙車無線充電系統(tǒng)設(shè)計和控制方法研究

董佳齊，張欣，周安康，張恩溥

（天津工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300387）

0 引言

無線充電或無線供電技術(shù)是一種以無線電波或者電磁場為載體在自由的空間中對動力電池進行充電的技術(shù)[1]。無線充電技術(shù)的研究，源于19 世紀30 年代，邁克爾-法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在電線中產(chǎn)生電流。無線充電技術(shù)，利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振，實現(xiàn)電能高效傳輸。其中，磁耦合共振技術(shù)能夠進行較遠距離的電能傳輸，可以進行幾厘米到幾米的無線充電。除了有較遠的傳輸距離之外，磁耦合共振方式還能夠同時為多個設(shè)備供應(yīng)電能，并且磁耦合共振方式最高能夠達到90%以上的傳輸效率[2]。同時，無線充電技術(shù)具備重大的現(xiàn)實意義，電動汽車行業(yè)也在不斷的快速發(fā)展之中。無線充電技術(shù)可以解決傳統(tǒng)傳導(dǎo)式充電面臨的接口限制、安全等問題，因此有望逐漸發(fā)展成為電動汽車充電的主要方式[3]。

根據(jù)第十八屆全國大學(xué)生智能汽車競賽電能接力組比賽規(guī)則，本設(shè)計使用磁耦合式無線充電技術(shù)進行電能傳輸，設(shè)計了一套智能循跡雙車電能接力系統(tǒng)。智能小車通過攝像頭及電感輔助，通過使用連通域算法，進行智能循跡。在無線充電過程中，因為線圈漏磁產(chǎn)生電感會阻礙電能傳輸，因此設(shè)計了LCC 電路對此損耗進行補償。此外在小車運行過程中通過Esp32模塊與主控芯片CH32V307進行串口通信，通過UDP 數(shù)據(jù)透傳協(xié)議與云端上位機Node-red 進行數(shù)據(jù)通信，以便進行顯示。該系統(tǒng)對于智能小車和智能汽車的研究有較好的適用性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)以磁耦合式無線充電技術(shù)為研究依據(jù)，使用LCC諧振電路對充電過程進行補償，結(jié)合編碼器、攝像頭等傳感器，設(shè)計了一套可自動循跡并讓后車通過無線充電技術(shù)給前車提供電能的雙車跟隨接力系統(tǒng)。

在硬件層面上，兩車均以CH32V307單片機為主控芯片，以逐飛總鉆風(fēng)攝像頭為傳感器；前車以3010 舵機控制轉(zhuǎn)向；兩車之間采用沁恒CH573F 藍牙模塊進行通信；設(shè)計外圍SPX2940T、RT9013-33、SY8205FCC 穩(wěn)壓電路對主控及傳感器模塊供電。以BTN7971 芯片設(shè)計驅(qū)動電路驅(qū)動電機；使用ESP32 模塊通過UDP 數(shù)據(jù)透傳協(xié)議與Node-red 平臺搭建的云端上微機進行通信與人機交互顯示。

在軟件算法上，通過PID 算法控制小車運動的速度和方向，采用大津法（OTSU 算法）和連通域算法識別道路信息，可以在無人控制的情況下自動完成沿著道路尋跡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■2.1 CH32V307 主控模塊

主控模塊的系統(tǒng)微處理器采用CH32V307型號單片機。CH32V307 是基于32 位RISC-V 設(shè)計的互聯(lián)型微控制器，在本設(shè)計中，其承擔(dān)了驅(qū)動攝像頭、編碼器等模塊進行循跡以及驅(qū)動藍牙模塊進行兩車通信的工作，并承擔(dān)控制充電過程的啟停的工作。

■2.2 藍牙模塊

通信模塊使用沁恒CH573 模塊，集成32 位RISC-V 內(nèi)核微控制器，實現(xiàn)BLE 無線通訊。還帶有低功耗藍牙BLE通訊模塊、高速USB 主機設(shè)備控制收發(fā)器、SPI、四個串口、ADC、按鍵觸摸檢測、RTC 等多種外設(shè)資源。模塊集成度高，穩(wěn)定性好，通信距離較長且信號穩(wěn)定，可通過串口方式接收及發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)兩車間的通信。

■2.3 驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)驅(qū)動模塊選用BTN7971 芯片作為電機驅(qū)動電路核心，其耐壓值為45V，可通過最大電流為80A，其本質(zhì)為MOS 橋驅(qū)動電路，為防止輸出電流反沖進入芯片，使用74LVC245 隔離芯片以隔離信號。

圖2 驅(qū)動電路原理圖

■2.4 穩(wěn)壓模塊

由于主控板集成傳感器較多，共設(shè)計了三種穩(wěn)壓模塊對系統(tǒng)進行供電。其中5V 穩(wěn)壓模塊使用SPX-2940T 芯片，SPX2940T 是一款低壓差5V 線性穩(wěn)壓器，具有良好的特性。3V3 穩(wěn)壓模塊使用RT9013-33GB 芯片，RT9013 是一款高性能、輸出電流能力500mA 的線性穩(wěn)壓器，提供極高的PSRR 和超低壓降。后車舵機穩(wěn)壓模塊使用SY8205FCC 芯片，SY8205 是一種DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有高效的同步降壓的特點，輸出電流可以達到5A。該芯片工作電壓范圍為4.5V到30V，并且?guī)в蠷DS 極低的主開關(guān)與同步開關(guān)。三種穩(wěn)壓電路原理圖分別如圖3、圖4 及圖5 所示。

圖3 電源5V 穩(wěn)壓電路

圖4 電源3V3 穩(wěn)壓電路

圖5 舵機電源電路

■2.5 傳感器

2.5.1 攝像頭

CMOS 攝像頭體積小，圖像獲取可靠性高、穩(wěn)定性高，功耗低，只需要3V3 電源供電。由于在智能車高速運行中，為防止圖像失真的情況發(fā)生，對攝像頭穩(wěn)定性和可靠性要求較高，所以選用 CMOS 攝像頭進行圖像采集。

2.5.2 編碼器

光電編碼器是將輸出軸上的機械幾何位移通過光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量的傳感器。它也是目前應(yīng)用最廣泛的測速傳感器之一。具有信息獲取準(zhǔn)確、準(zhǔn)確度高、應(yīng)用簡單等優(yōu)點。

本系統(tǒng)使用的是1024 線增量式光電編碼器，供電電源電壓為3.3V 或5V，輸出方波信號，將小車的當(dāng)前速度送入單片機進行運算，通過PID 算法實現(xiàn)對小車速度的控制。

■2.6 無線充電電路

無線充電接收端采用LCC 諧振電路以實現(xiàn)較高的充電效率及較快的充電速度。為了避免超級電容過充，使用繼電器接在接收線圈的兩邊，在充滿電后將線圈兩端短接，停止充電。同時設(shè)計了一個滯回電壓比較器，通過該電壓比較器設(shè)置兩個切換點控制繼電器工作。

無線充電接收端電路圖如圖6 所示。

圖6 無線充電接收端電路圖

圖7 Node-red 信息流圖

圖8 Node-red 云端上位機界面

圖9 無線充電雙車實物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 速度控制算法

智能小車采用增量式PID 算法對速度進行閉環(huán)控制，通過編碼器獲取小車的當(dāng)前速度并送入單片機進行運算，并通過PID 算法實現(xiàn)對速度的控制。

■3.2 圖像識別算法

3.2.1 OTSU 大津法

本實驗通過攝像頭獲取路面信息，并將獲取的圖像傳給單片機進行處理后判斷路面情況。

大津法（OTSU）是日本的大津展之在1980 年提出的。該方法的基本思想是：設(shè)閾值將圖像分割成兩組，一組灰度對應(yīng)目標(biāo)，另一組灰度對應(yīng)背景，則這兩組灰度值的類內(nèi)方差最小，兩組的類間方差最大[4]。

OTSU 算法假設(shè)是有一個閾值TH 可以將一幅灰度圖像中的像素分成兩組C1（灰度小于TH）與C2（灰度大于TH），這兩組像素的均值分別為m1 與m2，整張圖像的灰度均值為mG。并且像素被分為C1 或C2 組的概率分別為p1、p2。那么就有：

根據(jù)方差的表達式，類間方差表達式為：

將上式化簡，將式(1)代入式(3)，可得：

其中：

根據(jù)公式遍歷全部的0～255 灰度級，求出使式(4)中最大的 k 值（使得類間方差最大的k 值）即為所求的閾值。

使用大津法可以將單片機獲取到的圖像進行二值化處理。

3.2.2 連通域算法

連通域在圖像中通常是指像素值相同并且?guī)缀挝恢孟噜彽南袼攸c所組成的圖像區(qū)域。而對于二值化后的圖像的連通域算法操作就是將黑色像素（在二值化圖像和灰度圖一般用“0”表示）與白色像素（在二值化圖像中一般用“1”表示，在灰度圖中用“255”表示）組成的二維像素點陣中相鄰（4 鄰域或8 鄰域）的并對圖像中不同連通域填寫不同的數(shù)字標(biāo)簽，并且計算連接域的數(shù)量。該過程是計算機視覺和模式識別、圖像處理中一個非常重要的基礎(chǔ)操作，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。通過連通域算法對圖像進行預(yù)處理后，我們從中提取出有效信息，即道路邊界，來對其分析并與舵機方向控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。通過道路邊界信息進行一定的算法計算，可以得出圖像道路的中線(最簡單就是相加求平均)，再通過最小二乘法可以估算出車身位置以及賽道趨勢，再將其與舵機系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，便可實現(xiàn)最基礎(chǔ)的循跡功能并通過識別圖像處理中的給出的不同元素標(biāo)志，實現(xiàn)復(fù)雜控制。

4 Node-red 云端上位機系統(tǒng)

Node-RED 是IBM 開發(fā)的一種可視化編程工具，用于滿足將硬件和設(shè)備快速連接到Web 服務(wù)和其他軟件的需求，并已迅速發(fā)展成為一種用于物聯(lián)網(wǎng)的通用編程工具。

在本系統(tǒng)中，通過將主控芯片CH32V307 中的小車數(shù)據(jù)信息流通過串口通信發(fā)送到ESP32 模塊中，ESP32 模塊通過UDP 數(shù)據(jù)透傳協(xié)議的形式，將傳輸?shù)奖镜胤?wù)器，注入Node-red 云端上位機系統(tǒng)之中。Node-red 平臺通過對接收到的數(shù)據(jù)流進行處理，實現(xiàn)信息的可視化，為開發(fā)和應(yīng)用提供的方便的調(diào)試環(huán)境。

對于Node-red 平臺接收到的數(shù)據(jù)流，通過處理數(shù)據(jù)流分別接入對于云端上位機模塊接口，可以分別對接收的不同信息進行不同方式的顯示，可以便于開發(fā)者對于系統(tǒng)的監(jiān)視和調(diào)試，并且具有很好的功能拓展性。

5 結(jié)語

本設(shè)計實現(xiàn)了在兩輛智能小車均進行自動循跡的情況下，前車給后車通過無線充電技術(shù)提供電能的目的，最終得到了一套可自動循跡并讓后車通過無線充電技術(shù)給前車提供電能的雙車跟隨接力系統(tǒng)。通過UDP 透傳協(xié)議將數(shù)據(jù)流傳輸至Node-red 平臺實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)試。該設(shè)計初步進行了雙車電能充電模型可行性的驗證。為未來無線充電技術(shù)及自動駕駛技術(shù)普及后一種新型的道路救援模式提供了一個研究方向，在新能源領(lǐng)域有一定的推廣和應(yīng)用價值。