黃玉水 黃 輝 周美娟 周明建

(南昌大學(xué)信息工程學(xué)院1，江西 南昌 330031;海軍92957部隊(duì)2，浙江 舟山 316000)

0 引言

隨著科技的迅速發(fā)展，飛思卡爾智能車(chē)競(jìng)賽的影響力也得到了擴(kuò)大。智能車(chē)作為一門(mén)新興的綜合技術(shù)，在汽車(chē)電子領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。它是一種交叉和融合了多門(mén)學(xué)科的高新技術(shù)綜合體，其設(shè)計(jì)具體涉及電磁技術(shù)、計(jì)算機(jī)、控制、機(jī)械及車(chē)輛工程等多個(gè)領(lǐng)域［1－2］。其中磁導(dǎo)航技術(shù)是智能車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一。磁場(chǎng)是一個(gè)三維矢量，在空間具有一定的對(duì)稱(chēng)性和方向性，且不易受外界信號(hào)的干擾，具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。本文以此為背景，設(shè)計(jì)了一種電磁導(dǎo)航式智能車(chē)，重點(diǎn)介紹了一套完整可靠的軟硬件設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)智能車(chē)高速尋跡的功能。

1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和功能劃分，智能車(chē)主要分為八個(gè)模塊，分別為主控制器模塊、電源模塊、電磁檢測(cè)模塊、速度檢測(cè)模塊、起始線檢測(cè)模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和輔助調(diào)試模塊。其中主控制器模塊采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供的MC9S12XS128單片機(jī)，主頻40 MHz，F(xiàn)lash ROM 128 kB，具備 SPI、SCI、IIC 等常用接口。根據(jù)需要引出適量的管腳，可以完全滿足智能車(chē)設(shè)計(jì)和控制的需求［3－4］。智能車(chē)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the system

根據(jù)智能車(chē)設(shè)計(jì)要求，電磁檢測(cè)電路采集路徑信息，經(jīng)過(guò)LC諧振電路選頻，濾除其他不同頻率的干擾信號(hào);采用雙運(yùn)算放大器和倍壓檢波處理，得到可以輸入單片機(jī)的電壓信號(hào)。根據(jù)先前設(shè)定的算法獲得賽道路況信息，準(zhǔn)確地判斷小車(chē)車(chē)體與賽道相對(duì)的位置，結(jié)合光電編碼器獲得的速度反饋信息，由單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，快速地完成轉(zhuǎn)向控制和速度控制，最終實(shí)現(xiàn)小車(chē)按照預(yù)定的路線準(zhǔn)確快速平穩(wěn)地行進(jìn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

在電源模塊設(shè)計(jì)中，由于受到電源轉(zhuǎn)換效率、相互干擾和降低噪聲等多方面因素的影響，需考慮電源模塊由若干相互獨(dú)立的穩(wěn)壓電路組成。根據(jù)各模塊電壓的需求，合理設(shè)計(jì)了不同的穩(wěn)壓電路。其中小車(chē)系統(tǒng)電源采用比賽組織提供的7.2 V鎳鎘蓄電池。該電池可以為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直接供電。分別采用LM2940和LM2941低壓差穩(wěn)壓芯片提供5 V和6 V電壓，供單片機(jī)、光電編碼器和舵機(jī)等正常工作。采用線性穩(wěn)壓集成芯片LM1117提供3.3 V電壓，供功耗小的輔助調(diào)試模塊工作。設(shè)計(jì)的電源管理模塊為智能車(chē)的運(yùn)行提供了穩(wěn)定可靠的動(dòng)力來(lái)源。各模塊正常工作所需電壓如表1所示。

表1 各模塊正常工作電壓Tab.1 Normal operating voltage of each module

2.2 檢測(cè)單元

檢測(cè)單元包括電磁檢測(cè)、速度檢測(cè)和起始線檢測(cè)三個(gè)部分，其中電磁檢測(cè)為傳感器檢測(cè)單元的核心元件，它的性能將直接決定智能車(chē)的好壞。賽道中心通設(shè)一條引導(dǎo)線，導(dǎo)線通有100 mA、20 kHz的交變電流。本文選取了電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的感應(yīng)線圈，它主要包括感應(yīng)、選頻、放大和檢波四個(gè)部分。電磁感應(yīng)線圈選用10 mH的工頻電感，開(kāi)放的磁芯便于匯集磁感線，可以很好地感應(yīng)交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。選頻的目的主要是濾除其他不同頻率的干擾信號(hào)，采用6.8 nF的電容組成LC串并聯(lián)諧振電路，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出頻率為20 kHz的交流電壓信號(hào)。由于電感線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)微弱，只有十幾個(gè)毫伏，所以需進(jìn)行必要的放大電路處理。放大部分使用運(yùn)放TL082進(jìn)行兩級(jí)信號(hào)放大，處理速度快，具有很好的實(shí)時(shí)性，可以有效得到放大100倍以上的電壓增益，便于幅值檢波。為了獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍，檢波電路采用靈敏度更好的肖特基二極管SS14，獲得的直流信號(hào)正比于交流線圈感應(yīng)電壓值，便于單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)采集。

為了達(dá)到良好的檢測(cè)效果，設(shè)計(jì)中選用了三個(gè)傳感器一字型排列的方案，其中傳感器距離地面高度5 cm。電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、控制方便，能夠快速檢測(cè)到智能車(chē)的偏轉(zhuǎn)方向和智能車(chē)體與路徑引導(dǎo)線的相對(duì)位置。單個(gè)線圈的電磁檢測(cè)電路原理圖如圖2所示。

圖2 電磁檢測(cè)電路原理圖Fig.2 Principle of the electromagnetic detection circuit

為了實(shí)現(xiàn)智能車(chē)能夠沿著既定賽道自主尋跡的功能，需要比較精確地控制車(chē)速和方向。速度傳感器可反饋小車(chē)本身的運(yùn)行速度，形成一個(gè)速度閉環(huán)控制，使智能車(chē)在急轉(zhuǎn)彎時(shí)不會(huì)由于速度過(guò)快而沖出跑道。本電磁車(chē)采用歐姆龍E6A2-CWZ3光電編碼器作為速度傳感器［5］。該傳感器具有安裝簡(jiǎn)單、輸出信號(hào)比較規(guī)整、測(cè)速精度比較高等特點(diǎn)，可以有效提高速度反饋的精度。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，起始線的賽道下方放置有永磁體(作為檢測(cè)的標(biāo)志)，便于電磁車(chē)自主識(shí)別，自主完成賽道。在起始線檢測(cè)部分，選用干簧管完成起始線的檢測(cè)。干簧管相當(dāng)于磁場(chǎng)傳感器，當(dāng)檢測(cè)到超過(guò)其閾值的磁場(chǎng)時(shí)，常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)將會(huì)閉合。本文設(shè)計(jì)了五個(gè)干簧管并聯(lián)組成“線或”關(guān)系［5－6］。通過(guò)干簧管的通斷來(lái)準(zhǔn)確判斷起始線的位置，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的起始線起跑和終點(diǎn)準(zhǔn)確停車(chē)的功能。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)智能車(chē)設(shè)計(jì)要求，舵機(jī)和電機(jī)為智能車(chē)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)方向和速度的準(zhǔn)確控制［7］。舵機(jī)部分選用組委會(huì)提供的S-D5型舵機(jī)，輸出力矩驅(qū)動(dòng)方向控制。由于單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖信號(hào)無(wú)法驅(qū)動(dòng)智能車(chē)競(jìng)賽提供的直流電機(jī)，因此需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以獲得足夠的功率。

方案一:采用MOS管驅(qū)動(dòng)。采用四個(gè)MOS管搭建H橋，導(dǎo)通阻抗小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，最大可驅(qū)動(dòng)117 A電流。但電路圖較復(fù)雜，可以采用MOS常用驅(qū)動(dòng)芯片MC33886控制H橋通斷，還需要12 V柵極開(kāi)啟電壓。MC33886內(nèi)阻較大、發(fā)熱量高。

方案二:采用BTS7960驅(qū)動(dòng)。采用兩個(gè)BTS7960搭建H橋，導(dǎo)通阻抗稍大，驅(qū)動(dòng)能力弱于MOS管，最大可驅(qū)動(dòng)43 A電流，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具有參數(shù)可調(diào)和自我保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)比分析上述兩種方案，由于驅(qū)動(dòng)芯片BTS7970響應(yīng)速度快、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，完全符合本速度控制系統(tǒng)的要求。所以選用了BTS7970驅(qū)動(dòng)電路，構(gòu)成一個(gè)完整的全橋驅(qū)動(dòng)。通過(guò)單片機(jī)使能信號(hào)使芯片開(kāi)始工作，在主芯片給定的PWM作用下控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，性能良好。同時(shí)，為了防止驅(qū)動(dòng)芯片的反向電流燒壞單片機(jī)，在控制端和單片機(jī)中串聯(lián)二極管，起到隔離的作用。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.3 Principle of the drive circuit of motor

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 舵機(jī)轉(zhuǎn)向模糊控制算法

為了實(shí)現(xiàn)智能車(chē)的最優(yōu)路線行駛，必須對(duì)智能車(chē)的舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行合理的控制。智能車(chē)控制是一種非線性和模型不確定的系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的PID控制器相比，系統(tǒng)采用了簡(jiǎn)單而有效的模糊控制器［7－9］，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的方向控制。

3.1.1 變量確定及模糊化

智能車(chē)轉(zhuǎn)向模糊控制采用兩輸入單輸出的二維模糊控制器，輸入變量E、EC分別為小車(chē)偏離中心引導(dǎo)線的橫向偏差和偏差的變化率，其輸出量U為控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角。根據(jù)控制要求以及實(shí)際測(cè)得的E的范圍，確定 E 和 EC 的基本論域?yàn)椋郏?0，20］、［－9，9］，偏轉(zhuǎn)角U的基本論域?yàn)椋郏?5°，45°］。兩個(gè)輸入變量E 和 EC 定義七級(jí)量化等級(jí)，均為［－3，－2，－1，0，1，2，3］，U 定義為［－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4］。由此可得，E的量化因子Ke=3/20，EC的量化因子Kec=1/3，U的量化因子Ku=4/45。為了實(shí)現(xiàn)智能車(chē)方向的控制精度和靈敏性，三個(gè)語(yǔ)言變量論域均取七個(gè)模糊子集，即［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］。

系統(tǒng)中各變量均采用線性三角函數(shù)，三個(gè)變量的隸屬度函數(shù)如圖4所示，其中E和EC的隸屬度函數(shù)完全一樣。

圖4 E、U隸屬度函數(shù)Fig.4 Membership function of E and U

3.1.2 模糊規(guī)則表

根據(jù)智能車(chē)的運(yùn)行特性和駕駛經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)車(chē)體和跑道中心線偏差和偏差變化率很大時(shí)，需要反方向控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向;當(dāng)車(chē)體與中心線偏差不大時(shí)，可以不調(diào)舵機(jī)或微調(diào);當(dāng)偏差較大而偏差變化率反方向很大時(shí)，說(shuō)明偏差正漸漸減小，此時(shí)可以不調(diào)舵機(jī)。針對(duì)以上控制經(jīng)驗(yàn)，兩個(gè)輸入變量E和EC各有七個(gè)模糊語(yǔ)言值，可生成49條模糊規(guī)則。建立的模糊控制規(guī)則表如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表Tab.2 Fuzzy control rules

3.1.3 模糊推理及反模糊化

控制器經(jīng)模糊化得到各變量的隸屬度，再經(jīng)模糊推理和反模糊化得出控制量的輸出值，達(dá)到控制的作用。采用了一種常用的推理方法(MAX-MIN法)進(jìn)行模糊推理。當(dāng)相同后件的規(guī)則強(qiáng)度不同時(shí)，模糊輸出取最大值。核心控制單元S12單片機(jī)規(guī)定各個(gè)前件之間只進(jìn)行模糊和運(yùn)算，當(dāng)幾個(gè)規(guī)則的邏輯后件影響到同一個(gè)模糊輸出時(shí)，它們之間就隱含模糊或運(yùn)算，在這里即采用了MAX-MIN法進(jìn)行模糊推理。反模糊化就是將模糊輸出量轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的數(shù)字值的過(guò)程。

為了達(dá)到精確的控制，結(jié)合S12解模糊指令，系統(tǒng)采用以下加權(quán)平均法來(lái)描述:

式中:U為控制器輸出的精準(zhǔn)控制量;μ為輸出對(duì)該子集的隸屬度;Ui為各輸出模糊子集對(duì)應(yīng)模糊單點(diǎn)集的值。

3.1.4 仿真試驗(yàn)

舵機(jī)轉(zhuǎn)向與PWM脈沖波成正比例的關(guān)系，因此可以簡(jiǎn)化舵機(jī)轉(zhuǎn)向角的傳遞函數(shù)為二階函數(shù)。結(jié)合小車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，其數(shù)學(xué)模型可以描述為:

為了研究模糊控制性能的優(yōu)劣，利用Matlab/Simulink模塊對(duì)智能車(chē)的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。采用不同控制算法得到的仿真曲線如圖5所示。仿真中位置跟蹤信號(hào)取正弦信號(hào)0.5sin(10t)，模擬路徑S彎道信息。通過(guò)波形對(duì)比分析可知，加入模糊控制的舵機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度的跟蹤，控制效果明顯，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了智能車(chē)偏轉(zhuǎn)方向的精準(zhǔn)控制。

圖5 仿真曲線Fig.5 Simulation curves

3.2 直流電機(jī)控制算法

在電機(jī)控制算法中，我們采取的是增量式PID和Bang-Bang相結(jié)合的控制算法，結(jié)合光電編碼器的速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度控制。直流電機(jī)速度控制框圖如圖6所示。

當(dāng)偏差較小時(shí)，采用穩(wěn)定的增量式PID控制;當(dāng)偏差較大時(shí)，采用快速的Bang-Bang控制。這樣即可通過(guò)PID控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。通過(guò)Bang-Bang控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性，從而使小車(chē)能夠在進(jìn)入直道后快速加速，進(jìn)入彎道后快速減速，并在加減速后保證速度的穩(wěn)定性［10］。

圖6 速度控制框圖Fig.6 Block diagram of speed control

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種電磁導(dǎo)航式智能車(chē)的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)智能車(chē)高速尋跡的功能。從各個(gè)功能模塊出發(fā)，重點(diǎn)介紹了智能車(chē)的硬件設(shè)計(jì)方案;在軟件方面，針對(duì)轉(zhuǎn)向控制特性，提出了基于模糊控制的舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制算法。通過(guò)仿真驗(yàn)證了該轉(zhuǎn)向控制算法的有效性。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)控制策略對(duì)比，該轉(zhuǎn)向模糊控制算法能夠高精度地跟蹤路徑信號(hào)，提取出車(chē)模與賽道的相對(duì)位置，改善了在復(fù)雜彎道下的尋跡能力，平均速度可以達(dá)到2.6 m/s，整體上提升了智能車(chē)的控制性能。

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