鞠寶鋒等

摘要：文章主要介紹了以MK60DN512VLQ10微控制器為核心控制單元的電磁導(dǎo)向智能車。其使用6*8mm 10mH工字型電感進行路況采集，通過舵機打角、雙電機差速實現(xiàn)對智能車方向控制和速度控制；采用干簧管對起跑線進行檢測，實現(xiàn)停車控制。電磁導(dǎo)向智能車的設(shè)計及開發(fā)過程中主要涉及車模機械結(jié)構(gòu)調(diào)整、控制算法的開發(fā)、信號采集放大電路和電機驅(qū)動電路的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：微控制器；智能車；電磁導(dǎo)向；PID；電磁傳感器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2015）25-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.007

1 設(shè)計思路及方案的總體說明

電磁引導(dǎo)智能汽車利用麥克斯韋電磁場理論，通過100MA的電磁傳感器采集線交流電產(chǎn)生的電磁場測試路徑。電感采集的電壓經(jīng)過信號放大、檢波和整流輸入單片機，實現(xiàn)對中心線的提取。智能車采用PID進行速度控制，PD進行方向控制。其通過中心線的提取判斷車身角度，并結(jié)合路況的不同，通過舵機打角、電機差速為小車選取最優(yōu)路徑。

根據(jù)智能車系統(tǒng)的基本要求，我們設(shè)計了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示：

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主銷后傾角

主銷后傾角安裝在前軸，主銷上面稍微向后傾斜角度。它使車輛離心力形成產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和車輪的方向相反的方向轉(zhuǎn)變，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動恢復(fù)到其原始位置在中間。主銷后傾角較大，速度越高，前輪的穩(wěn)定性更好。汽車主銷內(nèi)傾和連鑄機自動校正，維持一個連續(xù)函數(shù)。調(diào)整主銷后傾角為1°～3°。

2.2 主銷內(nèi)傾角

主銷內(nèi)傾是內(nèi)置的主銷內(nèi)傾角，前角略其作用在于前輪自動回正，掩埋的前輪自動回大點的積極作用，而且越猛越費力，輪胎磨損增大角度；相反，前輪自動回正少作用越弱。主銷后傾角調(diào)節(jié)一般不超過8°。

2.3 前輪外傾角

在汽車橫向平面內(nèi)，前輪外傾角中心策略，作為平前輪外傾。使前輪外傾，一方面對垂直滾動的車輪在路面，減小阻力，滑動小車向前；另一方面減小軸承鎖緊螺母和貨物，增加壽命，提高安全水平。前輪外傾通常為1°左右，但高速急轉(zhuǎn)彎到汽車前輪外傾，甚至可以減少負。

2.4 前輪前束

看下面的輪子，汽車的兩個前輪的轉(zhuǎn)動平面不平行，但小的角度來看，這種現(xiàn)象稱為前輪前束。車輪前束的作用是減輕或消除因前輪外傾角所造成的不良后果，二者相互協(xié)調(diào)，使前輪在汽車行駛中滾動而無滑動。本智能車將主銷后傾設(shè)為最大來獲得足夠的穩(wěn)定性，適當?shù)闹麂N內(nèi)傾，前輪外傾保持0°和微前束。

2.5 傳感器的安裝

通過實驗我們得出：增大智能車的前瞻，可以使小車預(yù)判提前，留給單片機更多調(diào)整小車的時間，但前瞻過長會造成車體轉(zhuǎn)彎后擺，因此選擇堅固、較輕的支架架設(shè)傳感器并且選擇合適的前瞻距離，才會使小車獲得足夠的預(yù)判和合理的重心。采用盡量架寬傳感器的方案，以獲得豐富的車道信息，并且提前預(yù)知車道形狀。對稱水平電感只能實現(xiàn)直道和一般彎道的檢測，為實現(xiàn)對多樣道路的檢測，應(yīng)采用水平與豎直電感相結(jié)合的布置方案。電感一定要盡可能水平放置，減小數(shù)據(jù)采集

誤差。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

3.1 單片機最小系統(tǒng)板

MK60DN512VLQ10是K60系列MCU。Kinetis系列微控制器是Cortex-M4系列的內(nèi)核芯片。最小系統(tǒng)使用K60 144PIN封裝，為節(jié)省電路板空間，主板上僅將本系統(tǒng)所用到的引腳引出，包括PWM接口、計數(shù)器接口、外部中斷接口、若干普通IO接口，如圖2所示：

3.2 電源模塊

采用lm2940將7.2V電源電壓變?yōu)?V供給電機驅(qū)動與舵機（如圖3所示），用lm1117將5V電壓變?yōu)?.3V供給單片機與LCD（如圖4所示）。

3.3 放大電路和檢波電路的設(shè)計

因為電感感應(yīng)出的電動勢非常小，且是差分信號，所以必須把電感采集的數(shù)據(jù)進行放大、整流、濾波，然后將信號輸給單片機。放大電路采用LM386集成電路放大、整流、濾波，如電路圖5所示：

3.4 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

電機驅(qū)動模塊采用BTS7960，該芯片帶有電流檢測與診斷，壓擺率調(diào)整，死區(qū)保護，過熱、過壓、過流和短路保護，能夠支持高達25kHz的PWM輸入，具有極低的內(nèi)阻的特點。電機驅(qū)動模塊電路圖6：

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

4.1 賽道信息的采集及數(shù)據(jù)歸一化處理

4.1.1 賽道信息的獲取。通過模擬測試。根據(jù)收集到的A/D值、合理的操作和導(dǎo)體的位置判斷，這種方法使空間分辨率可達2毫米，對當前的變化影響較小，適合汽車穩(wěn)定性測試需求。

4.1.2 數(shù)據(jù)歸一化處理。將A/D的值做數(shù)據(jù)歸一化，計算出各個傳感器的相對位置，通過加權(quán)的方式最后計算出導(dǎo)線的位置，信號歸一化的公式如下：

相對值=[（測量值-最低值）/（最高電壓-最低電壓）]*100%

4.2 控制算法

4.2.1 舵機的PD控制。根據(jù)電磁傳感器采集到的偏移量，利用前后幾次偏移量之差進行PD控制。

舵機轉(zhuǎn)角為：

α=Kp*b+Kd*Diff

式中：Kp為比例系數(shù)；b為相對于中心的偏移量；Kd為積分系數(shù)；Diff為位置微分量。

4.2.2 電機的PID控制。對于速度控制，采用了增量式PID控制算法，基本思想是直道加速，彎道減速。對于速度的控制策略：在小偏差范圍內(nèi)不進行差速處理，只由舵機打角進行車身校正，當小車偏離車道較大時，根據(jù)給定小車的運行速度，兩車輪輪速配合舵機打角適當差速的控制方法，偏大車身晃動而造成的速度丟失，同時保證了直道上的直線行駛。

5 結(jié)語

本文是基于MK60DN512VLQ10單片機，電磁信號基礎(chǔ)上討論一種電磁導(dǎo)向智能車，涉及控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學科，以實現(xiàn)讓車模能夠自動尋跡并自動控制運動，最終實現(xiàn)小車智能化。電磁導(dǎo)向智能車是未來汽車發(fā)展的一個

方向。

參考文獻

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[3] 蔡述庭.“飛思卡爾杯”智能汽車競賽設(shè)計與實踐——基于S12XS和KinetisK10[M].北京：北京航空航天出版社，2012.

作者簡介：鞠寶鋒（1992-），男，山東濰坊人，山東理工大學學生，研究方向：車輛工程。

（責任編輯：周 瓊）