德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 王浩然 崔慶福 呂波漾 陳潔

電軌智能小車設(shè)計(jì)

德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 王浩然 崔慶福 呂波漾 陳潔

該小車采用通電導(dǎo)線讓金屬在交變磁場(chǎng)中感應(yīng)渦流對(duì)車進(jìn)行引導(dǎo)，讓車沿一定軌跡行走，通過(guò)對(duì)線圈得到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)放大，控制小車舵機(jī)運(yùn)行的電路，并根據(jù)方案實(shí)際制作了小車，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在交變磁場(chǎng)中感應(yīng)渦流良好的環(huán)境適應(yīng)性。

電軌智能車；金屬；線圈；交變磁場(chǎng)；感應(yīng)渦流

1 引言

本設(shè)計(jì)以第十一屆全國(guó)大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車競(jìng)賽為背景，提出了一種利用金屬在交變磁場(chǎng)感應(yīng)渦流的特性引導(dǎo)小車循跡行駛的方案。本文介紹了這一方案的基本思想、所依據(jù)的物理原理，設(shè)計(jì)了對(duì)線圈得到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)放大、控制小車舵機(jī)運(yùn)行的電路，并根據(jù)方案實(shí)際制作了小車。實(shí)踐證明，該方案是可行的。以往的智能車競(jìng)賽分為光電組、攝像頭組和電磁組，其中光電組主要是使用光電傳感器如紅外傳感器采集路徑信息；攝像頭組主要通過(guò)采集圖像信息識(shí)別路徑；電磁組主要是電通電導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)探測(cè)路徑，而電軌不受光線、溫度、濕度、磁場(chǎng)等環(huán)境因素的影響。

2 設(shè)計(jì)原理

由于鋁膜膠帶的顏色是銀色的，與賽道表面的顏色相近，所以使用普通的攝像頭檢測(cè)鋁膜膠帶的位置比較困難?？梢岳娩X膜的金屬特性，即利用金屬在交變磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)渦流的特性來(lái)檢測(cè)鋁膜的位置，進(jìn)而引導(dǎo)小車的行駛。這種檢測(cè)方式應(yīng)用比較廣泛，從安檢過(guò)程中使用的手持金屬探測(cè)儀到工業(yè)生產(chǎn)中渦流距離傳感器，都是運(yùn)用類似的原理。

當(dāng)通有交變電流（頻率小于一定數(shù)值）的線圈靠近金屬物體的時(shí)候，線圈周圍的交變磁場(chǎng)會(huì)在金屬物體中感應(yīng)出渦流。渦流所產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)疊加在原來(lái)的磁場(chǎng)中則會(huì)改變?cè)芯€圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而可以等效改變?cè)€圈的電抗（圖1）。

圖1 扁平線圈在導(dǎo)電板中感應(yīng)渦流示意圖

線圈電抗改變的大小與線圈的形狀、振蕩頻率、線圈與金屬相對(duì)位置以及金屬的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率有關(guān)系。如果在線圈形狀、振蕩頻率以及金屬種類都確定的情況下，線圈電抗的變化則能夠反映線圈與金屬之間的相對(duì)位置。

圖2 矩形線圈與金屬平板之間測(cè)相對(duì)位置

檢測(cè)線圈與金屬之間的相對(duì)位置參數(shù)主要包括距離和重合面積，圖2顯示的是一個(gè)矩形線圈與金屬平板之間的相對(duì)位置，如果距離不變，則相對(duì)位置主要由線圈與金屬平板之間的重合距離決定。本文所給出的參考方案就是利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)測(cè)量線圈與金屬之間的相對(duì)重合距離，進(jìn)而反映了車模與賽道的偏移量。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

賽車的位置信號(hào)由車體前方的電軌傳感器采集，經(jīng)內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)和DMA采集后，輸入到控制核心，用于賽車的運(yùn)動(dòng)控制決策。通過(guò)編碼器測(cè)速模塊來(lái)檢測(cè)車速，并采用K60的輸入捕捉功能進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算速度和路程。電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用PID控制，通過(guò)PWM控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成智能車速度的閉環(huán)控制，此外鍵盤作為輸入輸出設(shè)備，用于智能車的速度控制，液晶屏?xí)r刻顯示車的狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)車模穩(wěn)定高速地運(yùn)行。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能車系統(tǒng)的控制是在一定機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，軟件控制硬件，而硬件卻依賴于機(jī)械結(jié)構(gòu)，合理優(yōu)良的機(jī)械結(jié)構(gòu)能讓智能車在直道和彎道上高速穩(wěn)定地通過(guò)，而且轉(zhuǎn)彎靈巧、快速，可見(jiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的整體性能。

賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)只使用競(jìng)賽提供車模的底盤部分及轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)部分，控制采用前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)的方案。小車在轉(zhuǎn)向時(shí)，彎道內(nèi)側(cè)的前輪會(huì)比外側(cè)的前輪位置低，會(huì)造成內(nèi)側(cè)底盤更高，這樣使得彎道內(nèi)側(cè)前輪壓力更大，利于轉(zhuǎn)向，但會(huì)造成四個(gè)輪子高度不一，使得底盤平衡改變，造成高速轉(zhuǎn)彎時(shí)不穩(wěn)定。最終采用了反應(yīng)較為敏捷的硬連接結(jié)構(gòu)。

傳感器的采集寬度對(duì)車模行駛有較大影響，寬度越寬檢測(cè)的賽道信息越寬，在彎道不容易發(fā)生偏離太多而沖出賽道的情況，一般傳感器越長(zhǎng)，車模前瞻越好，在彎道更容易及時(shí)判斷入彎，但是傳感器過(guò)長(zhǎng)會(huì)使車模轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變大，車模重心靠前，使車模轉(zhuǎn)向困難。在多急彎、有坡道的環(huán)境中，為了順利通過(guò)急彎賽道，綜合車模的前瞻與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及重心的影響，經(jīng)過(guò)多次嘗試，采用了雙桿支架和三線圈結(jié)構(gòu)，保證傳感器在運(yùn)動(dòng)中的采集穩(wěn)定性。為了能順利通過(guò)坡道，在前瞻支架最遠(yuǎn)端兩側(cè)和中部線圈兩側(cè)安放輔助導(dǎo)輪且不在車模上固定傳感器，以保證順利過(guò)坡。傳感器的安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器線圈安裝方式示意圖

3.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是可靠、高效、簡(jiǎn)潔，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行?？煽啃允窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求，本團(tuán)隊(duì)對(duì)電路的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作，將高速數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)，使本系統(tǒng)工作的可靠性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。高效是指本系統(tǒng)的性能要足夠強(qiáng)勁，在此前提下還要優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，盡量做到簡(jiǎn)潔。系統(tǒng)主控電路如圖4所示。

圖4 主控電路圖

3.4 控制算法分析

首先是位置判斷，通過(guò)計(jì)算定方向差值即左邊線圈減右邊線圈所獲值，線圈所獲的值均為定值脈寬采集到的脈沖數(shù)。最初我們采用的是直接通過(guò)差值來(lái)確定車的偏移量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采集范圍有限，車速慢，提速極易沖出賽道。于是開(kāi)始嘗試尋找突破，最終通過(guò)運(yùn)用DMA增加一路傳感器采集，使其成為三線圈結(jié)構(gòu)。但是如果繼續(xù)提高速度，賽車還是會(huì)丟線沖出賽道，因此開(kāi)始嘗試運(yùn)用三線圈寫出丟線。所謂三線圈丟線，就是當(dāng)三線圈獲得的值都小于它們都檢測(cè)不到金屬鋁膜所得的值時(shí)，此時(shí)判定丟線，賽車取上一次狀態(tài)。

4 總結(jié)

在充分查閱資料、進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)電軌智能汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路和控制軟件分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，綜合考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與簡(jiǎn)便性，并通過(guò)反復(fù)實(shí)踐確定了傳感器的數(shù)量和位置，采用雙桿支架和三線圈結(jié)構(gòu)，保證傳感器在運(yùn)動(dòng)中的采集穩(wěn)定性，為了能順利通過(guò)坡道，在前瞻支架最遠(yuǎn)端兩側(cè)和中部線圈兩側(cè)安放輔助導(dǎo)輪且不在車模上固定傳感器，以保證順利過(guò)坡。在控制軟件方面，利用組委會(huì)推薦的開(kāi)發(fā)工具編寫調(diào)試程序，經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員不斷討論、改進(jìn)，終于設(shè)計(jì)出一套通用、穩(wěn)定的程序，實(shí)現(xiàn)根據(jù)路況調(diào)整車速與轉(zhuǎn)向，并在最短時(shí)間內(nèi)跑完全程。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試、校賽與省賽的檢驗(yàn)，證明了該設(shè)計(jì)方案的可靠、穩(wěn)定與高效。

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王浩然，男，1995年出生，山東省聊城市人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。