石 強 唐 軍 申 瑜 李 洋 張 強

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 貴州 貴陽 550025)

基于超級電容的電磁節(jié)能智能小車的設(shè)計

石 強 唐 軍 申 瑜 李 洋 張 強

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 貴州 貴陽 550025)

智能小車的設(shè)計將會沿著速度更快，更加節(jié)能的方向發(fā)展。本文基于該趨勢設(shè)計了一種以超級電容為電源，以電感作為路徑識別的傳感器的電磁節(jié)能小車。本文將從節(jié)能小車的系統(tǒng)方案，硬件電路，和路徑識別以及軟件的設(shè)計方面做出詳細介紹。其中，本文會分別說明超級電容作為電源的優(yōu)點，以及小車電機的選取和以及路徑識別等。實驗結(jié)果證明，本次設(shè)計的電磁節(jié)能小車在節(jié)能方面有著很好節(jié)能效果。

超級電容;節(jié)能;智能小車;路徑識別

一、引言

智能小車的未來發(fā)展方向必然朝著速度更快，更加智能，以及更加節(jié)能的方向發(fā)展。經(jīng)過多年的發(fā)展和設(shè)計，智能小車的設(shè)計在提高速度和智能化的方向已經(jīng)取得了長足的進步，但是對于智能小車的節(jié)能設(shè)計才剛剛起步，因此而本文將重點放在小車的節(jié)能設(shè)計上。本文中的電磁節(jié)能小車由超級電容，電磁信號采集電路，恩智浦公司產(chǎn)的三十二位k60單片機，SD-5舵機，編碼器以及直流無刷電機動力系統(tǒng)組成。電磁節(jié)能小車由電磁信號采集電路采集電路，然后通過路徑識別算法由k60控制SD-5舵機控制方向，無刷直流電機結(jié)合編碼器提供前進動力。因此電磁節(jié)能車的設(shè)計分為以下部分：1超級電容的電源部分。2電磁信號采集電路部分。3 K60單片機作為CPU。4舵機方向部分 5直流無刷電機和編碼器組成動力反饋部分。

二、硬件電路圖

電磁的智能節(jié)能小車的硬件電路設(shè)計主要要從節(jié)能的方面考慮。在的分析中，由于超級電容放電的非線性，所以在超級電容的后面會加上一個升降壓模塊TPS6070.

從實驗可以得出，電磁節(jié)能車的電源硬件電路圖總體可以大致分為兩部分，第一部分為升降壓模塊TPS6070模塊，這個模塊的作用在于無論超級電容的電壓無論高于或者低于目標(biāo)電壓時，在電壓的上下限值的范圍內(nèi)，都能穩(wěn)定輸出目標(biāo)電壓，本文使用的TPS6070電壓模塊，有效的電壓利用功率達到98%，工作電流可以達到2A，可以很好的滿足我們的節(jié)能要求。第二部分為為各個子系統(tǒng)供電的供電部分，經(jīng)過升降壓模塊穩(wěn)定輸出目標(biāo)電壓后，然后分別分別轉(zhuǎn)換為各個子模塊需要的電壓。

三、路徑識別算法

對于電磁節(jié)能智能小車的設(shè)計，優(yōu)秀的路徑識別的算法往往是比較重要的。綜合各種路徑以及節(jié)能的綜合考慮，采用三路電感用于信號采集。對于電磁節(jié)能車，為了減少信號源不穩(wěn)定的影響，在進行路徑識別算法之前，我們要對原始信號進行濾波以及歸一化處理，濾波的方法在于三路電感采集信號五十次，去除最大值和最小值，然后獲取均值，這樣可以防止信號突變帶來的信號失真。濾波算法如下：

假定一路電感采集信號50次，得到的值為C1,C2,C3……C50。然后利用冒泡算法獲取最大值以及最小值Cmax,Cmin。此時得到剩余N個值，然后利用均值算法得到我們最終的信號值C

(2)

與此同時為了減少信號源不穩(wěn)定對路徑識別算法的影響，采取歸一化處理方式對信號進行處理。歸一化處理如下：

C=(C-Cmin1)/(Cmax1-Cmin1)

(3)

其中:Cmin1和Cmax1表示剔除最大值和最小值后剩余的值之間的最大值和最小值。經(jīng)過歸一化處理過的信號將用于路徑識別。一般的道路，如直道，彎道以及十字，只要得到偏差即可用于舵機控制。假定左邊采集的電感信號為CL，中間電感采集的信號為Cm，右邊采集的電感信號為Cr。

dy=100*(Cr-CL)/(Cr+CL)

(4)

對于圓環(huán)，由于環(huán)內(nèi)的信號會出現(xiàn)相互抵消的情況，所以需要算法識別他。圓環(huán)識別和處理算法步驟如下：

(1)圓環(huán)前通常有一段直道，即S

(2)進入圓環(huán)時，由于左右電感和信號線平行，信號采集值會急速減小，根據(jù)大量實驗，可以設(shè)定Slx以及Srx,當(dāng)左路信號CL

(4)識別到圓環(huán)以后，還要出環(huán)，由于中間的電感是垂直放置，他進入圓環(huán)時信號會急速增大，但是在環(huán)內(nèi)運動過程中，由于在圓環(huán)出口，中間電感會和信號線平行，會急速減小，即Cm

四、軟件程序設(shè)計

電磁節(jié)能小車的軟件程序設(shè)計可以分為幾部分，第一部分，是對信號的采集和處理。包括上一小節(jié)的信號濾波，和歸一化處理，以及求出濾波和圓環(huán)識別。第二部分，是通過獲取的偏差進行舵機和電機的PID控制。對于方向的PID控制，其核心思想在于把控制周期內(nèi)的車輛狀態(tài)視為不變，在智能小車的行駛中，每20ms進行一次控制，可滿足要求。

其處理流程大致如下，對三路電感采集的信號進行濾波和歸一化處理，由于電磁圓環(huán)特殊性，需要特別識別，如果識別到圓環(huán)，需對圓環(huán)進行處理。最后獲取偏差結(jié)合PID算法對小車進行速度和方向控制。

五、小結(jié)

本文的電磁節(jié)能小車從以下幾個方面進行了設(shè)計，第一，選用能量轉(zhuǎn)換效率高的超級電容作為了本次電磁節(jié)能小車的電源。第二，為了獲取穩(wěn)定的電壓輸出，選擇了TPS6070升降壓芯片，該芯片的能量轉(zhuǎn)換可以達到98%，工作電流可以達到2A。第三，電感電路在采集信號時異常耗電的，由于電磁節(jié)能小車的速度要求并不是太高，所以優(yōu)化了電感電路，選取了三路電感作為了信號采集的傳感器，大大降低了能量損耗。第四，使用了光電碼盤代替了傳統(tǒng)的編碼器，以及使用了直流無刷電機代替了耗電的直流電機。第五，在程序上，優(yōu)化了算法，使CPU耗電更少。實驗證明，本文設(shè)計的電磁節(jié)能小車的節(jié)能效果比傳統(tǒng)的電磁智能小車可以節(jié)約65%的電量。

指導(dǎo)老師：唐軍

[1]卓晴，黃開勝，邵貝貝，學(xué)做智能車-挑戰(zhàn)飛思卡爾杯[M].北京航天航空大學(xué)出版社，2017:1-18.

[2]李圣勇.大規(guī)模儲能電池管理系統(tǒng)的研究[D],南寧：廣西大學(xué)：2-4.

[3]孟彥京，張商州，陳景文，充電方式對超級電容能量效的影響[J],電子器件，2014,37(1):13-16.

石強(1994-)，男，漢，四川省廣元市旺蒼縣木門鎮(zhèn)杏埡村五組，研究生學(xué)歷，貴州大學(xué)，控制工程與科學(xué)。