蔡力堅(jiān),郭業(yè)才,2
(1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,南京 210000; 2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)
基于電感傳感器的自動(dòng)循跡小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
蔡力堅(jiān)1,郭業(yè)才1,2
(1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,南京 210000; 2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)
設(shè)計(jì)了一種基于電感傳感器的自動(dòng)循跡小車(chē)系統(tǒng),該系統(tǒng)以MSP430F169為主控芯片,由電感傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)循跡功能。系統(tǒng)由光耦隔離電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、減速電動(dòng)機(jī)模塊、蜂鳴器聲音提示模塊、液晶顯示模塊、編碼器測(cè)速模塊、藍(lán)牙模塊、電池模塊組成;采用四輪驅(qū)動(dòng)方式,由單片機(jī)輸出可變脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)減速直流電動(dòng)機(jī),控制小車(chē)轉(zhuǎn)向和速度;單片機(jī)通過(guò)不斷掃描傳感器4個(gè)通道輸出的數(shù)據(jù),控制小車(chē)完成循跡動(dòng)作。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí),單片機(jī)控制蜂鳴器模塊發(fā)出聲音提示;由單片機(jī)定時(shí)器模塊實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí),并由編碼器測(cè)速裝置測(cè)出小車(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)速度,將小車(chē)的實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)間和行駛距離顯示在液晶屏幕上,系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度高、功耗低。
智能小車(chē); 電感檢測(cè); 可變脈沖信號(hào)
近年來(lái),智能車(chē)輛己成為車(chē)輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車(chē)工業(yè)增長(zhǎng)的新動(dòng)力,很多發(fā)達(dá) 國(guó)家都將其納入到各自重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中。目前國(guó)內(nèi)比較常用的循跡導(dǎo)航技術(shù)有光電導(dǎo)航、攝像頭導(dǎo)航等,但這些方式的局限性在于會(huì)受到白天、黑夜以及天氣狀況等因素的影響,對(duì)外部環(huán)境依賴性較大[1]。并且在數(shù)據(jù)處理和算法優(yōu)化上,這些方式都存在缺陷,不能夠在一定的成本基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)高精度的要求。
本文設(shè)計(jì)了一款基于電磁感應(yīng)原理的新型智能循跡小車(chē)系統(tǒng)。在電磁屏蔽系統(tǒng)的保護(hù)下,電感傳感器不會(huì)受天氣以及一些復(fù)雜環(huán)境影響,所以電磁導(dǎo)航對(duì)外界因素的抗干擾能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于光線或影像的導(dǎo)航方式。 此外,在電感傳感器基礎(chǔ)上,提出了一種新型的線圈放置方法及基于此的算法處理。通過(guò)調(diào)整線圈的擺放位置,在線圈與賽道發(fā)生互感效應(yīng)后,將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī),單片機(jī)采用特定算法處理,從而判斷出小車(chē)的位置,繼而控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行下一步的運(yùn)動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)小車(chē)的循跡。
1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)
該設(shè)計(jì)能夠基于電感傳感器,實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)循跡功能。本系統(tǒng)采用一種新型的算法,對(duì)于6個(gè)線圈反饋的數(shù)據(jù)作不同的處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)于小車(chē)的精準(zhǔn)定位與自動(dòng)控制。并且該小車(chē)能夠?qū)τ谡系K物作判斷并實(shí)現(xiàn)聲音提示功能,還可以在液晶顯示屏上顯示實(shí)時(shí)速度與行駛距離。
1.2總方案選擇
自動(dòng)循跡小車(chē)總方案如圖1所示。
圖1 自動(dòng)循跡小車(chē)總方案
該設(shè)計(jì)采用電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為探測(cè)器,通過(guò)傳感器探測(cè)鐵制循跡線采集數(shù)據(jù),經(jīng)單片機(jī)判斷處理后輸出可變周期性脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)減速直流電動(dòng)機(jī)控制小車(chē)轉(zhuǎn)向和速度[2]。當(dāng)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí),由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器模塊發(fā)聲提示,在小車(chē)運(yùn)行全程通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí),從而實(shí)時(shí)顯示小車(chē)運(yùn)行時(shí)間;單片機(jī)通過(guò)讀取單位時(shí)間內(nèi)編碼器輸出的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)[3-4],來(lái)測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示行駛距離。
1.3器件選擇
1.3.1單片機(jī)
主控器采用MSP430F169單片機(jī),該單片機(jī)是一個(gè)16位單片機(jī),采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu),具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算;還有高效的查表處理指令[5]。具有以下特點(diǎn):①低電壓、超低功耗,工作電壓3.6~1.8 V,正常工作模式280 μA@1MHz,2.2 V,待機(jī)1.6 μA,RAM數(shù)據(jù)保存的掉電模式下0.1 μA。5級(jí)節(jié)電模式。②快速蘇醒,從待機(jī)模式下恢復(fù)工作,只需要不到6 μs。③16位精簡(jiǎn)指令集MCU,命令周期125 ns。④12位ADC,具有內(nèi)部參考電壓源,并且具有采樣、保持、自動(dòng)掃描等功能;具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以得到很高的精度,并且省去了使用專門(mén)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給設(shè)計(jì)電路板帶來(lái)的麻煩。⑤2個(gè)16位計(jì)數(shù)器,具有捕獲、門(mén)限功能。⑥具有片內(nèi)比較器。⑦支持ISP(在線系統(tǒng)編程),方便開(kāi)發(fā)和項(xiàng)目升級(jí)。⑧支持序列號(hào),熔絲位燒寫(xiě),方便簡(jiǎn)單。⑨雙串口。⑩支持超小型封裝,64P-QFP、64P-QFN。這些特點(diǎn)保證了其可編制出高效率的源程序。它具有處理能力強(qiáng);運(yùn)算速度快,功耗低,片內(nèi)資源豐富,捕獲/比較功能強(qiáng),中斷源較多,并且可以任意嵌套,使用時(shí)靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。
1.3.2電感傳感器
電感傳感器采用LDC1314芯片,該芯片是一種非接觸式、短程傳感技術(shù)的電感數(shù)字器芯片。通過(guò)I2C總線控制,提供了多種運(yùn)行模式。能夠在灰塵、污垢、油和潮濕環(huán)境中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體目標(biāo)的低成本、高分辨率感測(cè),這使得它在惡劣環(huán)境中非??煽俊2⑶移渚哂兴耐ǖ啦蓸?,能夠更方便實(shí)現(xiàn)對(duì)精度的要求。本系統(tǒng)中用該芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)的采集。
1.3.3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及測(cè)速模塊
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用ADMH2403ND實(shí)現(xiàn)雙路隔離,在實(shí)現(xiàn)L298N電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊基礎(chǔ)上通過(guò)加入光耦隔離和過(guò)流保護(hù)模塊,不僅可以減少發(fā)熱,而且可以使其輸出電流增加到6 A,使之滿足驅(qū)動(dòng)減速電動(dòng)機(jī)的要求,提高了整體系統(tǒng)的可靠性。
測(cè)速模塊則通過(guò)在車(chē)輪上加裝編碼器,用單片機(jī)檢測(cè)編碼器單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算車(chē)輪的轉(zhuǎn)速,從而推算出小車(chē)的運(yùn)行速度[6-7]。
2.1顯示電路設(shè)計(jì)
LCD12864一共有20個(gè)引腳,實(shí)際只用了18個(gè)。1引腳和20引腳直接接地,2引腳是LCD電源輸入端,19引腳LCD背光正輸入端,都接電源正極,4引腳和5引腳是LCD指令或數(shù)據(jù)的讀或?qū)懙目刂颇_,在系統(tǒng)中接到單片機(jī)引腳單獨(dú)控制,6引腳作為使能信號(hào),控制LCD執(zhí)行指令或讀寫(xiě)數(shù)據(jù),7~14引腳是LCD的數(shù)據(jù)口,15引腳是LCD數(shù)據(jù)的串行/并行工作方式的選擇,顯示電路,如圖2所示。本系統(tǒng)中4、5腳分別接單片機(jī)的P4.0和P4.1口,6腳接P4.3口,7~14腳則接單片機(jī)的P5.0~P5.7口。
圖2 LCD顯示電路
2.2蜂鳴器電路設(shè)計(jì)
蜂鳴器模塊用于檢測(cè)到障礙物(硬幣)時(shí)發(fā)出提示聲音。該電路是由PNP三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,由單片機(jī)I/O口來(lái)控制三極管的基極,單片機(jī)I/O口輸出低電平時(shí),三極管導(dǎo)通,然后蜂鳴器正極與電源接通,蜂鳴器發(fā)出聲音提示,單片機(jī)I/O口輸出高電平時(shí),三極管截止,蜂鳴器停止工作。本系統(tǒng)中該腳接單片機(jī)的P4.3口。蜂鳴器電路,如圖3所示。
圖3 蜂鳴器電路
2.3編碼器測(cè)速電路設(shè)計(jì)
編碼器測(cè)速電路是用來(lái)測(cè)量小車(chē)單位時(shí)間內(nèi)的車(chē)輪轉(zhuǎn)速?gòu)亩@得小車(chē)行距離的器件。內(nèi)部采用霍爾傳感器感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),然后通過(guò)比較器輸出脈沖信號(hào)。本系統(tǒng)中反饋腳接單片機(jī)的P1.0和P1.1口。編碼器測(cè)速電路[8],如圖4所示。
圖4 編碼器測(cè)速電路
2.4電源模塊電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用的電源模塊利用7805芯片將12 V航模電池電壓穩(wěn)壓為5 V電壓輸出給單片機(jī)供電。電源模塊電路,如圖5所示。
圖5 電源模塊原理圖
2.5LDC1314探測(cè)器模塊電路設(shè)計(jì)
為了能夠正確驅(qū)動(dòng)LDC1314電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器,本文通過(guò)外加20 MHz晶振,數(shù)據(jù)口SDA和時(shí)鐘口SCL加上拉電阻并輔以相關(guān)濾波調(diào)理電路,實(shí)現(xiàn)LDC1314的正確轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)[9]。探測(cè)模塊電路,如圖6所示。
圖6 LDC1314探測(cè)器模塊電路設(shè)計(jì)
INT0、INT1和INT2腳分別對(duì)應(yīng)線圈1、2和3,INT3腳對(duì)應(yīng)線圈4、5、6.單片機(jī)通過(guò)IIC通信協(xié)議對(duì)線圈數(shù)據(jù)進(jìn)行讀值處理。
3.1電感傳感器理論分析與計(jì)算
要使LDC1314電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器正常工作,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用配置相關(guān)寄存器,其中涉及有關(guān)計(jì)算如下:
LDC1314電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器的器件頻率公式
fsensor=1/(2π·sqrt(LC))
(1)
通道參考頻率計(jì)算公式
fref=4fsensor
(2)
品質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式
Q=RP·sqrt(C/L)
(3)
頻率偏移
fOFFSET=CHXFFSET(fREF0/26)
(4)
在寄存器配置過(guò)程中還涉及一些注意事項(xiàng)[10]:①傳感器驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置,使用需要同時(shí)注意CONFIG寄存器相關(guān)配置;②使用CH0_IDRIVE[15:11]時(shí),Rp Override須打開(kāi);③使用CH0_INIT_IDRIVE[10:6]時(shí),保證AUTO_AMP_DIS位不置位。
3.2LDC1314子程序設(shè)計(jì)
LDC1314四個(gè)通道全部使用,采用I2C通信協(xié)議。前瞻3個(gè)線圈占3個(gè)通道,車(chē)頭3個(gè)線圈串聯(lián)占1個(gè)通道。若電感傳感器反饋回單片機(jī)的數(shù)值大于5時(shí),則判斷其檢測(cè)到障礙物;若反饋值正常穩(wěn)定在5以下時(shí),則判斷其在軌道上,從而進(jìn)行循跡步驟。在小車(chē)循跡過(guò)程中,傳感器4個(gè)通道同時(shí)采樣并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)處理,繼而進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的控制[11-12]。子程序流程圖如圖7所示。
圖7 LDC1314子程序流程圖
3.3定時(shí)器中斷子程序模塊
本文通過(guò)MSP430f169的定時(shí)器B來(lái)捕獲編碼器單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù),從而計(jì)算出車(chē)輪的轉(zhuǎn)速。定時(shí)器B流程圖,如圖8所示。
3.4小車(chē)循跡算法設(shè)計(jì)
為了使小車(chē)在循跡過(guò)程中保持一定的速度,本文采用了安置前瞻的方案[13-14]。在前瞻中,放置3個(gè)線圈并呈“品”字形擺放,如圖9所示。在檢測(cè)障礙物(硬幣)時(shí),本文采用在車(chē)頭再放置3個(gè)線圈的方法,如圖10所示。這種方法能夠充分覆蓋賽道,繼而精確的找到障礙物并報(bào)警。
圖8 定時(shí)器中斷子程序流程圖
圖9 前瞻中線圈擺放方式圖
圖10 車(chē)頭線圈擺放方式圖
為了實(shí)現(xiàn)小車(chē)的的直行和左右轉(zhuǎn)彎,本文設(shè)計(jì)了如下算法:由于當(dāng)線圈和賽道發(fā)生互感效應(yīng),及線圈在賽道上時(shí),傳感器返回的數(shù)值為負(fù)。為了下文論述方便,特將傳感器返回?cái)?shù)值為負(fù)時(shí),記為某個(gè)線圈在軌道上。
(1) 直行。當(dāng)1號(hào)線圈在軌道上,2和3號(hào)線圈均不在軌道上時(shí),判斷此時(shí)小車(chē)的位置在直道上,此時(shí)小車(chē)應(yīng)采取直行的動(dòng)作。直行時(shí),單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)保證四輪速度保持一樣。如圖11(a)所示。
圖11 各行車(chē)狀態(tài)中線圈與軌道的位置圖
(2) 左轉(zhuǎn)彎。當(dāng)1號(hào)和3號(hào)線圈在軌道外,并且2號(hào)在軌道上,判斷此時(shí)小車(chē)的位置在左彎的入彎口,此時(shí)小車(chē)應(yīng)采取左轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作。左轉(zhuǎn)彎時(shí),單片機(jī)控制左前與左后輪靜止不動(dòng),右前和右后輪保持原速(由于賽道彎道半徑與小車(chē)車(chē)身相差不大,故該設(shè)計(jì)經(jīng)測(cè)試無(wú)誤),如圖11(b)所示。
(3) 右轉(zhuǎn)彎。當(dāng)1號(hào)和2號(hào)線圈在軌道外,并且3號(hào)在軌道上,判斷此時(shí)小車(chē)的位置在右彎的入彎口,此時(shí)小車(chē)應(yīng)采取右轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作。右轉(zhuǎn)彎時(shí),單片機(jī)控制右前與右后輪靜止不動(dòng),左前和左后輪保持原速(由于賽道彎道半徑與小車(chē)車(chē)身相差不大,故該設(shè)計(jì)經(jīng)測(cè)試無(wú)誤)[15],如圖11(c)所示。
該算法具有如下優(yōu)點(diǎn):①在過(guò)彎時(shí),由于1號(hào)線圈始終在彎道外,小車(chē)能夠以簡(jiǎn)單的處理,迅速做出判斷執(zhí)行動(dòng)作,過(guò)彎(尤其是U彎賽道)相比其他車(chē)型要更為流暢。②在直道時(shí),由于前瞻的作用,一旦出彎后2或3號(hào)線圈將離開(kāi)軌道,1號(hào)進(jìn)道,立馬采取直行動(dòng)作,保證速度及流暢性,防止了由于出彎使傳感器數(shù)值突然變化而導(dǎo)致的小車(chē)擺頭隱患。
該小車(chē)基于電感傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)循跡、檢測(cè)障礙、測(cè)速、顯示行駛距離等功能,在實(shí)際測(cè)試中,數(shù)據(jù)基本沒(méi)有誤差。后期還可改進(jìn)硬件結(jié)構(gòu),對(duì)于線圈的數(shù)量和擺放還可作進(jìn)一步調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)更高精度和處理速度的要求,繼而提高小車(chē)應(yīng)變能力,實(shí)現(xiàn)更快的循跡行駛速度。
[1] 林 康,肖 建,成謝鋒.基于特征提取的分離循跡智能車(chē)系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(10);84-86.
[2] Misron N, Ying L Q, Firdaus R N,etal.Effect of inductive coil shape on sensing performance of linear displacement sensor using thin inductive coil and pattern guide[J].Sensors, 2011, 11(11): 10522-10533.
[3] Liu C, Dong Y.Resonant enhancement of a passive coil-capacitance loop in eddy current sensing path[J].Measurement, 2012, 45(3): 622-626.
[4] Danisi A, Masi A, Losito R,etal.Electromagnetic analysis and validation of an ironless inductive position sensor[J].Ieee Transactions on Instrumentation and Measurement, 2013, 62(5): 1267-1275.
[5] 揚(yáng)艷琴,沈建華,翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:32-37.
[6] Onieva E, Naranjo J E, Milanes V,etal.Automatic lateral control for unmanned vehicles via genetic algorithms[J].Applied Soft Computing, 2011, 11(1): 1303-1309.
[7] Stephan K D,Michael K,Michael M G,etal.Social implications of technology: The past,the present,and the future[C]//Proceedings of the IEEE,2012,100(Special Centennial Issue): 1752-1781.
[8] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].6版.北京:科學(xué)出版社,2013:46-49.
[9] 黃玉水,黃 輝,周美娟,等.電磁導(dǎo)航式智能車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2014(5):101-109.
[10] 于 寒,沈世斌.磁導(dǎo)航智能車(chē)定位計(jì)算方法研究[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(1):45-52.
[11] 趙凱瑞,陶 模,王明亮.電磁引導(dǎo)智能汽車(chē)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,31(3): 487-490.
[12] 楊素梅,潘宏俠,盧士彬,等.智能尋跡小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其速度控制[J].車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù),2013(4):124-135.
[13] 張桐銘,劉延飛,趙鵬濤,等.基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能車(chē)追逐控制系統(tǒng)研究[J].科技與創(chuàng)新,2016(15):118-123.
[14] 張 茜,楊旭海,薛令陽(yáng).基于電磁傳感器的智能車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用,2012,14(12): 12-16.
[15] 唐亞偉,秦玉平.基于數(shù)據(jù)挖掘的分類算法綜述[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,32(4): 372-375.
IntelligentTrackingCarBasedonInductanceSensors
CAILijian1,GUOYecai1,2
(1.School of Electronic Engineering, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing 210000, China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET),Nanjing 210044,China)
A system of intelligent car is controlled by MSP430F169 microcontroller to realize the car automatic tracking function, inductive sensors are used for data acquisition.The car is made up of coupling isolation motor drive module, geared motor modules, buzzer sound module, LCD module, encoder module, Bluetooth module, battery module.It is a four-wheel driven vehicle, driven by microcontroller which outputs variable pulse signal, and can change steering and speed by DC motor.Microcontroller can continually scan four-channel data outputted by LDC1314 and control the car to complete tracing action.If an obstacle is detected, buzzer module yields voice prompt.It uses timer module for precise timing, uses encoder speed detector to detect the car speed, the elapsed time of the car and driving distances can be displayed on the LCD screen.This paper seeks to complete the system design in high precision and low power consumption.
intelligent car; inductance detection; variable pulse signals
TP 273+.1
A
1006-7167(2017)10-0075-05
2017-02-23
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61673222);江蘇高校自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(13KJA510001);江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(ppzy2015B134)
蔡力堅(jiān)(1996-),男,江蘇丹陽(yáng)人,本科生,主要研究方向?yàn)閭鞲衅鳈z測(cè)與處理技術(shù)。Tel.:18362086912;E-mail: lmgsl@outlook.com
郭業(yè)才(1962-),男,安徽安慶人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,副院長(zhǎng),研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理,通信信號(hào)處理,自適應(yīng)盲均衡技術(shù)。Tel.:15195831978; E-mail:guo-yecai@163.com