江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 楊子鵬 王 威 徐穎秦

1.引言

近年來，智能制造浪潮席卷全球，現(xiàn)代工廠對自動化、智能化的要求越來越高。借助電磁自動引導(dǎo)裝置，在規(guī)定的路徑上實現(xiàn)自主行駛的無人運輸車在智能工廠中具有極高的應(yīng)用價值。電磁循跡雙車聯(lián)動系統(tǒng)借助電磁傳感器形成轉(zhuǎn)向閉環(huán)，可以使無人車沿著電磁線進行自主行駛；借助編碼器對車速進行速度反饋形成電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)，可以使無人車按照預(yù)定速度行駛；借助鴛鴦超聲波可以形成車距閉環(huán)，使后車以恒定車距跟隨前車，形成雙車聯(lián)動。該系統(tǒng)采用的電磁循跡模式相比攝像頭、光電等光學(xué)循跡，不受光照等外界因素影響，可靠性強，且軌道鋪設(shè)的經(jīng)濟成本低[1]，在智能工廠等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

2.硬件組成及設(shè)計原理

基于K60單片機的電磁循跡雙車聯(lián)動系統(tǒng)硬件組成原理如圖1所示。系統(tǒng)以K60單片機為控制器，以電磁傳感器、編碼器、鴛鴦超聲波為測量變送器，以舵機、電機為執(zhí)行器，形成一套完整的運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時配有按鍵與OLED顯示屏，實現(xiàn)車速設(shè)定、PID參數(shù)調(diào)節(jié)等功能。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

圖2 LM2940穩(wěn)壓電路

圖3 編碼器電路

2.1 單片機主控制器

本設(shè)計選用飛思卡爾K60型單片機[2]，該單片機采用Cortex M4內(nèi)核，是一款低功耗高性能的MCU，其內(nèi)部有快速高精度16位ADC，滿足系統(tǒng)功能實現(xiàn)要求。 主控電路由K60最小系統(tǒng)板為主進行拓展，設(shè)置鴛鴦超聲波、編碼器、電磁傳感器、舵機、電機、OLED顯示屏等接口方便接線。整個系統(tǒng)采用7.2V電源進行供電，由于系統(tǒng)各模塊所需電壓為5V，因此搭載LM2940穩(wěn)壓電路將7.2V電壓轉(zhuǎn)換成5V，如圖2所示。編碼器屬于漏極開路輸出，需要增加上拉電阻，如圖3所示。同時主控電路預(yù)留備用接口，方便拓展。

2.2 電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動采用兩個IR2104s半橋驅(qū)動器搭建全橋電路[3]，如圖4所示。IR2104s的VCC端需要接12V電源，采用圖5所示的LM2577升壓電路將5V升高為12V供其使用。為保障單片機的安全，采用74lvc245芯片將其與電機驅(qū)動隔離，如圖6所示。電機驅(qū)動有有兩個控制管腳，通過單片機控制，對IN1管腳輸入PWM波，IN2管腳輸入低電平時，可使電機正向轉(zhuǎn)動，同時實現(xiàn)無級調(diào)速；對IN2管腳輸入PWM波，IN1管腳輸入低電平時，可以實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)功能。

圖4 電機驅(qū)動全橋電路

圖5 LM2577升壓電路

圖6 74lvc245隔離電路

2.3 電磁傳感器電路

根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產(chǎn)生交變電磁場，通過檢測相應(yīng)電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導(dǎo)線的空間位置。電磁引導(dǎo)線中通以20kHz的交變電流作為引導(dǎo)信號，可以有效避開環(huán)境中其他磁場干擾。采用LC串并聯(lián)電路對電磁信號進行選頻放大，電感選用330uH，電容選用100pF。電磁信號放大器如圖7所示。電磁傳感器上對稱分布4個電磁信號放大器，傳感器通過檢測智能車所處位置電磁場的強度和方向，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換即可獲得它所處的空間位置，進而實現(xiàn)對智能車方向控制。

圖7 電磁信號放大電路

圖8 前車主程序流程圖

圖9 后車主程序流程圖

3.系統(tǒng)軟件控制算法設(shè)計

系統(tǒng)采用三個閉環(huán)進行控制，分別是轉(zhuǎn)向閉環(huán)、車速閉環(huán)、車距閉環(huán)。舵機轉(zhuǎn)向需要快速響應(yīng)，因此采用PD算法進行控制[4]；車距控制要求精度高，采用PI算法進行控制；車速控制希望性能更優(yōu)，因此采用PID算法進行控制。主程序流程圖如圖8和圖9所示。

4.結(jié)論

本設(shè)計以K60單片機為控制核心，通過編碼器對車速進行檢測，電磁傳感器對車空間位置進行檢測，鴛鴦超聲波對車距進行檢測，將檢測結(jié)果送入AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給K60單片機，對采集到的數(shù)據(jù)采用PID控制策略，單片機輸出相應(yīng)的控制信號，實現(xiàn)對智能車速度、車距以及空間位置的控制。該系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)性強，對智能車的控制精度高，能夠很好的實現(xiàn)對智能車速度、車距以及空間位置的控制，而且軌道鋪設(shè)成本低，經(jīng)濟性好，在現(xiàn)代化工廠中有一定的應(yīng)用價值。

[1]楊建姣,朱鳳武,齊跡．基于K60電磁循跡智能車系統(tǒng)控制策略的設(shè)計[J]．安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2016,15(2)∶9-13．

[2]隋金雪,楊莉,張巖．飛思卡爾”杯智能汽車設(shè)計與實例教程[M]．電子工業(yè)出版社,2014．

[3]閆琪．智能車設(shè)計[M]．北京航空航天大學(xué)出版社,2014．

[4]黎婷婷,葉夢君,喬德文,龍濤．基于電磁技術(shù)的智能車系統(tǒng)的軟件設(shè)計[J]．智慧工廠,2016(03)∶95-99．