朱瞿辰，汪敬華，姜 宇，楊 蘭，趙春鋒

（上海工程技術(shù)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620）

0 引言

隨著人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，智能控制應(yīng)用也不斷出現(xiàn)在各個(gè)場(chǎng)景，手持設(shè)備、智能終端的無線充電需求持續(xù)旺盛。2021 年第十六屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽中設(shè)立的節(jié)能信標(biāo)組競(jìng)賽命題，要求智能小車在完成紅外信標(biāo)燈自動(dòng)追蹤的同時(shí)，自動(dòng)完成從預(yù)埋在信標(biāo)燈罩下的無線電能發(fā)射裝置的充電行為。發(fā)射線圈的電能在小車過信標(biāo)燈時(shí)被接收，并儲(chǔ)存于超級(jí)法拉電容組中，供小車追蹤控制的連續(xù)工作，比賽場(chǎng)地如圖1所示。

圖1 比賽場(chǎng)地示意圖

經(jīng)過無線充電、視覺識(shí)別以及追蹤算法研究，以英飛凌TC264 作為控制核心，采用LCC恒功率無線控制技術(shù)進(jìn)行高效充電，圖像采集利用連通域算法進(jìn)行信標(biāo)搜索，使用PID 控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)信標(biāo)追蹤功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能小車系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 智能小車系統(tǒng)組成

以英飛凌公司的TC264 微控制器作為系統(tǒng)的控制核心，TC264 最高主頻200 MHz、雙核TriCore?架構(gòu)，有集成ADC 轉(zhuǎn)換、I2C 總線、DMA、USART 等豐富資源，為汽車級(jí)芯片。采用逐飛科技公司總鉆風(fēng)攝像頭采集紅外信標(biāo)位置坐標(biāo)，自行設(shè)計(jì)LCC 恒功率無線充電以及儲(chǔ)能模塊為智能小車系統(tǒng)收集和存儲(chǔ)電能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和編碼器是小車運(yùn)行控制的必要組件，配有按鍵和TFT進(jìn)行人機(jī)交互。

2 無線電能接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 恒功率充電接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線充電發(fā)射裝置由競(jìng)賽組委會(huì)提供，恒功率充電接收端部分自行設(shè)計(jì)，由硬件和軟件兩部分組成。無線充電接收硬件組成如圖3 所示，電能接收線圈經(jīng)過LCC 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)行全校整流變成直流電，再經(jīng)過BUCK 電路恒功率控制將電能充入超級(jí)電容組，供主控系統(tǒng)工作。圖3虛線方框?yàn)楹愎β士刂撇糠郑妷翰杉捎昧撕?jiǎn)單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，電流采集將采集電阻串聯(lián)在主電路母線中，差分電壓由電流檢測(cè)芯片AD8217 放大至0～3.3 V 送給單片機(jī)。采用TC264 單片機(jī)內(nèi)部集成的ADC 采集電壓和電流，進(jìn)而計(jì)算出接收電能功率，根據(jù)設(shè)定功率調(diào)節(jié)BUCK半橋充電效率。

圖3 恒功率充電硬件組成原理

2.2 無線電能傳輸LCC拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

無線電能傳輸前端采用了雙邊對(duì)稱LCC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示，為電能發(fā)射端線圈，將電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能，為電能接收端線圈，將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)射裝置將直流電逆變成交流電送給LCC（由L、C和組成）電路，經(jīng)發(fā)射磁場(chǎng)能，接收端將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為電能后送給LCC（由L、C和組成）電路后整流（1～4 組成）。發(fā)送端和接收端互相前后對(duì)稱，因此稱雙邊對(duì)稱LCC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠在后端負(fù)載變化（u變化）的狀態(tài)下，讓接收線圈保持恒定的電流值，有效提高能量接收效率。

圖4 雙邊對(duì)稱LCC網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)無線發(fā)射頻率，需要對(duì)接收線圈和電容進(jìn)行參數(shù)匹配，即確定L、C和參數(shù)。利用這三個(gè)元器件在同一工作頻率下與電感阻抗值相等的方法計(jì)算各自參數(shù)。在實(shí)際使用時(shí)根據(jù)理論計(jì)算值采用標(biāo)稱電容進(jìn)行并聯(lián)匹配使得整流后的電壓最大。經(jīng)過LCC 諧振得到仍是正弦交流電，半波整流效率低，倍壓整流和全波整流原理上具有相同的效率，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)全橋整流比倍壓整流具有更低的輸出阻抗。

2.3 恒功率控制

為了高效控制充電效率，采用恒功率控制方法，恒功率充電系統(tǒng)原理示意圖如圖5 所示。通過單片機(jī)對(duì)BUCK 電路前端電流與電壓采樣并計(jì)算當(dāng)前充電功率，與設(shè)定功率值進(jìn)行比較，采用傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)器計(jì)算校正結(jié)果，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PWM 控制兩個(gè)MOS 管組成的半橋電路，經(jīng)由LC 組成的BUCK 電路對(duì)電容組進(jìn)行恒功率充電。自行設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件繪制恒功率調(diào)節(jié)效果波形圖如圖6所示。

圖5 恒功率調(diào)節(jié)原理示意圖

圖6 恒功率調(diào)節(jié)效果圖

3 自動(dòng)追蹤程序設(shè)計(jì)

3.1 連通域定位算法

信標(biāo)燈能發(fā)出10 Hz閃爍的紅光和常亮紅外光，采用帶有可見光濾片的MT9V032 數(shù)字?jǐn)z像頭，只采集信標(biāo)燈發(fā)出的紅外光的現(xiàn)場(chǎng)圖像，對(duì)其二值化處理和數(shù)字濾波，得到準(zhǔn)確的ROI（region of interest）區(qū)域。

連通區(qū)域（connected component）一般是指圖像中具有相同像素值且位置相鄰的像素點(diǎn)組成的圖像區(qū)域（region of Blob）。連通區(qū)域分析是將二值化后圖像中的各個(gè)連通區(qū)域找出并做標(biāo)記，在圖像處理的眾多應(yīng)用中較常用的方法，其基本算法有兩遍掃描法（two-pass）和種子填充法（seed-filling）。兩遍掃描法是通過兩遍圖形掃描，將圖像中存在的所有連通域找出并標(biāo)記下來；而種子填充法是從多邊形區(qū)域的一個(gè)內(nèi)點(diǎn)開始，由內(nèi)向外用給定的顏色畫點(diǎn)直到邊界為止。

本設(shè)計(jì)基于英飛凌TC264 單片機(jī)采用兩遍掃描法找出信標(biāo)燈連通域，根據(jù)重心法計(jì)算信標(biāo)燈目標(biāo)位置在圖像中坐標(biāo)。燈坐標(biāo)與圖像鎖定如圖7所示。

圖7 尋燈坐標(biāo)與圖像鎖定效果圖

3.2 尋燈控制策略和效果

在設(shè)計(jì)小車尋燈的程序中，設(shè)計(jì)了速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)，轉(zhuǎn)向環(huán)為內(nèi)環(huán)。找到信標(biāo)燈后，小車要快速定向追蹤到信標(biāo)燈壓燈、滅燈，滅燈后要有合適的原地轉(zhuǎn)動(dòng)速度以快速尋找下一個(gè)信標(biāo)燈。在滅燈、尋燈的過程中，小車能夠選擇停留在信標(biāo)燈上進(jìn)行無線快速充電以獲取下一次追蹤信標(biāo)燈時(shí)消耗的電能。最優(yōu)化路徑、無線充電效率以及尋燈充電策略作為本次比賽角逐的要點(diǎn)。

采取了切燈斜邊的方法使小車跑動(dòng)更加流暢，同時(shí)使磁鐵完美貼合信標(biāo)燈達(dá)到滅燈觸發(fā)要求，以達(dá)到快而高效滅燈的競(jìng)速要求。轉(zhuǎn)向速度的控制主要考慮路徑最優(yōu)化，在接近信標(biāo)燈時(shí)提前拐一個(gè)小角度在信標(biāo)燈切線方向行駛，滅燈時(shí)加速轉(zhuǎn)向。此方法的難點(diǎn)在于精準(zhǔn)控制小角度轉(zhuǎn)向以及速度把控，根據(jù)多次試驗(yàn)以及Matlab進(jìn)行速度和方向擬合，轉(zhuǎn)化為控制算法寫入單片機(jī)中，最終小車制作實(shí)物效果如圖8所示。

圖8 最終小車實(shí)物

4 結(jié)語

根據(jù)競(jìng)賽要求在紅外信標(biāo)燈自動(dòng)追蹤的同時(shí)完成自動(dòng)續(xù)航充電，本文描述了LCC 恒功率無線充電的控制為小車進(jìn)行高效無線充電，對(duì)紅外圖像采用連通域方法尋找信標(biāo)燈坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)智能小車精準(zhǔn)的信標(biāo)定向循跡追蹤。這種設(shè)計(jì)方案在比賽中獲得成功，對(duì)于其他項(xiàng)目開發(fā)具有一定的借鑒意義，為今后的相關(guān)研究打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。