董佳齊，張欣，周安康，張恩溥

（天津工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300387）

0 引言

無線充電或無線供電技術(shù)是一種以無線電波或者電磁場(chǎng)為載體在自由的空間中對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電的技術(shù)[1]。無線充電技術(shù)的研究，源于19 世紀(jì)30 年代，邁克爾-法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在電線中產(chǎn)生電流。無線充電技術(shù)，利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振，實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸。其中，磁耦合共振技術(shù)能夠進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的電能傳輸，可以進(jìn)行幾厘米到幾米的無線充電。除了有較遠(yuǎn)的傳輸距離之外，磁耦合共振方式還能夠同時(shí)為多個(gè)設(shè)備供應(yīng)電能，并且磁耦合共振方式最高能夠達(dá)到90%以上的傳輸效率[2]。同時(shí)，無線充電技術(shù)具備重大的現(xiàn)實(shí)意義，電動(dòng)汽車行業(yè)也在不斷的快速發(fā)展之中。無線充電技術(shù)可以解決傳統(tǒng)傳導(dǎo)式充電面臨的接口限制、安全等問題，因此有望逐漸發(fā)展成為電動(dòng)汽車充電的主要方式[3]。

根據(jù)第十八屆全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽電能接力組比賽規(guī)則，本設(shè)計(jì)使用磁耦合式無線充電技術(shù)進(jìn)行電能傳輸，設(shè)計(jì)了一套智能循跡雙車電能接力系統(tǒng)。智能小車通過攝像頭及電感輔助，通過使用連通域算法，進(jìn)行智能循跡。在無線充電過程中，因?yàn)榫€圈漏磁產(chǎn)生電感會(huì)阻礙電能傳輸，因此設(shè)計(jì)了LCC 電路對(duì)此損耗進(jìn)行補(bǔ)償。此外在小車運(yùn)行過程中通過Esp32模塊與主控芯片CH32V307進(jìn)行串口通信，通過UDP 數(shù)據(jù)透?jìng)鲄f(xié)議與云端上位機(jī)Node-red 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以便進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)對(duì)于智能小車和智能汽車的研究有較好的適用性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以磁耦合式無線充電技術(shù)為研究依據(jù)，使用LCC諧振電路對(duì)充電過程進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)合編碼器、攝像頭等傳感器，設(shè)計(jì)了一套可自動(dòng)循跡并讓后車通過無線充電技術(shù)給前車提供電能的雙車跟隨接力系統(tǒng)。

在硬件層面上，兩車均以CH32V307單片機(jī)為主控芯片，以逐飛總鉆風(fēng)攝像頭為傳感器；前車以3010 舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向；兩車之間采用沁恒CH573F 藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信；設(shè)計(jì)外圍SPX2940T、RT9013-33、SY8205FCC 穩(wěn)壓電路對(duì)主控及傳感器模塊供電。以BTN7971 芯片設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)；使用ESP32 模塊通過UDP 數(shù)據(jù)透?jìng)鲄f(xié)議與Node-red 平臺(tái)搭建的云端上微機(jī)進(jìn)行通信與人機(jī)交互顯示。

在軟件算法上，通過PID 算法控制小車運(yùn)動(dòng)的速度和方向，采用大津法（OTSU 算法）和連通域算法識(shí)別道路信息，可以在無人控制的情況下自動(dòng)完成沿著道路尋跡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 CH32V307 主控模塊

主控模塊的系統(tǒng)微處理器采用CH32V307型號(hào)單片機(jī)。CH32V307 是基于32 位RISC-V 設(shè)計(jì)的互聯(lián)型微控制器，在本設(shè)計(jì)中，其承擔(dān)了驅(qū)動(dòng)攝像頭、編碼器等模塊進(jìn)行循跡以及驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙模塊進(jìn)行兩車通信的工作，并承擔(dān)控制充電過程的啟停的工作。

■2.2 藍(lán)牙模塊

通信模塊使用沁恒CH573 模塊，集成32 位RISC-V 內(nèi)核微控制器，實(shí)現(xiàn)BLE 無線通訊。還帶有低功耗藍(lán)牙BLE通訊模塊、高速USB 主機(jī)設(shè)備控制收發(fā)器、SPI、四個(gè)串口、ADC、按鍵觸摸檢測(cè)、RTC 等多種外設(shè)資源。模塊集成度高，穩(wěn)定性好，通信距離較長且信號(hào)穩(wěn)定，可通過串口方式接收及發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)兩車間的通信。

■2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊選用BTN7971 芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路核心，其耐壓值為45V，可通過最大電流為80A，其本質(zhì)為MOS 橋驅(qū)動(dòng)電路，為防止輸出電流反沖進(jìn)入芯片，使用74LVC245 隔離芯片以隔離信號(hào)。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

■2.4 穩(wěn)壓模塊

由于主控板集成傳感器較多，共設(shè)計(jì)了三種穩(wěn)壓模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。其中5V 穩(wěn)壓模塊使用SPX-2940T 芯片，SPX2940T 是一款低壓差5V 線性穩(wěn)壓器，具有良好的特性。3V3 穩(wěn)壓模塊使用RT9013-33GB 芯片，RT9013 是一款高性能、輸出電流能力500mA 的線性穩(wěn)壓器，提供極高的PSRR 和超低壓降。后車舵機(jī)穩(wěn)壓模塊使用SY8205FCC 芯片，SY8205 是一種DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有高效的同步降壓的特點(diǎn)，輸出電流可以達(dá)到5A。該芯片工作電壓范圍為4.5V到30V，并且?guī)в蠷DS 極低的主開關(guān)與同步開關(guān)。三種穩(wěn)壓電路原理圖分別如圖3、圖4 及圖5 所示。

圖3 電源5V 穩(wěn)壓電路

圖4 電源3V3 穩(wěn)壓電路

圖5 舵機(jī)電源電路

■2.5 傳感器

2.5.1 攝像頭

CMOS 攝像頭體積小，圖像獲取可靠性高、穩(wěn)定性高，功耗低，只需要3V3 電源供電。由于在智能車高速運(yùn)行中，為防止圖像失真的情況發(fā)生，對(duì)攝像頭穩(wěn)定性和可靠性要求較高，所以選用 CMOS 攝像頭進(jìn)行圖像采集。

2.5.2 編碼器

光電編碼器是將輸出軸上的機(jī)械幾何位移通過光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量的傳感器。它也是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)速傳感器之一。具有信息獲取準(zhǔn)確、準(zhǔn)確度高、應(yīng)用簡單等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)使用的是1024 線增量式光電編碼器，供電電源電壓為3.3V 或5V，輸出方波信號(hào)，將小車的當(dāng)前速度送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，通過PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的控制。

■2.6 無線充電電路

無線充電接收端采用LCC 諧振電路以實(shí)現(xiàn)較高的充電效率及較快的充電速度。為了避免超級(jí)電容過充，使用繼電器接在接收線圈的兩邊，在充滿電后將線圈兩端短接，停止充電。同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)滯回電壓比較器，通過該電壓比較器設(shè)置兩個(gè)切換點(diǎn)控制繼電器工作。

無線充電接收端電路圖如圖6 所示。

圖6 無線充電接收端電路圖

圖7 Node-red 信息流圖

圖8 Node-red 云端上位機(jī)界面

圖9 無線充電雙車實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 速度控制算法

智能小車采用增量式PID 算法對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)控制，通過編碼器獲取小車的當(dāng)前速度并送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，并通過PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制。

■3.2 圖像識(shí)別算法

3.2.1 OTSU 大津法

本實(shí)驗(yàn)通過攝像頭獲取路面信息，并將獲取的圖像傳給單片機(jī)進(jìn)行處理后判斷路面情況。

大津法（OTSU）是日本的大津展之在1980 年提出的。該方法的基本思想是：設(shè)閾值將圖像分割成兩組，一組灰度對(duì)應(yīng)目標(biāo)，另一組灰度對(duì)應(yīng)背景，則這兩組灰度值的類內(nèi)方差最小，兩組的類間方差最大[4]。

OTSU 算法假設(shè)是有一個(gè)閾值TH 可以將一幅灰度圖像中的像素分成兩組C1（灰度小于TH）與C2（灰度大于TH），這兩組像素的均值分別為m1 與m2，整張圖像的灰度均值為mG。并且像素被分為C1 或C2 組的概率分別為p1、p2。那么就有：

根據(jù)方差的表達(dá)式，類間方差表達(dá)式為：

將上式化簡，將式(1)代入式(3)，可得：

其中：

根據(jù)公式遍歷全部的0～255 灰度級(jí)，求出使式(4)中最大的 k 值（使得類間方差最大的k 值）即為所求的閾值。

使用大津法可以將單片機(jī)獲取到的圖像進(jìn)行二值化處理。

3.2.2 連通域算法

連通域在圖像中通常是指像素值相同并且?guī)缀挝恢孟噜彽南袼攸c(diǎn)所組成的圖像區(qū)域。而對(duì)于二值化后的圖像的連通域算法操作就是將黑色像素（在二值化圖像和灰度圖一般用“0”表示）與白色像素（在二值化圖像中一般用“1”表示，在灰度圖中用“255”表示）組成的二維像素點(diǎn)陣中相鄰（4 鄰域或8 鄰域）的并對(duì)圖像中不同連通域填寫不同的數(shù)字標(biāo)簽，并且計(jì)算連接域的數(shù)量。該過程是計(jì)算機(jī)視覺和模式識(shí)別、圖像處理中一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)操作，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。通過連通域算法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理后，我們從中提取出有效信息，即道路邊界，來對(duì)其分析并與舵機(jī)方向控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。通過道路邊界信息進(jìn)行一定的算法計(jì)算，可以得出圖像道路的中線(最簡單就是相加求平均)，再通過最小二乘法可以估算出車身位置以及賽道趨勢(shì)，再將其與舵機(jī)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，便可實(shí)現(xiàn)最基礎(chǔ)的循跡功能并通過識(shí)別圖像處理中的給出的不同元素標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。

4 Node-red 云端上位機(jī)系統(tǒng)

Node-RED 是IBM 開發(fā)的一種可視化編程工具，用于滿足將硬件和設(shè)備快速連接到Web 服務(wù)和其他軟件的需求，并已迅速發(fā)展成為一種用于物聯(lián)網(wǎng)的通用編程工具。

在本系統(tǒng)中，通過將主控芯片CH32V307 中的小車數(shù)據(jù)信息流通過串口通信發(fā)送到ESP32 模塊中，ESP32 模塊通過UDP 數(shù)據(jù)透?jìng)鲄f(xié)議的形式，將傳輸?shù)奖镜胤?wù)器，注入Node-red 云端上位機(jī)系統(tǒng)之中。Node-red 平臺(tái)通過對(duì)接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)信息的可視化，為開發(fā)和應(yīng)用提供的方便的調(diào)試環(huán)境。

對(duì)于Node-red 平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)流，通過處理數(shù)據(jù)流分別接入對(duì)于云端上位機(jī)模塊接口，可以分別對(duì)接收的不同信息進(jìn)行不同方式的顯示，可以便于開發(fā)者對(duì)于系統(tǒng)的監(jiān)視和調(diào)試，并且具有很好的功能拓展性。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在兩輛智能小車均進(jìn)行自動(dòng)循跡的情況下，前車給后車通過無線充電技術(shù)提供電能的目的，最終得到了一套可自動(dòng)循跡并讓后車通過無線充電技術(shù)給前車提供電能的雙車跟隨接力系統(tǒng)。通過UDP 透?jìng)鲄f(xié)議將數(shù)據(jù)流傳輸至Node-red 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)試。該設(shè)計(jì)初步進(jìn)行了雙車電能充電模型可行性的驗(yàn)證。為未來無線充電技術(shù)及自動(dòng)駕駛技術(shù)普及后一種新型的道路救援模式提供了一個(gè)研究方向，在新能源領(lǐng)域有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。