复件基于电磁传感器的竞速智能小车的设计定稿郑恒军

复件基于电磁传感器的竞速智能小车的设计定稿郑恒军内容摘要：

车重心降低且使小车的重心后移，如将电池后移。 11 第三章 系统硬件设计 系统结构 系统由电源模块、电机控制模块 [4]、主控模块、电磁传感模块、速度检测模块、舵机驱动模块。 系统设计总框图如图 31示： 图 31 系统设计总框图 电源部分 为了能使智能车系统能正常工作，就需要对电池电压调节。 其中，单片机系统、车速传感 器电路需要 5V 电压，路径识别的电路电压工作为 5V、伺服电机工作电压范围 到 6V(或直接由电池提供 )，直流电机可以使用 2020mAh Nicd 蓄电池直接供电。 考虑到由于驱动电机引起的电压瞬间下降的现象，因此采用低压降的三端稳压器成为必然。 我们在采用 LM7806，和 LM2940 作为稳压芯片。 经试验电压纹波小，完全可以满足要求。 电机驱动电路 电机驱动使用功率管搭建的桥式驱动电路 [5]。 驱动电路如图 33 所示。 系统使用PWM 控制电机转速，充分利用单片机的 PWM 模块资源 [6]。 电机 PWM 频率设定为 8KHz。 因为桥路需要的电压和稳压要求，驱动电路通过一个升压块升压供电， PWM 频率小于 10KHz，具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。 电源模块 舵机驱动模块 电机控制模块 电磁传感器模块 速度检测模块 主控模块 12 图 32 系统电压调节图 图 33 电源模块示意图 图 34 H 桥式驱动电路 电磁磁场发生器模块 ： 产生中心频率为 20KHz 的对称方波信号。 为了满足功率输出电路的需要，一般输出极性相反的信号。 可以使用普通的 555 时基电路产生振荡信号 (如图 35 所示 )，也可以使用简易的单片机产生振荡信号。 为了方便调试，信号频率能够在一定范围内进行调整。 5V 6V 舵机 Dab 电池（ ） 2020mAh Nicd 稳压电路 单片机 机机 单 片 机Ddanndandan 对管 测速板 电机 单片机Ddanndandan 13 ： 由于输出驱动信号电压、电流、频率较大，需要一定输出功率驱动跑道线圈，因此最后需要功率输出电路。 可以采用分立大功率晶体管搭建输出电路，也可以使用的电机驱动桥电路集成模块（如图 34所示）。 选择时需要注意电路的频率响应应该大于20KHz，输出功率大于 2W。 ： 利用晶体管的在放大区集电极的恒流特性进行控制，恒流电路控制输出电流在100mA 左右稳定，不随着电源的变化而发生波动。 36所示： 开始时我发现车身在 跑道同一位稍微有点倾斜就有可能使车子的状态发生变化。 所以经过一番研究之后我选择软件“二值化”。 将模拟信号变换成数字信号然后在对数字信号进行处理。 采用这种方法可以较大地提高车子的稳定性和抗干扰能力。 但将模拟信号变成数字信号时肯定会丢失磁场一部分信息， 这大大的 增加了对智能车控制的难度。 图 35 基于 555 的振荡电路 电磁检测模块 对于电磁检测模块 [7]，可以选择使用少量传感器，采用模拟法，这在最初的设计时使用的就是此种方法，但在以后的实验时发现这种方法的抗干扰能力特 别差，如果导线中的电流有些许的波动，对车子的整体性能都将产生较大影像，而且在具体跑的时速度比较快。 VCC V0 Vi CT RT R1 VD C1 C2 4 8 6 7 2 3 5 1 555 14 图 36 输出方波波形 在确定智能车的总体方案时，选择工字型电感作为传感器，工字型电感传感器的优点在于技术简单，电路易实现，而且价格便宜，稳定性好，抗干扰能力好 [8]。 在使用电感传感器时实时调节传感器电压输出，达到其一致性，因电路板是手工焊制，使电感传感器的 精确度受到影响，因此选择了七个传感器采用软件“二值法”，实际检测中该方法取得预期效果。 电感传感器的原理 采用工字型电感传感器，其 外部结构如图 37所示，传感器分为现场采集和软件 “二值法”处理两部分。 图 37 几种工字型电感外部结构 图 38 中， E 是感应线圈中的感应电动势， L 是感应线圈的电感量， R0 是电感的内阻， C 是并联谐振电容。 上述电路谐振频率为： LCf 2 10  （ 31） 已知感应电动势的频率 f0=20kHZ，感应线圈电感为 L=10mH，可以计算出谐振电容的容量为：      FLfC 933320 12 1    （ 32） 通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最接近的电容为 ，所以在实际电路中，我们选用了 的电容作为谐振电容。 有谐振电容之后，感应线圈两端输出感应 20KHz 电压信号不仅幅度增加了，而且 15 其它干扰信号也非常小。 这样无论导线中的电流波形是否为正弦波，由于本身增加了谐振电容，所以除了基波信号之外的高次谐波均被滤波除掉，只有基波 20kHz 信 号能够发生谐振，输出总是 20KHz 正弦波。 图 38 电感传感器谐振电路部分 图 39 电感传感器倍压检波电路部分 为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到 15V 左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有 100倍左右的电压增益（ 40db）。 最简单的设计可以只是用一阶共射三极管放大电路就可以满足要求。 当然，也可以选用运算放大器进行电压放大。 但是需要选择单电源、低噪音、动态范围达、高速运放不太容易，所示不太推荐使用运算放大器进行信号放大。 关于幅度测量，测量放大后的感应电动势的幅值 E 使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，然后再通过单片机的 AD 采集获得正比于感应电压幅值的数值。 如图。 “二值法”处理 单片机的 AD 采集获得正比于感应电压幅值的数值后，我们对电压模拟信号再经行软件“二值法”处理得到数字信号，方便信号的处理、存储。 电感传感器分布 传感器选用 7个水平一字疏密不等的排列（中间密两边疏）。 水平一字排布方式在 16 采集赛道信息，是最常用的一种排布方式其排布方式简单容易实现且程序上容 易处理，在转弯时能够很好的检测出赛道弧度信息，且不易受十字路口 的干扰。 电磁传感器检测原理 电磁传感器检测路面信息的原理是由电感和电容并联产生相应的特定频率谐振，其频率的设定为跑到信息频率的附近，再由谐振感应跑到上由变化的电流产生的变化的磁场，从而产生相应的交流电压，再将相应的交流的电压进行放大、整流和滤波从而变化成相应的电压 [9]，如图 310。 而起跑线的检测采用钢簧管检测，如图 311 所示。 考虑到舵机响应速度较慢 ( )，难以满足高速行驶中的转弯要求，小车容易冲出跑道。 为了使小车在 偏离赛道后还能重新调节角度回到赛道，特意在小车前轮的左右两边各安装一个光电传感器，并设定其路径识别优先级最高以保证在小车前轮冲出赛道时能感知到黑线，即时做出相应反应。 图 310 道路示意图 测速电路 受小车机械结构限制，必须采用体积小，重量轻的传感器。 我们采用 500P 的测速电机，采用的测速电机的好处有以下几点 ： ，它是集成的，可以直接买到，不必花费太多的时间； ，它是 500P 的，即：转轴转动一周，会产生 500 脉冲，其精度很高；。 由于考虑到成本需要，我们采用了红外对 管和自制光栅作为测速模块的硬件构成。 其中码盘为 45 齿的黑色圆盘，如下图 312 所示： 红外传对管安装在正对码盘的前方，虽然这样做精度比编码器要低很多，但是成本低廉制作容易，如果智能车速度较快，可以考虑再减少码盘上黑白色条的数量即可。 17 图 311 起跑线示意图 图 312 光栅 当圆盘随着齿轮转动时，光电管接收到的反射光强弱交替变化，由此可以得到一系列高低电脉冲。 通过集成运放芯片设置电压比较，放大形成方波。 同时捕捉光电管输出的电脉冲的跳变沿。 通过累计一定时间内的脉冲数，可以得到和速度等 价的参数值。 测速电路使用自行研制的红外对射式光电测速传感器。 速度测量电路使用红外对管，自行制作的编码盘，比较电路等组成。 速度测量电路图 313 所示。 红外对射式光电对管的光敏三极管信号通过比较器处理后输入单片机的定时器端口，利用单片机的脉冲计数功能，处理智能车速度信息。 自制的编码盘有 45 齿，电机旋转一周将产生 45 次输入捕捉中断。 单片机记录两次中断的时间间隔 T。 两次中断对应于智能车前进的距离 S 为：,即 ， 其中 为智能车后轮实测周长。 智能车实时速度V(cm/s)的计算公式如下：  scmTTTSV  （ 33） 舵机控制模块 舵机作为一种位置伺服驱动器件，通过改变输入信号 PWM 波的占空比调整输出角 18 度，实现伺服功能。 作为控制赛车循迹行走的关键，要求舵机驱动的转向机构具有精确的角度控制和快速响应能力。 我们采用以下三点实现舵机的要求：直接用 2020mAh Nicd 电池供电，提高舵机的响应速度；采用两位 PWM 连续使用，提高输出角度的分辨率； 输出 100HZ 的调制方波，减小控制信号的延时。 图 313 转速采集电路 19 第四章 软件设计 软件处理流程 图 41 软件设计总流程图 模型车在直道上的速度相差不是很大，在弯道上的比拼才是重点，因此如何优化弯道的算法才是整个控制算法的关键。 速度控制算法与弯道控制策略 模型车平稳地行驶是本次比赛的基本要求，但这并不意味着这是最简单的要求，因为速度控制的好坏直接影响整车的许多方面，比如直道的速度提升，转弯速度 (甚至影响了模型车的打滑程度 )，导致弯道速度总是 无法提升，特别容易打滑，根本原因就是速度控制算法处理不当造成的。 首先使用的是速度算法是位置式的 PID 算法 [10]， PID 控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。 问世至今 70 多年来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 PID 调节是 Proportional(比例 )， Integral(积分 )， Differential(微分 )三者的缩写，系统初始 化 读取道路信息 处理道路信息并得到相关信息 根据参数选择算法 执行电机与舵机 20 是一种过程控制算法 ,就是对误差信号 (采样信号与给定信号的差 )通过比例 ,积分 ,微分的运算后的结果作为输出控制信号 ,来控制所要控 制的对象。 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节作用用以减少偏差。 比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高误差度。 当有 误差时，积分调节就进行，直至无误差，积分调节停止，积分调节输出 常。