磁導航智能車系統的設計與實現

王元哲 扈宏杰

(北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

0 引言

磁導航技術是智能交通領域中一項非常有前景的技術。該技術具有良好的可靠性和魯棒性，且不易受外界環境的干擾［1］。目前，我國磁導航技術的研究成果主要以永磁體作為參照物。以國家智能交通系統工程技術研究中心(ITSC)的研究成果為例，以車道中心線上布設的離散磁道釘為參考標記，通過車載傳感器探測磁道釘信號來判斷車輛的位置［2］。

鑒于磁導航技術的實用價值，飛思卡爾杯全國大學生智能汽車競賽于2010年新增電磁組比賽項目，其磁場環境埋設在跑道中，通有20 kHz、100 mA交變電流產生的交變磁場。利用交變磁場進行磁導航的技術在國內應用的實例較少，其中清華大學根據競賽規則設計了一種電磁組賽車。該賽車使用兩個傳感器采集車輛兩邊的磁場信號來控制車輛的走向，可以得到大致的尋線效果［3］。

本文研究的重點是設計一套合理可靠的路徑信息采集方案，從而實現采集交變磁場的信號的準確采集;同時選用一種有效的路徑信息采集算法，從傳感器信號中估算出車輛與磁場的相對位置;然后通過合適的方向和速度控制算法對車輛進行控制，以達到高速尋線行駛的效果。

1 系統的總體設計

磁導航智能車通過感應外界磁場環境的變化來獲取路徑信息，從而通過舵機和電機對車輛進行方向和速度的控制，達到自主尋跡的目的。根據系統所需實現的功能，可將其分為核心控制模塊、路徑信息采集模塊、電機驅動模塊、監控調試模塊和電源模塊五個部分。系統功能模塊原理框圖如圖1所示。

圖1 系統功能模塊原理圖Fig.1 Principle of the functional module in the system

圖1中，路徑信息采集模塊對路徑信息和車輛姿態進行檢測并轉換成電信號傳送給控制器;核心控制模塊綜合外部環境信息，通過有效的路徑信息采集算法提取出準確的路徑信息，同時利用一定的控制算法對方向和速度進行控制;電機驅動模塊對控制信號進行功率放大，以達到驅動電機運行的目的;監控調試模塊利用無線通信工具，對系統進行在線調試和參數分析，以提高調試效率;電源模塊為上述各個功能模塊供電。

2 系統硬件設計

系統以Freescale公司的16位單片機MC9S12XS128作為核心控制單元，它與路徑信息采集模塊、電機驅動模塊、監控調試模塊和電源模塊一起共同構成了系統的硬件部分。

2.1 核心控制模塊

核心控制模塊是以單片機MC9S12XS128為主控芯片的最小系統，它利用該芯片內部集成的PLL、ATD、PWM、SPI和脈沖累加等模塊，完成整個系統的路徑信息采集、電機控制和無線通信等任務。

本設計的最小系統采用16 MHz無源晶振，總線時鐘倍頻至80 MHz。

2.2 路徑信息采集模塊

路徑信息采集模塊對車輛與軌道的相對位置和車輛行駛狀態進行檢測，主要包括磁場信號檢測、車輛姿態檢測和車速檢測三個部分。各部分介紹如下。

①磁場信號檢測可分為交變磁場檢測和恒定磁場檢測，前者用來檢測軌道，后者用來檢測起始線。交變磁場檢測是檢測軌道中交變電流產生的交變磁場，可分為選頻、放大和檢波三個部分。選頻部分采用LC振蕩電路，用來提取給定頻率的磁場信號;放大部分采用儀表用差動放大電路，差動放大電路的設計原理如圖2所示。

圖2 差動放大電路原理圖Fig.2 Principle of the differential amplifier applied

差動放大電路電壓輸入輸出關系式如下:

式中:Vout為輸出電壓，V;Vin+和Vin－均為輸入電壓;K為放大倍數，是無量綱常量，大小為，其中，Rg為可調電阻值，單位為kΩ，通過調節Rg便可以調節電壓的放大倍數。

差動放電路具有低失調電壓、低漂移、低輸入偏置電流、高共模抑制比等優點［4］。檢波部分選用倍壓整流檢波電路，將前端電路輸出的正弦信號轉換為與其峰峰值成正比的直流電平信號。起始線處放置磁鋼作為標記，這樣恒定磁場的檢測便是對永磁體的檢測。對于一定強度恒定磁場的檢測，可以通過檢測干簧管的開關狀態或檢測霍爾元件輸出電平的跳變來實現。本文采用霍爾元件的檢測方案。

②車輛姿態檢測用來判斷車輛相對于地面的傾斜程度。本文選用Freescale公司的低重力三軸加速度傳感器MMA7361L對車輛的傾斜程度進行測量，車輛在不同方向上的傾斜程度影響加速度傳感器在不同軸向上的輸出電平，從而用于車輛在坡道行駛的判斷。

③車速檢測是速度閉環的重要環節，本文選用增量式光電編碼器。該編碼器直接輸出TTL電平，電路簡單;編碼器每轉輸出200個脈沖，測量精確。

2.3 電機驅動模塊

本文使用RS380-ST型號的直流電機。該電機在無負載情況下驅動電流為0.49 A，最大功率運行時驅動電流為8.61 A。電機驅動可采用集成的電機驅動橋，也可采用分立元件搭建的H橋式驅動電路。本文利用分立元件搭建驅動電路，其中 MOSFET選用IRF3205，驅動芯片選用IR2104，電機驅動模塊原理如圖3所示。

圖3 電機驅動模塊原理圖Fig.3 Principle of the drive module of motor

圖3中，當MOS管Q1導通、Q2關斷時，電機處于加速狀態;當MOS管Q1關斷、Q2導通時，電機處于制動狀態。

IRF3205導通內阻較小，當電機處于能耗制動狀態時，會產生較大的感應電流，制動效果較好。IR2104作為半橋驅動芯片，輸入信號兼容5 V電平，電路設計簡單。

2.4 監控調試模塊

監控調試模塊的主要功能是通過上位機對車輛運行狀態和路徑信息進行在線監控，并對各項控制參數進行在線分析調試，形成良好的人機界面，從而提高調試效率，改善調試效果。本文采用基于NRF24L01的無線通信模塊，實現上位機與下位機之間的通信;同時選用NI公司推出的虛擬儀器開發軟件LabVIEW和NI-VISA，實現人機界面。

監控調試模塊主要由無線收發和協議轉換兩部分組成。下位機和上位機端各設置有一個無線終端，用來接收和發送SPI格式的數據流。上位機端采用SPIUSB協議，用來控制無線終端接收和發送SPI數據流，并且維持與上位機間的USB通信。協議轉換芯片采用Freescale公司的八位微處理器MC9S08JM60。該芯片支持USB通信功能。

監控調試模塊工作原理如圖4所示。

圖4 監控調試模塊工作原理圖Fig.4 Principle of the monitoring and debugging module

2.5 電源模塊

電源模塊負責為系統各模塊供電，而各模塊所需的供電電壓大小各不相同，因此需提供不同電平標準的電壓。各模塊所需供電電壓如表1所示。

表1 各模塊所需供電電壓Tab.1 Voltages required by each module

根據各模塊的不同電壓需求，應設計不同的供電電路。

① +5 V供電采用分路供電的方式。由于單片機功耗較小而運放功耗較大，所以分別采用低壓差穩壓器件LM1117和LM2940為單片機和運放供電。單片機和運放兩者之間采用磁珠隔離，防止運放對單片機的穩定工作產生影響。

② －5 V供電采用開關穩壓器件LM2596，其電壓轉換效率高，可提供的最大負載電流達3 A，適用于為多運放供電這種功耗較大的場合。

③ 無線模塊和加速度傳感器功耗較小，因此，+3.3 V供電采用線性穩壓器件LM1117。

④MOSFET驅動方式為電壓驅動，功耗不大，可采用升壓芯片MC34063。

3 系統軟件設計

磁導航智能車的控制策略是根據路徑信息采集模塊獲得軌道和車速信息，通過一定的算法分析來精確控制車輛的方向和速度，達到穩定高速尋線行駛的效果。從控制的角度來講，軟件設計主要圍繞方向和速度兩個閉環控制展開。本文中控制周期設置為5 ms，采用定時中斷的方式實現。系統主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

3.1 方向閉環控制

方向閉環控制不是對舵機的閉環控制，其控制對象是車輛與軌道組成的位置隨動系統。舵機僅作為執行機構，位置反饋是車輛與軌道的相對位置，位置給定表現為車輛與軌道相對位置偏差為零。方向閉環控制的效果主要取決于位置反饋和調節算法這兩個方面。

本文采用七個水平并排放置的傳感器，它們距離地面高度約5 cm，磁場傳感器分布如圖6所示。

圖6 磁場傳感器分布示意圖Fig.6 Distribution of the magnetic sensor

傳感器線圈中，感應電動勢E的表達式為:

式中:x∈(－15，15)，為傳感器與導線在水平方向上的距離，cm;h為傳感器高度，大小為5 cm;r為傳感器與導線距離，cm。

3.1.1 位置反饋

位置反饋用來確保微控制器所得位置信息的準確性，主要從不同傳感器在同一位置輸出信號的數值差異和同一傳感器在不同位置輸出信號的分布規律兩方面來解決。本文采用歸一化算法和曲線擬合算法分別解決上述問題。

歸一化算法將所有傳感器的輸出信號轉換為無量綱的量，從而屏蔽各傳感器在物理和硬件特性上的差異。具體算法流程是將在一定磁場環境下各傳感器輸出信號的最大值作為基準量，在車輛運行過程中，傳感器采集到的數據分別除以該基準量后所得的值，即為歸一化后的數值，用作軌道類型的判斷。

曲線擬合算法的目的是提取出軌道中心位置，即極值點橫坐標。因此，只要擬合出一條曲線，使該極值點橫坐標盡可能逼近導線所處位置橫坐標即可。本文采用最小二乘法對采樣點數據進行二次曲線擬合，得到方程如式(3)所示:

采用基于最小二乘法的曲線擬合算法具有以下幾個方面的優點。

①滿足系統控制實時性的需要。由于參與曲線擬合的點數較少，因此進行計算量較小，且曲線擬合的公式可以事先求得，這就大大減少了計算量。

②對軌道位置判斷較為準確。擬合后的曲線極值點近似逼近實際磁場極值點，可以準確提取出軌道位置。

3.1.2 調節算法

在車輛行駛過程中，方向給定隨軌道而發生頻繁變化。因此，系統選用微分先行的PID控制算法，將微分運算提前進行。只對輸出量進行微分，可以避免給定值變化時所引起的超調量過大和輸出動作過分劇烈振蕩的現象，從而改善系統控制品質［5］。

較一般PID控制而言，只對輸出量進行微分，可使車輛轉向靈活、振蕩減小。微分先行的PID算法原理如圖7 所示［6］。

圖7 微分先行的PID算法原理圖Fig.7 Principle of the differential forerunning PID algorithm

圖7中:KP為比例控制系數;TI為積分時間常數，s;TD為微分時間常數，s。

對于微分環節，根據其傳遞函數，可得離散系統的控制算式為:

式中:T為采樣時間常數，s;TD為微分時間常數，s;γ為常數且γ＜1;k為整數，是差分方程的自變量。

在算法實現中，位置給定R(s)為零;位置輸出Y(s)為車輛與賽道相對位置;調節器輸出U(s)用來控制舵機動作。

3.2 速度閉環控制

速度閉環控制采用增量式PID控制算法［7］，控制算式為:

算法實現如式(6)所示。

式中:Vgiven為速度給定，cm/s;Vtest為當前速度反饋，cm/s;pwm_control為電機驅動模塊的控制信號;last_pwm_control為前一控制周期的控制信號。

4 結束語

本文介紹了磁導航智能車系統的設計方案。在硬件方面，從系統功能模塊的角度出發，闡述了各模塊的設計方案，重點介紹了路徑信息采集模塊的電路設計原理;在軟件方面，從控制的角度出發，著重介紹了位置信息提取的歸一化算法和曲線擬合算法，以及方向閉環控制中微分先行的PID控制算法;通過監控調試模塊可以準確及時地監控車輛行駛狀態。實際測試結果表明，采用磁導航智能車系統的車輛可精確提取出軌道的磁場信號，對自身位置判斷準確，特別是在高速駛入連續彎道的情況下具有良好的尋線跟蹤能力。

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