基于電感感測的自動循跡小車的設計?

馬貝 田瑞明 周野 王蕓

（西安工業大學電子信息工程學院西安710021）

基于電感感測的自動循跡小車的設計?

馬貝 田瑞明 周野 王蕓

（西安工業大學電子信息工程學院西安710021）

介紹了采用電感感測路徑的自動循跡小車控制系統。自動尋跡小車控制系統以STC12C5A60S2為核心控制單元，采用LDC1000電感數字轉換器完成道路檢測，采用兩個步進電機完成小車驅動。道路檢測算法，采用基于滑窗濾波算法的扇形掃描法判斷小車的偏移方向。搭建實驗平臺，小車能夠完成自動偱跡功能，達到第五屆TI杯電子設計大賽要求，該系統設計可為相關的貨運機器人等提供了參考。

STC12C5A60S2；AY-LDC1000；步進電機；循跡

Class NumberTP249

1 引言

自循跡小車控制系統，也是最簡單的車式自動化控制設備，適合在一些特殊環境中工作。因其成本低廉，目前已在工業生產中逐步取代人的勞動，促進生產力的發展。例如在高溫高壓環境、有毒有害氣體環境以及航空航天活動都有機器人的應用，所有這些應用正逐步滲入到工業生產和我們日常生活的各個層面。智能小車是一個集環境感知、規劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通訊及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體［1～2］。此設計采用電感式數字金屬探測傳感器，作為貨運機器人前進路徑檢測裝置，可以實現偱跡小車在無外界因素的參與下的自主前進，自主判斷到達預定的站點進行靠站停車。

2 機械結構

車體采用兩前輪驅動，三輪方式循跡。車架為高強度鋁合金，保證了車體結構的穩定性；前輪采用兩個42步進電機做驅動輪，其轉動力矩大、體積小、質量輕，具有良好的控制性能；后輪采用萬向輪，起支撐與輔助轉彎作用。這種機械結構可以讓偱跡小車轉向更靈活。傳感器線圈安裝于車體正前方貼近地面0.5cm處，這樣設計保證了傳感器的靈敏度。機械結構如圖1所示。

圖1機械結構三視圖

3 系統設計

偱跡小車由單片機、電源模塊、檢測模塊、電機驅動模塊、聲光報警模塊，顯示模塊組成，其系統結構如圖2所示［3］。

圖2系統結構

3.1 控制模塊

經過多方比較，本偱跡小車最終選擇STC公司生產的STC12C5A60S2單片機作為核心控制芯片，其成本低廉，運行速度快，低功耗，抗干擾能力強，正好可以滿足設計要求。

3.2 電源模塊

電源模塊用于為系統中各個部分提供穩定可靠的電壓，是一個設計中關鍵的部分。各個模塊要想正常工作都需要提供合適的電源。本系統采用12V鋰電池作為電源。電機驅動模塊由鋰電池直接供電；控制模塊、LDC1000傳感器及報警模塊的電源由LM2576芯片降壓穩壓后提供，以滿足系統中不同的電壓要求。

3.3 檢測模塊

LDC1000是一款電感到數字轉換器，提供低功耗、小封裝、低成本的解決方案。LDC1000只需外接一個PCB線圈或自制線圈就可實現非接觸式電感檢測。LDC1000電感檢測并不是指像Q表那樣測試線圈的電感量，而是可以測試外部金屬物體和LDC1000相連的測試線圈的空間位置關系［4］。LDC1000利用電磁感應原理，當有金屬物體處于其PCB線圈下方時，傳感器內部會產生渦流，渦流的大小與金屬物品的大小、成分和金屬物品到線圈的距離有關。在實際應用中，可以根據傳感器的檢測值與設定值的大小關系，完成相關操作［5］。

根據以上特性，在設計本系統時利用LDC1000作為循跡檢測裝置，檢測地面鋪設的金屬導軌，引導偱跡小車運動。LDC1000與MCU的連接采用四線制SPI連接方式，通過SPI串行總線實現對LDC1000的控制，完成時序定義和數據讀?。?］。降低了系統的復雜度，為后續系統的升級提供了有利條件。如圖3所示。

圖3LDC1000與MCU連接圖

為了保證LDC1000穩定工作，必須為其提供可靠的頻率計數時鐘頻率，在設計本系統時采用8M有源晶振作為其時鐘源，采用非門提高時鐘模塊的驅動能力［7］。具體電路如圖4所示。

圖4有源晶振連接圖

3.4 電機驅動模塊

為達到系統控制要求，本系統采用基于PWM恒流控制微步距技術的專用驅動芯片TB6560AHQ作為步進電機的驅動芯片。其具有低能耗、高集成等優點，特別適合兩相混合式步進電機使用。配合簡單的外圍電路，可以實現整步、1/2細分、1/8細分、1/16細分方式；內置溫度保護，芯片溫度大于150℃時自動斷開所有輸出；具有過流保護；采用HZIP25封裝［8］，從而達到高性能控制要求。MCU與TB6560模塊連接圖如圖5。

3.5 報警模塊

發光器件選擇發光二極管，發聲器件選擇蜂鳴器，當傳感器檢測到導軌后，發光二極管點亮，偱跡小車正常行進；當傳感器檢測到特殊金屬物體時，偱跡小車到達目的地，停止前進并產生聲音提示。

3.6 顯示模塊

顯示模塊采用Nokia5110液晶屏，通過串行接口與主處理器進行通信。實時顯示運行過程中信號的強度信息和距離信息，能較大程度上幫助系統判斷運行故障。

圖5MCU與TB6560模塊連接圖

3.7 抗干擾設計

由于LDC1000在實際工作中很容易受到電磁干擾，從而導致檢測的數據失準，導致偱跡小車無法正常工作。故在設計硬件時，采用屏蔽線連接MCU與LDC1000，采用屏蔽罩對產生較大電磁干擾的步進電機進行屏蔽。使電磁干擾對系統的影響降到最低［9］。

4 軟件設計

系統啟動后，模塊進行初始化，探測模塊開始掃描檢測地面金屬導軌，在讀取LDC1000測量值時，首先喚醒LDC1000，讀取接近數據低8位值，再次喚醒LDC1000讀取接近數據高8位值，最后在喚醒LDC1000情況下，將接近數據低8位與接近數據高8位組成16位數據作為本次檢測值，結束后進行下次測量。LDC1000扇形檢測掃描流程圖如圖6所示［10］。CPU通過串口接收到LDC1000發送的數據后，在對檢測數據處理時，采用算術平均值滑動濾波算法，即在RAM緩沖區內建立一個數據緩沖區，依順序存放N個采樣數據，每采集一個新數據，就將之前采集數據丟掉，而后求包括新數據在內的N個數據的算術平均值。將此算術平均值作為檢測值與設計值進行比較［11］。排除偶然因素影響，極大提高了檢測數據的準確性。檢測值與設定值進行比較，將路徑信息進行處理，向電機驅動模塊發送PWM信號，進而控制智能體運動，從而實現相應功能。檢測值大于站點閾值時，偱跡小車暫停一段時間，開始執行下一次任務；當檢測值大于軌道閾值且小于站點閾值時，小車直行；當檢測值小于導軌閾值時，小車首先左轉，然后再次掃描，如果此次檢測值大于軌道閾值則繼續直行；如果此次檢測值小于軌道閾值時，偱跡小車右轉后開始新一輪的掃描。系統整體流程圖如圖7所示［10］。

圖6LDC1000檢測流程圖

圖7系統整體流程圖

5 系統測試

金屬物體探測信號采集模塊信號采集與處理：探測器需采用TI公司LDC1000電感/數字轉換器作為金屬物體探頭。探測器PCB線圈與地面保持平行，距離為5mm。分別對探測器置于金屬絲的內外不同位置進行測量，得到數據如表1。

表1 偏移量與傳感器測量值關系

根據表1中數據繪制出趨勢圖，如圖8所示。

圖8不同探測位置與電感值變化趨勢

根據數據分析可知：當傳感器正對金屬導軌時，此時測量值最大為19922，隨著傳感器偏移金屬導軌的距離增大，測量值在不斷的減小。當左右偏移距離小于0.6cm時，隨著偏移距離的變化，測量值變化明顯；當偏移距離大于0.6cm時，隨著偏移距離的測量值變化趨勢緩和。根據此測量結果，在設計系統時，以偏移導軌0.4cm時的測量值作為本系統的控制閾值，可以使偱跡小車精準地沿著導軌運行，且具有較高的運行速度。當傳感器檢測到的值大于28000時，可認為到達預定的站點，小車可以實現準確停靠。

圖8小車實物圖

小車的實物圖如圖7所示，按照第五屆TI杯電子設計大賽要求，小車可完成直線和彎道的尋跡功能，同時具備硬幣提示和自動停車功能，完成給定尋跡路線，時間可達到30s。最終通過比賽，獲取陜西賽區一等獎。

6 結語

自動尋跡小車采用TI公司的LDC1000電感數字轉換器作為道路檢測器件，STC12C54A60S2單片機控制單元，通過合理的系統構建和軟件編程，能夠完成設計要求，實現金屬探測、報警、小車自動循跡、停靠等功能，可為實現貨運機器人，智能小車運動等提供技術基礎支撐。

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Design of Freight Robot Based on LDC1000 Sensor

MA BeiTIAN RuimingZHOU YeWANG Yun
（College of Electronic Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an710021）

This paper introduces the design of automatic vehicle tracking control system based on LDC1000.Road detection module uses TI's LDC1000 digital inductance converter，tracking wire to be detected.Automatic tracking trolley driven by stepping motor，the controller uses STC12C5A60S2.In the detection process，the road information detected by LDC1000 using sector scan method to determine the travel direction of the trolley，and control the tracking trolley by two stepper motor in motion.By building the experimental platform，the trolley can better complete automatic followed trace function，and provide a reference for related freight robot.

STC12C5A60S2，AY-LDC1000，stepper motor，tracking

TP249

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.040

2017年1月9日，

2017年2月24日

國家自然科學基金面上項目（編號：61271362）資助。

馬貝，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：智能控制、計算機控制，光學工程。田瑞明，男，研究方向：自動化。周野，男，研究方向：自動化。王蕓，女，研究方向：自動化。