基于電感傳感器的自動循跡小車系統(tǒng)設(shè)計

蔡力堅，郭業(yè)才,2

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，南京 210000; 2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

基于電感傳感器的自動循跡小車系統(tǒng)設(shè)計

蔡力堅1，郭業(yè)才1,2

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，南京 210000; 2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

設(shè)計了一種基于電感傳感器的自動循跡小車系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MSP430F169為主控芯片，由電感傳感器進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)小車自動循跡功能。系統(tǒng)由光耦隔離電動機驅(qū)動模塊、減速電動機模塊、蜂鳴器聲音提示模塊、液晶顯示模塊、編碼器測速模塊、藍牙模塊、電池模塊組成；采用四輪驅(qū)動方式，由單片機輸出可變脈沖信號驅(qū)動減速直流電動機，控制小車轉(zhuǎn)向和速度；單片機通過不斷掃描傳感器4個通道輸出的數(shù)據(jù)，控制小車完成循跡動作。當檢測到障礙物時，單片機控制蜂鳴器模塊發(fā)出聲音提示；由單片機定時器模塊實現(xiàn)精確計時，并由編碼器測速裝置測出小車運行的實時速度，將小車的實時運行時間和行駛距離顯示在液晶屏幕上，系統(tǒng)設(shè)計精度高、功耗低。

智能小車； 電感檢測； 可變脈沖信號

0 引 言

近年來，智能車輛己成為車輛工程領(lǐng)域研究的熱點和汽車工業(yè)增長的新動力，很多發(fā)達 國家都將其納入到各自重點發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當中。目前國內(nèi)比較常用的循跡導航技術(shù)有光電導航、攝像頭導航等，但這些方式的局限性在于會受到白天、黑夜以及天氣狀況等因素的影響，對外部環(huán)境依賴性較大[1]。并且在數(shù)據(jù)處理和算法優(yōu)化上，這些方式都存在缺陷，不能夠在一定的成本基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高精度的要求。

本文設(shè)計了一款基于電磁感應原理的新型智能循跡小車系統(tǒng)。在電磁屏蔽系統(tǒng)的保護下，電感傳感器不會受天氣以及一些復雜環(huán)境影響，所以電磁導航對外界因素的抗干擾能力要遠遠優(yōu)于基于光線或影像的導航方式。 此外，在電感傳感器基礎(chǔ)上，提出了一種新型的線圈放置方法及基于此的算法處理。通過調(diào)整線圈的擺放位置，在線圈與賽道發(fā)生互感效應后，將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機采用特定算法處理，從而判斷出小車的位置，繼而控制電動機運轉(zhuǎn)來進行下一步的運動，最終實現(xiàn)小車的循跡。

1 設(shè)計目標和方案選擇

1.1設(shè)計目標

該設(shè)計能夠基于電感傳感器，實現(xiàn)高精度的自動循跡功能。本系統(tǒng)采用一種新型的算法，對于6個線圈反饋的數(shù)據(jù)作不同的處理，實現(xiàn)對于小車的精準定位與自動控制。并且該小車能夠?qū)τ谡系K物作判斷并實現(xiàn)聲音提示功能，還可以在液晶顯示屏上顯示實時速度與行駛距離。

1.2總方案選擇

自動循跡小車總方案如圖1所示。

圖1 自動循跡小車總方案

該設(shè)計采用電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為探測器，通過傳感器探測鐵制循跡線采集數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機判斷處理后輸出可變周期性脈沖信號，驅(qū)動減速直流電動機控制小車轉(zhuǎn)向和速度[2]。當傳感器檢測到障礙物時，由單片機發(fā)出控制信號驅(qū)動蜂鳴器模塊發(fā)聲提示，在小車運行全程通過定時器實現(xiàn)精確計時，從而實時顯示小車運行時間；單片機通過讀取單位時間內(nèi)編碼器輸出的脈沖信號個數(shù)[3-4]，來測量車輪轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)實時顯示行駛距離。

1.3器件選擇

1.3.1單片機

主控器采用MSP430F169單片機，該單片機是一個16位單片機，采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡潔的內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令[5]。具有以下特點：①低電壓、超低功耗，工作電壓3.6～1.8 V，正常工作模式280 μA@1MHz，2.2 V，待機1.6 μA，RAM數(shù)據(jù)保存的掉電模式下0.1 μA。5級節(jié)電模式。②快速蘇醒，從待機模式下恢復工作，只需要不到6 μs。③16位精簡指令集MCU，命令周期125 ns。④12位ADC，具有內(nèi)部參考電壓源，并且具有采樣、保持、自動掃描等功能；具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以得到很高的精度，并且省去了使用專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給設(shè)計電路板帶來的麻煩。⑤2個16位計數(shù)器，具有捕獲、門限功能。⑥具有片內(nèi)比較器。⑦支持ISP(在線系統(tǒng)編程)，方便開發(fā)和項目升級。⑧支持序列號，熔絲位燒寫，方便簡單。⑨雙串口。⑩支持超小型封裝，64P-QFP、64P-QFN。這些特點保證了其可編制出高效率的源程序。它具有處理能力強；運算速度快，功耗低，片內(nèi)資源豐富，捕獲/比較功能強，中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便等優(yōu)點。

1.3.2電感傳感器

電感傳感器采用LDC1314芯片，該芯片是一種非接觸式、短程傳感技術(shù)的電感數(shù)字器芯片。通過I2C總線控制，提供了多種運行模式。能夠在灰塵、污垢、油和潮濕環(huán)境中實現(xiàn)導體目標的低成本、高分辨率感測，這使得它在惡劣環(huán)境中非常可靠。并且其具有四通道采樣，能夠更方便實現(xiàn)對精度的要求。本系統(tǒng)中用該芯片實現(xiàn)數(shù)的采集。

1.3.3電動機驅(qū)動模塊及測速模塊

電動機驅(qū)動模塊采用ADMH2403ND實現(xiàn)雙路隔離，在實現(xiàn)L298N電動機驅(qū)動模塊基礎(chǔ)上通過加入光耦隔離和過流保護模塊，不僅可以減少發(fā)熱，而且可以使其輸出電流增加到6 A，使之滿足驅(qū)動減速電動機的要求，提高了整體系統(tǒng)的可靠性。

測速模塊則通過在車輪上加裝編碼器，用單片機檢測編碼器單位時間內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)來計算車輪的轉(zhuǎn)速，從而推算出小車的運行速度[6-7]。

2 硬件電路設(shè)計

2.1顯示電路設(shè)計

LCD12864一共有20個引腳，實際只用了18個。1引腳和20引腳直接接地，2引腳是LCD電源輸入端，19引腳LCD背光正輸入端，都接電源正極，4引腳和5引腳是LCD指令或數(shù)據(jù)的讀或?qū)懙目刂颇_，在系統(tǒng)中接到單片機引腳單獨控制，6引腳作為使能信號，控制LCD執(zhí)行指令或讀寫數(shù)據(jù)，7～14引腳是LCD的數(shù)據(jù)口，15引腳是LCD數(shù)據(jù)的串行/并行工作方式的選擇，顯示電路，如圖2所示。本系統(tǒng)中4、5腳分別接單片機的P4.0和P4.1口，6腳接P4.3口，7～14腳則接單片機的P5.0～P5.7口。

圖2 LCD顯示電路

2.2蜂鳴器電路設(shè)計

蜂鳴器模塊用于檢測到障礙物(硬幣)時發(fā)出提示聲音。該電路是由PNP三極管驅(qū)動蜂鳴器來實現(xiàn)的，由單片機I/O口來控制三極管的基極，單片機I/O口輸出低電平時，三極管導通，然后蜂鳴器正極與電源接通，蜂鳴器發(fā)出聲音提示，單片機I/O口輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器停止工作。本系統(tǒng)中該腳接單片機的P4.3口。蜂鳴器電路，如圖3所示。

圖3 蜂鳴器電路

2.3編碼器測速電路設(shè)計

編碼器測速電路是用來測量小車單位時間內(nèi)的車輪轉(zhuǎn)速從而獲得小車行距離的器件。內(nèi)部采用霍爾傳感器感應電動機轉(zhuǎn)動，然后通過比較器輸出脈沖信號。本系統(tǒng)中反饋腳接單片機的P1.0和P1.1口。編碼器測速電路[8]，如圖4所示。

圖4 編碼器測速電路

2.4電源模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用的電源模塊利用7805芯片將12 V航模電池電壓穩(wěn)壓為5 V電壓輸出給單片機供電。電源模塊電路，如圖5所示。

圖5 電源模塊原理圖

2.5LDC1314探測器模塊電路設(shè)計

為了能夠正確驅(qū)動LDC1314電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，本文通過外加20 MHz晶振，數(shù)據(jù)口SDA和時鐘口SCL加上拉電阻并輔以相關(guān)濾波調(diào)理電路，實現(xiàn)LDC1314的正確轉(zhuǎn)接驅(qū)動[9]。探測模塊電路，如圖6所示。

圖6 LDC1314探測器模塊電路設(shè)計

INT0、INT1和INT2腳分別對應線圈1、2和3，INT3腳對應線圈4、5、6.單片機通過IIC通信協(xié)議對線圈數(shù)據(jù)進行讀值處理。

3 軟件設(shè)計

3.1電感傳感器理論分析與計算

要使LDC1314電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器正常工作，需要根據(jù)實際應用配置相關(guān)寄存器，其中涉及有關(guān)計算如下：

LDC1314電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器的器件頻率公式

fsensor=1/(2π·sqrt(LC))

(1)

通道參考頻率計算公式

fref=4fsensor

(2)

品質(zhì)因數(shù)計算公式

Q=RP·sqrt(C/L)

(3)

頻率偏移

fOFFSET=CHXFFSET(fREF0/26)

(4)

在寄存器配置過程中還涉及一些注意事項[10]：①傳感器驅(qū)動電流設(shè)置,使用需要同時注意CONFIG寄存器相關(guān)配置；②使用CH0_IDRIVE[15:11]時,Rp Override須打開；③使用CH0_INIT_IDRIVE[10:6]時,保證AUTO_AMP_DIS位不置位。

3.2LDC1314子程序設(shè)計

LDC1314四個通道全部使用，采用I2C通信協(xié)議。前瞻3個線圈占3個通道，車頭3個線圈串聯(lián)占1個通道。若電感傳感器反饋回單片機的數(shù)值大于5時，則判斷其檢測到障礙物；若反饋值正常穩(wěn)定在5以下時，則判斷其在軌道上，從而進行循跡步驟。在小車循跡過程中，傳感器4個通道同時采樣并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機處理，繼而進行電動機的控制[11-12]。子程序流程圖如圖7所示。

圖7 LDC1314子程序流程圖

3.3定時器中斷子程序模塊

本文通過MSP430f169的定時器B來捕獲編碼器單位時間內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)，從而計算出車輪的轉(zhuǎn)速。定時器B流程圖，如圖8所示。

3.4小車循跡算法設(shè)計

為了使小車在循跡過程中保持一定的速度，本文采用了安置前瞻的方案[13-14]。在前瞻中，放置3個線圈并呈“品”字形擺放，如圖9所示。在檢測障礙物(硬幣)時，本文采用在車頭再放置3個線圈的方法，如圖10所示。這種方法能夠充分覆蓋賽道，繼而精確的找到障礙物并報警。

圖8 定時器中斷子程序流程圖

圖9 前瞻中線圈擺放方式圖

圖10 車頭線圈擺放方式圖

為了實現(xiàn)小車的的直行和左右轉(zhuǎn)彎，本文設(shè)計了如下算法：由于當線圈和賽道發(fā)生互感效應，及線圈在賽道上時，傳感器返回的數(shù)值為負。為了下文論述方便，特將傳感器返回數(shù)值為負時，記為某個線圈在軌道上。

(1) 直行。當1號線圈在軌道上，2和3號線圈均不在軌道上時，判斷此時小車的位置在直道上，此時小車應采取直行的動作。直行時，單片機控制電動機保證四輪速度保持一樣。如圖11(a)所示。

圖11 各行車狀態(tài)中線圈與軌道的位置圖

(2) 左轉(zhuǎn)彎。當1號和3號線圈在軌道外，并且2號在軌道上，判斷此時小車的位置在左彎的入彎口，此時小車應采取左轉(zhuǎn)彎的動作。左轉(zhuǎn)彎時，單片機控制左前與左后輪靜止不動，右前和右后輪保持原速(由于賽道彎道半徑與小車車身相差不大，故該設(shè)計經(jīng)測試無誤)，如圖11(b)所示。

(3) 右轉(zhuǎn)彎。當1號和2號線圈在軌道外，并且3號在軌道上，判斷此時小車的位置在右彎的入彎口，此時小車應采取右轉(zhuǎn)彎的動作。右轉(zhuǎn)彎時，單片機控制右前與右后輪靜止不動，左前和左后輪保持原速(由于賽道彎道半徑與小車車身相差不大，故該設(shè)計經(jīng)測試無誤)[15]，如圖11(c)所示。

該算法具有如下優(yōu)點:①在過彎時，由于1號線圈始終在彎道外，小車能夠以簡單的處理，迅速做出判斷執(zhí)行動作，過彎(尤其是U彎賽道)相比其他車型要更為流暢。②在直道時，由于前瞻的作用，一旦出彎后2或3號線圈將離開軌道，1號進道，立馬采取直行動作，保證速度及流暢性，防止了由于出彎使傳感器數(shù)值突然變化而導致的小車擺頭隱患。

4 結(jié) 語

該小車基于電感傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)循跡、檢測障礙、測速、顯示行駛距離等功能，在實際測試中，數(shù)據(jù)基本沒有誤差。后期還可改進硬件結(jié)構(gòu)，對于線圈的數(shù)量和擺放還可作進一步調(diào)整，從而實現(xiàn)更高精度和處理速度的要求，繼而提高小車應變能力，實現(xiàn)更快的循跡行駛速度。

[1] 林 康,肖 建,成謝鋒.基于特征提取的分離循跡智能車系統(tǒng)[J].微型機與應用，2013,32(10);84-86.

[2] Misron N, Ying L Q, Firdaus R N,etal.Effect of inductive coil shape on sensing performance of linear displacement sensor using thin inductive coil and pattern guide[J].Sensors, 2011, 11(11): 10522-10533.

[3] Liu C, Dong Y.Resonant enhancement of a passive coil-capacitance loop in eddy current sensing path[J].Measurement, 2012, 45(3): 622-626.

[4] Danisi A, Masi A, Losito R,etal.Electromagnetic analysis and validation of an ironless inductive position sensor[J].Ieee Transactions on Instrumentation and Measurement, 2013, 62(5): 1267-1275.

[5] 揚艷琴，沈建華，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2007:32-37.

[6] Onieva E, Naranjo J E, Milanes V,etal.Automatic lateral control for unmanned vehicles via genetic algorithms[J].Applied Soft Computing, 2011, 11(1): 1303-1309.

[7] Stephan K D，Michael K，Michael M G，etal．Social implications of technology: The past，the present，and the future[C]//Proceedings of the IEEE，2012，100(Special Centennial Issue): 1752-1781．

[8] 胡壽松.自動控制原理[M].6版.北京:科學出版社,2013:46-49.

[9] 黃玉水,黃 輝,周美娟,等.電磁導航式智能車的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化儀表，2014(5):101-109.

[10] 于 寒,沈世斌.磁導航智能車定位計算方法研究[J].渤海大學學報(自然科學版)，2014(1):45-52.

[11] 趙凱瑞，陶 模，王明亮．電磁引導智能汽車設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究 [J]．西北工業(yè)大學學報，2013，31(3)： 487-490.

[12] 楊素梅,潘宏俠,盧士彬,等.智能尋跡小車控制系統(tǒng)設(shè)計及其速度控制[J].車輛與動力技術(shù)，2013(4):124-135.

[13] 張桐銘,劉延飛,趙鵬濤,等.基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡的智能車追逐控制系統(tǒng)研究[J].科技與創(chuàng)新，2016(15):118-123.

[14] 張 茜，楊旭海，薛令陽．基于電磁傳感器的智能車控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子元器件應用，2012，14(12): 12-16．

[15] 唐亞偉，秦玉平．基于數(shù)據(jù)挖掘的分類算法綜述[J]．渤海大學學報(自然科學版)，2011，32(4): 372-375．

IntelligentTrackingCarBasedonInductanceSensors

CAILijian1,GUOYecai1,2

(1.School of Electronic Engineering, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing 210000, China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET)，Nanjing 210044，China)

A system of intelligent car is controlled by MSP430F169 microcontroller to realize the car automatic tracking function, inductive sensors are used for data acquisition.The car is made up of coupling isolation motor drive module, geared motor modules, buzzer sound module, LCD module, encoder module, Bluetooth module, battery module.It is a four-wheel driven vehicle, driven by microcontroller which outputs variable pulse signal, and can change steering and speed by DC motor.Microcontroller can continually scan four-channel data outputted by LDC1314 and control the car to complete tracing action.If an obstacle is detected, buzzer module yields voice prompt.It uses timer module for precise timing, uses encoder speed detector to detect the car speed, the elapsed time of the car and driving distances can be displayed on the LCD screen.This paper seeks to complete the system design in high precision and low power consumption.

intelligent car; inductance detection; variable pulse signals

TP 273+.1

A

1006-7167(2017)10-0075-05

2017-02-23

國家自然科學基金項目(61673222)；江蘇高校自然科學基金重大項目(13KJA510001)；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)項目(ppzy2015B134)

蔡力堅(1996-)，男，江蘇丹陽人，本科生，主要研究方向為傳感器檢測與處理技術(shù)。Tel.:18362086912；E-mail: lmgsl@outlook.com

郭業(yè)才(1962-)，男，安徽安慶人，博士，教授，博士生導師，副院長，研究方向為水聲信號處理，通信信號處理，自適應盲均衡技術(shù)。Tel.:15195831978; E-mail:guo-yecai@163.com