基于KEA128的電磁直立智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉身村，周慶，于振浩

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基于KEA128的電磁直立智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉身村，周慶，于振浩

（山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049）

設(shè)計(jì)了一種以S9KEAZ128AMLK微控制器為核心控制單元，集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、智能行駛于一體的直立智能車系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電源穩(wěn)壓電路、電機(jī)H橋驅(qū)動電路和電磁檢測電路來保障智能車的穩(wěn)定行駛。在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，使用卡爾曼濾波對陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得到精確的姿態(tài)傾角來進(jìn)行智能車的平衡控制和速度控制，同時(shí)電磁檢測電路采集道路信息實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。

S9KEAZ128AMLK；直立智能車；電磁檢測電路；卡爾曼濾波

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化和自動化技術(shù)越來越普及，智能化作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是未來的發(fā)展方向，而智能車作為一門新興的綜合技術(shù)，在汽車電子領(lǐng)域有著廣闊的前景，它是一種交叉和融合了多門學(xué)科的高新技術(shù)綜合體，知識涉及面廣。其設(shè)計(jì)具體涉及到了計(jì)算機(jī)，控制，機(jī)械及車輛工程等多個(gè)領(lǐng)域。

本文所述的智能車系統(tǒng)是采用恩智浦公司的32位微控制器S9KEAZ128AMLK作為核心控制芯片，通過電磁檢測電路采集道路信息；通過電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)兩輪差速以進(jìn)行轉(zhuǎn)向；借助于512線mini編碼器測速，通過PID控制算法對電機(jī)實(shí)行閉環(huán)控制，各個(gè)模塊經(jīng)單片機(jī)的規(guī)劃和決策后，使智能車以平穩(wěn)的速度行駛。

1 智能車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如圖1所示，整車的硬件電路主要由以下幾部分構(gòu)成：電源管理、控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、速度檢測模塊和電磁檢測模塊等。使用小車7.2V、2000mAh的電池供電，通過降壓電路后得到3.3V和5V電壓，其中5V電壓給加速度計(jì)和陀螺儀一體模塊、編碼器、藍(lán)牙和電磁檢測模塊供電，3.3V電壓給單片機(jī)和OLED顯示屏供電[1]。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

加速度計(jì)和陀螺儀我們選擇使用數(shù)字信號輸出的型號以提高其抗干擾能力，另外加速度計(jì)和陀螺儀應(yīng)盡可能地剛性連接以保證其測量的準(zhǔn)確性。速度檢測模塊我們使用512線mini編碼器，因?yàn)镵EA不具有正交解碼功能，所以我們通過I/O口讀取方向輸出端的電平獲取方向；電機(jī)驅(qū)動模塊我們使用IR2104S芯片和MOSFET組成的全橋驅(qū)動電路，通過利用MOSFET的通斷來控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。干簧管用于停車，當(dāng)車模到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，管內(nèi)的兩個(gè)簧片被終點(diǎn)處的磁鐵磁化而互相吸引接觸，使兩個(gè)引腳所接電路相通，干簧管一端接地，一端接I/O口。另外藍(lán)牙用于顯示加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)波形以及電感波形，OLED顯示屏用于顯示電感值和一些變量。

2 智能車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件運(yùn)行首先需要配置單片機(jī)各個(gè)模塊寄存器數(shù)值，使單片機(jī)各個(gè)模塊正常工作，初始化中包括：單片機(jī)時(shí)鐘配置、I/O口配置、PWM模塊配置、A/D模塊配置、PIT定時(shí)中斷配置和脈沖捕捉模塊配置等[2]。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)在時(shí)序上應(yīng)用PIT定時(shí)中斷觸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，在每個(gè)控制周期里完成對各傳感器的數(shù)據(jù)采集獲取各個(gè)狀態(tài)量數(shù)值，然后根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動控制。直立智能車的控制主要分為三個(gè)部分：直立控制、速度控制和方向控制。具體的車模控制框圖如圖2所示。

2.1 直立控制

直立控制是直立智能車正常行駛過程中最為重要的控制。由于會受到各種擾動、空氣阻力和摩擦力等因素的影響，智能車的平衡狀態(tài)很容易被打破，所以直立控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)并保持直立智能車的動態(tài)受力平衡狀態(tài)。采用噪聲低體積小的MMA8451+MPU3050一體模塊獲取加速度和角速度，經(jīng)卡爾曼濾波后，應(yīng)用PD控制器即可實(shí)現(xiàn)對智能車的直立控制[3]。

圖2 車模控制總框圖

2.2 速度控制

假設(shè)車模在直立控制作用下穩(wěn)定站立時(shí)所檢測到的最終姿態(tài)傾角為Angle，而實(shí)時(shí)檢測到的姿態(tài)傾角為Car_Angle,這就會導(dǎo)致車模在行駛過程中存在一個(gè)角度偏差，為消除這偏差車模就會向傾斜的一側(cè)加速運(yùn)動，所以控制車模速度實(shí)際上就是控制車模傾角[4]。

2.3 方向控制

為了使智能車能夠在指定的道路上行駛，本系統(tǒng)選擇20kHz的交變電磁場作為路徑導(dǎo)航信號，使用電感作為檢測導(dǎo)線的傳感器，但是由于其感應(yīng)信號較微弱，而且混有雜波，所以一般需經(jīng)濾波、放大和檢波后才能作為真正的道路信息。對于一般的道路，我們采用2個(gè)水平放置的電感按一字排布，且關(guān)于車模中軸線對稱，當(dāng)車模偏離直導(dǎo)線時(shí)，兩個(gè)電感中線圈的磁通量是不一樣的。根據(jù)這兩個(gè)不對稱的電感信號的差值，應(yīng)用PID控制器，引導(dǎo)其沿直線行駛。

3 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，依據(jù)本文所述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的直立智能車經(jīng)參數(shù)整定后，能夠在賽道上快速運(yùn)行，并且穩(wěn)定性好。

[1] 卓晴,黃開勝,邵貝貝.學(xué)做智能車-挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M].北京:北航出版社,2007.

[2] 王日明,廖錦松,申柏華.輕松玩轉(zhuǎn)ARMCortex-M4微控制器——基于KinetisK60[M].北京:北京航空大學(xué)出版社,2014.

[3] 沙志豪,劉璐璐,張洪等.兩輪直立車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016,(06):149.

[4] 王玲玲,施建洪.直立車平衡控制的研究[J].機(jī)械與電子,2016,34 (10):72-75.

Design of Electromagnetic Vertical Intelligent Vehicle Control SystemBased on KEA128

Ye Shencun , Zhou Qing, Yu Zhenhao

( Shandong University of Technology, Shandong Zibo 255049 )

An upright smart car system with S9KEAZ128AMLK microcontroller as the core control unit and integrating environment awareness, planning decision and intelligent driving is designed. In the hardware system design, the power supply voltage regulator circuit, the motor H-bridge drive circuit and the electromagnetic detection circuit are designed and implemented to ensure the stable driving of the smart car. In the aspect of software system design, the Kalman filter is used to fuse the data of the gyroscope and the accelerometer to obtain the precise attitude tilt angle for the balance control and speed control of the smart car, and the electromagnetic detection circuit collects the road information to realize navigation.

S9KEAZ128AMLK;Upright smart car;Electromagnetic detection circuit; Kalman filter

TP242

A

1671-7988(2018)21-27-02

TP242

A

1671-7988(2018)21-27-02

葉身村，就讀于山東理工大學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.010