基于單片機的無線充電電磁循跡小車

李興旭 魏磊 高琴

摘 要：以S9KEA128單片機為主控，設計了一套電磁循跡智能車系統。針對一般智能車充電需要人工插線、鋰電池充電慢等問題，采用無線充電方案設計，選用超級電容組作為儲能裝置。文中介紹了無線充電模塊、自動升降壓電源模塊、運放模塊的設計方案、差比和偏差算法、速度PI閉環控制、方向PD閉環控制等。經過實驗驗證，該智能車能夠以不低于2 m/s的速度自主完成鋪設有環島、S彎、U型彎、十字路口等元素的賽道，循跡效果穩定可靠，升級空間較大。

關鍵詞：智能車;單片機;電磁尋跡算法;差速控制;無線充電

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-00-05

0 引 言

第十三屆全國大學生智能車競賽（后簡稱大賽）題目設定宗旨：在“立足培養、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”的指導思想下，同時兼顧當今科技發展的新趨勢。

超級電容因為其充電速度快、大電流放電能力強、功率密度高等特點，在新能源汽車領域備受關注。同時超級電容所擁有的充放電路簡單、安全系數高、超低溫特性好等特點使其適合于工程項目應用。它作為一種儲能器件，屬于雙電層電容器，其儲能過程中并不發生化學反應，儲能過程可逆、充放電次數多，對環境十分友好。

在超級電容廣泛應用于汽車領域、無人駕駛技術領域的背景下，大賽新增了無線節能組。按照大賽要求，設計并制作一款將3D打印件作為車體，由法拉電容供電、支持無線充電的電磁尋跡智能車（下稱小車）。小車采用32位微控制器S9KEA128作為主控，利用電感電容捕獲賽道正弦電磁信號。電磁信號經過放大整流后輸入到微控制器ADC模塊進行數字化處理，之后由程序對數據進行處理，解算出路徑偏差后控制電機差速轉彎，實現循跡功能。

實驗流程：超級電容先放電使兩端電壓不超過0.1 V。小車停留在充電區域，開啟地面無線充電發射裝置，待程序檢測到超級電容兩端電壓達到一定數值后，則認為充電完畢，控制電機駛離充電區域。出發后車模能夠沿著賽道自動運行兩圈并停在指定區域內。

本文設計的技術核心為無線充電技術、賽道路徑判斷，所提出的設計方案源于反復實踐與測試，結果可靠。

1 智能車機械設計

小車采用3D打印車身、兩輪前驅配一個全向輪后輪的設計。驅動電機采用市面上常見的自帶電調的五線調速無刷電機[1]。智能車通過兩個電機差速實現轉彎。電感電容對安裝在車頭前瞻支架上，距離后輪軸心40 cm處（大賽要求前瞻最長僅能伸出到距離后輪中心40 cm處），距離地面18 cm處（保證前瞻具有一定的揚起角度，防止上坡時卡在坡上）。利用前瞻支架傳感器可以提前收集賽道信息，提高通過小S彎路段的流暢性，增強小車循跡穩定性。試驗場地如圖1所示，智能車實物如圖2所示。

2 智能車硬件設計

工字電感配一個諧振電容組成一套電感電容對，作為傳感器，利用電磁感應原理接收來自地面電磁導線的正弦信號。兩個水平方向擺放的傳感器用作一般賽道元素循跡（如直線、十字路、一般彎道），兩個豎直方向擺放的傳感器用作環島循跡。運放模塊將采集到的微弱正弦信號放大后整流轉化為直流輸入到微控制器的ADC模塊進行數字化處理。

根據路況信息，微控制器通過集成的FTM模塊產生兩路占空比不同的PWM波、輸出控制量，調整兩個電機轉速進行差速、控制方向，以此實現尋跡功能。智能車的速度采集通過512線編碼器完成，輪子轉過一圈編碼器會產生固定的脈沖個數。脈沖信號經微控制器FTM模塊采集，折算為輪子的實際轉速。

智能車同時還需要配備藍牙串口HC-05、OLED顯示屏、按鍵進行信息傳輸、人機交互，方便程序調試，應當在主控板上添置相應接口。硬件框圖如圖3示。

2.1 能源系統電路設計

智能車通過無線充電接收模塊從地面發射裝置中取電，向法拉電容充電后再供給電路其他部分。

2.1.1 無線充電模塊設計

無線充電模塊可簡單分為兩部分：整流輸入部分和穩壓輸出部分。整流部分包括接收線圈、諧振電容和整流二極管，將接收的交流電轉換為直流電。大賽規定地面無線充電發射器輸出功率為640 kHz/30 W。接收線圈選用5匝多股漆包線，配4.7 nF的高壓高頻電容作為諧振電容。接收線圈內切于發射線圈正上方5 mm處，整流部分輸出電壓約為30 V。穩壓器件選用凌力爾特公司設計生產的LTC3780，寬電壓4～36 V輸入、輸出0.8～30 V可調，經測試符合需求。為了防止法拉電容組過充，采用LM358比較器進行保護，當電容組電壓達到或超過設定值時（由滑動變阻器調節設定值），比較器輸出為高，拉高LTC3780的RUN引腳使其關斷，如圖4所示。

2.1.2 自動升壓降壓電源模塊

本車使用的法拉電容組由5個60 F耐壓值為2.7 V的法拉電容串聯組成，帶有BW6106均壓保護芯片，對應保護點為2.45 V，法拉電容組充電輸入、輸出電壓范圍為0～12.25 V。

智能車上的微控制器、運放芯片、OLED顯示屏等都需要5 V電源供電。

法拉電容組放電工作時電壓會不斷下降，為保證其他元器件供電正常，并盡可能充分利用法拉電容組中的電能，需要能夠自動升壓降壓的電路。

選用的TPS630701的輸入范圍為2.0～16 V，輸出為5 V，如圖5所示。智能車的五線調速無刷電機供電輸入范圍為8～16 V，功耗較低。為了使電機能夠更好地響應，供電電壓要盡可能高。綜合考慮，采用德州儀器設計生產的TPS61088升壓輸出12 V電壓為電機供電，如圖6所示。

2.2 智能車運放模塊設計

賽道中心鋪設有一條直徑為 0.1～1.0 mm的電磁引導線，通有20 kHz，100 mA的交變電流。傳感器架設于前瞻支架上（離地面約18 cm處）。為保證程序的處理精度，應將微弱的電磁信號放大。經驗證，德州儀器公司設計生產的四路運放芯片OPA4377符合使用需求，如圖7所示。

4 結 語

傳統基于影像光學的循跡方式因對外界干擾抵抗能力差，很多時候都不能較好地滿足客戶對于穩定、快速的需求。而有軌運輸又面臨成本高、改動困難等問題。目前，憑借成本低、修改方便、抗干擾能力強等優點，電磁導航技術已成為當前工業運輸自動化研究的重點。

本文針對電磁導航技術和超級電容的應用特點，結合無線充電技術、路徑偏差算法、PID控制算法，提出一種電磁循跡智能車系統設計，具有成本低、穩定性高等優點，可以滿足大多室內無軌運輸的需要。

本文方案還有很大的提升空間，其改進思路如下：

（1）無線充電的過程最好由反饋程序控制，實時調整充電電流，完成法拉電容組的自適應充電，使充電更快;

（2）智能車循跡的實時性要求較強，應當使用嵌入式實時操作系統;

（3）當前采用的經典PID控制算法太依賴參數，受到外界強烈干擾容易引發失控，應當采用更先進的PID控制算法。

參 考 文 獻

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