基于單片機(jī)的電磁循跡小車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙偉 于九龍 張瑞

摘? 要：本文為介紹濟(jì)南大學(xué)農(nóng)夫山泉車隊(duì)在山東省智能技術(shù)應(yīng)用大賽過程中的工作成果。利用通電導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場對智能車進(jìn)行引導(dǎo)，相比傳統(tǒng)的循跡該種循跡的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在磁場信號具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，不受光線、溫度、濕度等環(huán)因素的影響。智能車的硬件平臺采用帶STM32F103C8T6單片機(jī)，利用電壓采集模塊經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換傳回?cái)?shù)據(jù)，再和速度檢測模塊進(jìn)行綜合計(jì)算進(jìn)而控制舵機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊來達(dá)到控制小車的效果。

關(guān)鍵詞：智能車，電磁循跡，環(huán)境適應(yīng)性，PID控制

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（1）總的設(shè)計(jì)方案分為硬件和軟件方案，此文中主要分析部分硬件模塊的設(shè)計(jì)及相關(guān)物理模型的分析，對于具體的c語言編程細(xì)節(jié)本文不做詳細(xì)描述。通過傳感器檢測到電壓采集模塊左右兩端和中間傳感器之間的壓差，將采集的壓差傳到STM32F103單片機(jī)，由 PWM 發(fā)生模塊發(fā)出 PWM 波，分別對舵機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行控制，完成智能車的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)和制動等功能。

（2）全部設(shè)計(jì)主要有下面的功能：

①安裝電源檢測模塊，對智能車的電源電量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并通過OLED顯示屏顯示;

②通過車頭的傳感器將磁場信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號;

③后車輪裝有編碼器能實(shí)時(shí)檢測小車的行進(jìn)速度;

④小車能在直道、連續(xù)的彎道、環(huán)形道路以及低坡度的橋上快速穩(wěn)步前進(jìn);

⑤小車具有制動功能，在檢測到特定的磁場時(shí)會立即剎車。

二、硬件系統(tǒng)中主要模塊的設(shè)計(jì)

（一）電源檢測模塊

本模塊使用高精度電阻分壓的方式對電池電壓進(jìn)行測量，一般航模電池的電量是和電壓相關(guān)的，比如 3S 滿電的時(shí)候是 12.6V，過放（電壓低于 9.6V）必然導(dǎo)致電池永久過放，所以我們有必要通過監(jiān)控電池電壓的變化，近似表示電池的電量，在電池電量比較低的情況下，提醒我們充電。模塊的原理圖如圖1所示，電池電壓經(jīng)過電阻分壓，衰竭為原來 的 1/11 之后，送單片機(jī) ADC 檢測，以 12 位 ADC 的 STM32 舉例，Get_Battery 為 ADC 采集的變量，那么很容易計(jì)算得到電池的電量 Battery_Voltage=Get_Battery*3.3*11/4096（單位：V）。

（二）穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)

一般的小車使用2s或者3s航模電池供電，而系統(tǒng)板是5v供電的，所以我們需要降壓模塊進(jìn)行12v到5v的電壓轉(zhuǎn)換，這里使用的芯片是LM2596S-5.0，下面是我們根據(jù)芯片手冊設(shè)計(jì)的外圍電路如圖2所示。

（三）電磁傳感器模塊的設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)利用LC諧振回路選出特定頻率的電磁波，再通過小功率三極管進(jìn)行信號放大，最后通過倍壓檢波電路將交流電轉(zhuǎn)成直流電輸給單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模塊仿真圖如圖2所示。

（四）小車運(yùn)動軌跡建模

小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，后輪的內(nèi)輪和外輪形式的距離不同，行駛的時(shí)間卻一樣，因此后輪之間存在差速問題，傳統(tǒng)的汽車使用機(jī)械差速器完成差速，而我們的小車采用兩個(gè)電機(jī)直接驅(qū)動后輪，不需要機(jī)械差速，使得機(jī)械設(shè)計(jì)更加簡單，但在電控方面就更復(fù)雜一些。設(shè)舵機(jī)控制轉(zhuǎn)角為θ，車前進(jìn)速度為v，前后輪中心距離為L，后輪距離為T，后轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)輪速度為v1，后轉(zhuǎn)彎外側(cè)輪速度為v2，小車轉(zhuǎn)彎角度原理圖如圖3所示。

因?yàn)榻撬俣鹊囊恢滦裕鶕?jù)運(yùn)動關(guān)系分析得知：v/R=v1/R1=v2/R2、tanθ=L/R、R1=R-0.5T、R2=R+0.5T，由以上幾個(gè)式子可得：v1=v/R*R1=V*（1-T* tanθ/2L）、v2=v/R*R2=V*（1+T* tanθ/2L）。在軟件編程中采用PID算法對上述公式中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)就可以讓小車平穩(wěn)運(yùn)行，具體參數(shù)的調(diào)節(jié)需要根據(jù)不同情況靈活改變。

（五）速度檢測模塊

編碼器是一種將角位移或角速度轉(zhuǎn)換成一連串電數(shù)字脈沖的旋轉(zhuǎn)式傳感器，從檢測原理上可分為光電編碼器（光學(xué)式）和霍爾編碼器（磁式），本小車采用霍爾編碼器進(jìn)行測速。霍爾編碼器由霍爾碼盤和霍爾元件組成，霍爾碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)霍爾元件檢測輸出若干脈沖信號，為判斷轉(zhuǎn)向，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號，在本車中后輪每轉(zhuǎn)動一圈輸出約390個(gè)方波，霍爾編碼器如圖4所示，這是一款增量式輸出的霍爾編碼器，有AB相輸出，可測速也可辨別方向，只需給編碼器的電源5v供電，在電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)即可通過AB相輸出方波信號，改編碼器自帶上拉電阻，無需外部上拉，可以直接連接到單片機(jī)IO口讀取。

三、測試結(jié)果

按照設(shè)計(jì)，小車最后的成品如圖6所示，比賽時(shí)小車能夠快速通過直道、彎道、十字路口等多種類型賽道，完成60m長的賽道共用時(shí)26秒。

四、結(jié)束語

電磁循跡是比較新穎的循跡方法，不受光線、溫度、濕度等環(huán)境的影響，循跡精準(zhǔn)高速，雖然現(xiàn)在只在比賽中出現(xiàn)，但這種方式具有廣闊的前景，未來在快遞、倉庫物流等方面將會發(fā)揮巨大的作用。

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