基于單片機的電磁循跡小車的設計與應用

趙偉 于九龍 張瑞

摘? 要：本文為介紹濟南大學農夫山泉車隊在山東省智能技術應用大賽過程中的工作成果。利用通電導線產生的電磁場對智能車進行引導，相比傳統的循跡該種循跡的優點主要體現在磁場信號具有很好的環境適應性，不受光線、溫度、濕度等環因素的影響。智能車的硬件平臺采用帶STM32F103C8T6單片機，利用電壓采集模塊經過AD轉換傳回數據，再和速度檢測模塊進行綜合計算進而控制舵機模塊、電機驅動模塊來達到控制小車的效果。

關鍵詞：智能車，電磁循跡，環境適應性，PID控制

一、系統設計方案

（1）總的設計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計及相關物理模型的分析，對于具體的c語言編程細節本文不做詳細描述。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，由 PWM 發生模塊發出 PWM 波，分別對舵機和直流電機進行控制，完成智能車的轉向、前進和制動等功能。

（2）全部設計主要有下面的功能：

①安裝電源檢測模塊，對智能車的電源電量進行實時檢測并通過OLED顯示屏顯示;

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

③后車輪裝有編碼器能實時檢測小車的行進速度;

④小車能在直道、連續的彎道、環形道路以及低坡度的橋上快速穩步前進;

⑤小車具有制動功能，在檢測到特定的磁場時會立即剎車。

二、硬件系統中主要模塊的設計

（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行測量，一般航模電池的電量是和電壓相關的，比如 3S 滿電的時候是 12.6V，過放（電壓低于 9.6V）必然導致電池永久過放，所以我們有必要通過監控電池電壓的變化，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，電池電壓經過電阻分壓，衰竭為原來 的 1/11 之后，送單片機 ADC 檢測，以 12 位 ADC 的 STM32 舉例，Get_Battery 為 ADC 采集的變量，那么很容易計算得到電池的電量 Battery_Voltage=Get_Battery*3.3*11/4096（單位：V）。

（二）穩壓模塊的設計

一般的小車使用2s或者3s航模電池供電，而系統板是5v供電的，所以我們需要降壓模塊進行12v到5v的電壓轉換，這里使用的芯片是LM2596S-5.0，下面是我們根據芯片手冊設計的外圍電路如圖2所示。

（三）電磁傳感器模塊的設計

此設計利用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行信號放大，最后通過倍壓檢波電路將交流電轉成直流電輸給單片機進行模數轉換，模塊仿真圖如圖2所示。

（四）小車運動軌跡建模

小車在轉彎時，后輪的內輪和外輪形式的距離不同，行駛的時間卻一樣，因此后輪之間存在差速問題，傳統的汽車使用機械差速器完成差速，而我們的小車采用兩個電機直接驅動后輪，不需要機械差速，使得機械設計更加簡單，但在電控方面就更復雜一些。設舵機控制轉角為θ，車前進速度為v，前后輪中心距離為L，后輪距離為T，后轉彎內側輪速度為v1，后轉彎外側輪速度為v2，小車轉彎角度原理圖如圖3所示。

因為角速度的一致性，根據運動關系分析得知：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據進行處理，通過調節PID參數就可以讓小車平穩運行，具體參數的調節需要根據不同情況靈活改變。

（五）速度檢測模塊

編碼器是一種將角位移或角速度轉換成一連串電數字脈沖的旋轉式傳感器，從檢測原理上可分為光電編碼器（光學式）和霍爾編碼器（磁式），本小車采用霍爾編碼器進行測速。霍爾編碼器由霍爾碼盤和霍爾元件組成，霍爾碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時霍爾元件檢測輸出若干脈沖信號，為判斷轉向，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號，在本車中后輪每轉動一圈輸出約390個方波，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，在電機轉動時即可通過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IO口讀取。

三、測試結果

按照設計，小車最后的成品如圖6所示，比賽時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26秒。

四、結束語

電磁循跡是比較新穎的循跡方法，不受光線、溫度、濕度等環境的影響，循跡精準高速，雖然現在只在比賽中出現，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揮巨大的作用。

參考文獻

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