基于電磁循跡的直立車設計

熊中華

（山東理工大學 交通與車輛工程學院,山東淄博，255000）

隨著汽車行業飛速發展，智能網聯汽車已成為汽車產業的重要發展趨勢。本文基于全國智能車競賽，采用電磁循跡，快速通過多種復雜路況。

相較于攝像頭循跡、光電循跡，電磁循跡不易受到光線、溫度等環境因素的影響，適應能力更強。

1 總體方案設計

賽道中心線位置處通有100mA 交變電流的導線所產生的電磁場，用于電磁循跡。采用直立車模（D 車模），以MK60FX512VLQI5 單片機作為主控單元，在IAR 軟件上進行調試。以10mH 工字電感為主體提前采集賽道信息，進行歸一化，均值濾波,通過編碼器檢測電機轉速，利用PID算法根據路況變化控制電機轉速，完成速度的閉環控制。通過姿態傳感器獲得直立車傾角、角速度，通過PID 算法進而控制直立環、速度環、轉向環。直立車D 車模如圖1 所示。

圖1 直立車D 型車模示意圖

2 機械系統

■2.1 主要模塊

（1）傳感器模塊

電磁傳感器：10mH 工字電感[2]，搭配6.8nF 校正電容，且電感、電容應該彼此靠近。

姿態傳感器：陀螺儀、加速度計。陀螺儀測量車模角速度，其輸出模擬電壓與直立車前傾或后仰的角速度成正比。加速度計測量車模傾角，其輸出模擬電壓與直立車傾角成正比。注意，兩個傳感器的輸出的模擬電壓值都是正值，可以使用龍邱的ICM20602 加速度計陀螺儀模塊，這個硬件模塊是由加速度計和陀螺儀兩個模塊合并為一個模塊，陀螺儀測量直立車角速度，加速度計可以用于去除陀螺儀溫漂現象。

速度傳感器：512 線mini 編碼器，用于實時測量電機轉速，便于使用PID 算法閉環控制車速。

（2）電源模塊：選用7.2V 2000mAh Ni-cd 供電，電源模塊包括多個穩壓電路，將電池電壓轉換成各個模塊正常工作所需電壓，防止干擾，保證工作穩定性，K60 核心板所需電壓為3.3V，驅動電路所需電壓為12V，電感模塊所需電壓為5V，編碼器、陀螺儀、OLED 屏所需電壓為5V。

（3）驅動電機模塊：使用電機 RS-380，結合PID 算法，通過改變驅動電壓，控制電機轉速、轉向。通過電機差速控制，實現轉向環。通過電機速度控制、加速度控制，實現直立環。利用 MOS 管驅動芯片來驅動H 橋驅動電路，電機驅動電路如圖2 所示。

圖2 電機驅動電路

（4）控制器模塊：使用MK60FX512VLQI5 單片機，接受各傳感器采集的信息，判斷小車姿態、路況變化、車速，及時數據處理，執行算法，進而驅動電機。

（5）液晶顯示模塊：為便于調試，安裝OLED 液晶顯示，可以直觀顯示出各傳感器值，進而觀察當前小車狀態與程序中各參數之間的關系。系統結構圖如圖3 所示。

圖3 系統結構圖

■2.2 直立車結構搭建

搭建原則：質量集中、重心低、質量輕、車軸對稱。

（1）找機械零位、降低重心

為使直立車可以有更高速地通過復雜賽道，首先得找到直立車的“機械零位”，即合理安放核心板、運算放大器、電池、碳素支架、電機、OLED 顯示屏、陀螺儀等模塊，使直立車在靜止狀態下，不依靠外力盡可能達到直立平衡。

若未找到完美的“機械零位”，可以在直立車運行時，通過電機正反調節，車前傾，電機正轉；車后傾，電機反轉。

在保證“機械零位”的基礎上，應同時保證小車重心低，便于后期小車整體提速，當小車轉彎或者速度過快時，容易發生“抬輪”、側翻等現象，重心低，便于小車穩定。但重心不能過低，若重心過低，容易與車道相碰，造成過坡道困難。

（2）編碼器安裝

為精確獲得電機轉速，兩輪合理安放編碼器，調節編碼器、電機齒輪、車軸齒輪三者齒輪間隙，避免間隙不當，造成打齒磨損，傳動阻力過大，產生噪聲；注意電機帶動后輪空轉聲音，若聲音刺耳，則齒輪配合間隙過大，若聲音遲滯、沉悶，則齒輪間隙過小，若傳動部件轉動，輕松、流暢，無噪聲，則齒輪間隙良好。

先使用十字扳手套筒拆卸兩后輪，裸露出電機齒輪、車軸齒輪、編碼器安裝孔，通過調節編碼器在編碼器安裝孔的位置，保證兩齒輪軸平行，調整齒輪間隙。注意先安裝編碼器，再安放自制電路板、電池等模塊。

（3）輪胎保養

輪胎適當涂軟化劑，并經常擦，保證輪胎的適當軟度，提高摩擦力，有利于提高車速。

（4）電磁傳感器安裝

使用空心碳素桿支架作前瞻，采用熱熔膠固定，為防止結構不穩定，影響測量電感值，采用一根斜撐桿支撐固定安放工字電感的水平主桿。

采用三水平電感方案，利用對稱水平電感的感應電動勢量差和比值來解算車體相對于導線偏離的距離，極大降低代碼復雜程度。三水平電感方案如圖4 所示。

圖4 三水平電感方案

（5）姿態傳感器安裝

將陀螺儀安放在車模后方底部，減少對于傾角測量的干擾，且水平安裝，避免影響過彎速度。

（6）自制電路板安裝

自制電路板應盡可能小，減輕整車質量，便于合理安裝各機械元件，提高速度。且應關于車軸對稱放置，貼近車模的底盤，可以將電路板固定在兩個電機上，降低整車重心，使直立車運行更平穩。

（7）電池安裝

使用鋁片材質的電池支架安裝在直立車后方，并使用將電池固定在電池支架上，且關于車軸對稱，便于隨時取放充電，同時，有效降低了直立車重心，行駛更平穩。

3 軟件設計與調試

■3.1 電感值采集及處理

工作原理是MK60FX512VLQI5 單片機通過 AD 口采集電感檢測得電磁信號變化量，為消除電流變化對電感值的影響，電感值歸一化，通過以下公式歸一化：

式中：max為電感最大值,min為電感最小值。x為歸一化前的值，y為歸一化后的值。

傳感器數值采用均值濾波，連續采集5 次，求均值，去除噪點，得到較準確的電感值；通過姿態傳感器獲得直立車傾角和角速度，用于直立環、速度環、轉向環控制。使用mini512 編碼器采集兩電機實時轉速，結合直立傾角、角速度，應用PID 控制理論算法，將直立控制輸出Ang_control、速度控制輸出Speed_control、轉向控制輸出Dir_control三者進行線性疊加，進行電機轉速、轉向的閉環控制。

■3.2 PID 簡介

PID[3]的全稱為比例積分微分控制，P 即為比例，I 即為積分，D 即為微分。

Kp的作用是加快系統的響應速度,Kp太大，容易使小車震蕩、不穩定，影響電感采集值，造成路況誤判；

Ki用于消除系統的穩態誤差，Ki太小，加速反應慢，穩態誤差難消除；Ki太大，容易超調，小車震蕩;

Kd改善系統的動態性能，對偏差變化提前預報，Kd太大，會讓小車抖動、遲鈍，來不及對賽道元素突變作出反應。

■3.3 直立環

搭車時，找到合適的機械零位，當小車處于機械零位時，電機不轉，保持直立狀態，但一旦小車運動時，容易偏離機械零位，須通過電機正反轉保持直立。

通過加速度計陀螺儀模塊檢測車模傾角、角速度變化，判斷是否偏離機械零位。若車前傾，電機正轉；車后傾，電機反轉，來維持直立車平衡。

姿態傳感器包括陀螺儀和加速度計，分數字式、模擬式。我們采用模擬式，模擬式直接用AD 采集。相較于數字式，讀取速度更快，但容易受溫度影響，產生累計誤差，累計誤差可以使用加速度計[1]校核。

使用ICM20602 六軸加速度計陀螺儀模塊采集所需軸的數據，進行加速度計姿態解算，獲得直立車傾角值，但該方法容易受到直立車抖動、溫度等影響，與實際傾角產生較大偏差，不能直接用于直立環控制。陀螺儀可以測量車模傾斜角速度，對角速度進行積分可得到車模傾角，這種方式不易受到車模運動的影響，但存在角速度偏差，積分運算易產生累計誤差，與直立車實際傾角產生偏差，不利于直立環算法的構建。考慮到兩種方法都可得到直立車傾角，陀螺儀角速度積分方法誤差更小，且加速度靜態響應好，陀螺儀動態響應好，選擇使用加速度計獲得的傾角值來校核陀螺儀角速度積分得到的傾角值，兩者融合解算出一個更準確的傾角值，加速度計陀螺儀得到的角度通過互補濾波[5]進一步得到角度Ang_ronghe，然后，選擇PID 中的PD 控制，即用Ang_ronghe乘以比例項系數Kp_ang；再用陀螺儀采集到的值與陀螺儀的偏移量相減，再乘以一個比例系數，得到角速度Ang_dot,乘以微分項系數Kd_ang；將兩值相加得到的PWM值作為直立控制輸出Ang_control。直立控制公式如下：

式中：Ang_control為直立控制輸出,Ang_ronghe為加速度計陀螺儀的角度通過互補濾波后的角度，Kp_ang為比例項系數，Ang_dot為歸一化后的角速度，Kd_ang為微分項系數。

■3.4 轉向環

轉向環是利用電感獲取的差比和偏差進行PD 控制輸出PWM 波，控制左右電機產生速度差，驅動車模轉向消除車模距離賽道中線的偏差，需要比例控制，快速響應直立車轉向，因直立車安裝有電池等重物，為防止“轉向過沖”現象，加入微分控制。要想進一步提速，可以建立多組車速與給定Kp、Kd之間的函數關系式。

通過三水平工字電感采集到的數據計算出直立車當前位置Dir_value,預設的理想中線值為Mid_line,兩者作差為方向偏差Err_direct,即是此時直立車偏離賽道中線的距離，再乘以比例項系數Kp_direct;再用陀螺儀采集到的值與陀螺儀的偏移量相減，進行歸一化，得到角速度Ang_dot,乘以微分項系數Kd_direct；將兩值相加得到的PWM 值作為轉向控制輸出Dir_control。轉向控制公式如下：

式中：Dir_control為轉向控制輸出,Err_direct為此時直立車偏離賽道中線的距離，Kp_direct為比例項系數，Ang_dot為歸一化后的角速度，Kd_direct為微分項系數。

■3.5 速度環

保證速度環控制的前提是直立環控制，為實現直道加速，彎道減速或者恒定速度通過，我們期望理想速度是一個恒定值，如果直立車運行速度忽快忽慢，會造成車模前后傾斜，進而影響工字電感采集電感值，進而影響元素判斷甚至決策誤判，故我們希望速度環的理想速度為一恒定值。

速度環就是利用min512 編碼器及時反饋兩車輪瞬時速度，使用PI 調節，進行閉環控制[4]，實現實際電機轉速快速達到理想速度。

直立車理想速度Vi與電機實際轉速Vr差值為速度偏差Err_speed。為使速度變化快速響應，乘以一個比例項系數Kp_speed;引入積分環節可以消除偏差，減小穩態誤差，累積偏差Ingra_speed乘以一個積分項系數Ki_speed;將兩值相加得到的PWM 值作為速度控制輸出Speed_control。速度控制公式如下：

式中：Speed_control為速度控制輸出,Err_speed為直立車理想速度Vi與電機實際轉速Vr差值，Kp_speed為比例項系數，Ingra_speed為速度偏差累積值，Ki_speed為積分項系數。

■3.6 PID 調試方法

對于速度要求不高的情況下，直立環最關鍵；

對于追求高速完成比賽，轉向環是核心。對于直立環，要注重利用示波器融合出合適的互補濾波；對于速度環的PI 調節，要注重結合直立環的PD 調節情況，直立環不能太“硬”，即PD 值較大，也不能太“軟”，即PD 值太小，可以稍硬一些，便于其他環的調試，若直立環太硬，不利于調試速度環和轉向環；若直立環太軟，則響應速度變慢，會影響到直立車的行駛速度，甚至會產生較大擺動；速度環調節需要找到一組合適的PI 可以同時適應高速和低速。

先調Kp,令Ki、Kd 為0，在賽道上調到正常車速后，觀察記錄相應數值及現象。然后調節Ki,最后調節Kd。當小車可以很好地運行時，可以在電池、環境變化等多種情況下，同時微調Kp、Ki、Kd 中任意多個參數值，多次跑車，記錄比較理想的Kp、Ki、Kd 值。

根據調試經驗，可以將Kp 參數調大點，可以更好地根據路況變化速度快速調節。將Ki 調小些，可以將Kp 參考值設為0.7，Ki 參考值為設0.03,Kd 參數設為0.3，再多次根據實際路況，改進算法，多次調試，取得理想數值。

4 結語

本文從總體方案設計、機械系統設計、軟件設計與調試三方面詳細介紹了基于電磁循跡的直立車設計，經調試驗證，方案可行。