基于無線充電系統的自動追蹤智能小車

朱瞿辰，汪敬華，姜 宇，楊 蘭，趙春鋒

（上海工程技術大學工程實訓中心，上海 201620）

0 引言

隨著人工智能技術不斷發展，智能控制應用也不斷出現在各個場景，手持設備、智能終端的無線充電需求持續旺盛。2021 年第十六屆全國大學生智能汽車競賽中設立的節能信標組競賽命題，要求智能小車在完成紅外信標燈自動追蹤的同時，自動完成從預埋在信標燈罩下的無線電能發射裝置的充電行為。發射線圈的電能在小車過信標燈時被接收，并儲存于超級法拉電容組中，供小車追蹤控制的連續工作，比賽場地如圖1所示。

圖1 比賽場地示意圖

經過無線充電、視覺識別以及追蹤算法研究，以英飛凌TC264 作為控制核心，采用LCC恒功率無線控制技術進行高效充電，圖像采集利用連通域算法進行信標搜索，使用PID 控制電機實現信標追蹤功能。

1 系統整體設計

智能小車系統構成如圖2所示。

圖2 智能小車系統組成

以英飛凌公司的TC264 微控制器作為系統的控制核心，TC264 最高主頻200 MHz、雙核TriCore?架構，有集成ADC 轉換、I2C 總線、DMA、USART 等豐富資源，為汽車級芯片。采用逐飛科技公司總鉆風攝像頭采集紅外信標位置坐標，自行設計LCC 恒功率無線充電以及儲能模塊為智能小車系統收集和存儲電能。電機驅動模塊和編碼器是小車運行控制的必要組件，配有按鍵和TFT進行人機交互。

2 無線電能接收系統設計

2.1 恒功率充電接收系統結構

無線充電發射裝置由競賽組委會提供，恒功率充電接收端部分自行設計，由硬件和軟件兩部分組成。無線充電接收硬件組成如圖3 所示，電能接收線圈經過LCC 補償網絡后進行全校整流變成直流電，再經過BUCK 電路恒功率控制將電能充入超級電容組，供主控系統工作。圖3虛線方框為恒功率控制部分，電壓采集采用了簡單的電阻分壓網絡，電流采集將采集電阻串聯在主電路母線中，差分電壓由電流檢測芯片AD8217 放大至0～3.3 V 送給單片機。采用TC264 單片機內部集成的ADC 采集電壓和電流，進而計算出接收電能功率，根據設定功率調節BUCK半橋充電效率。

圖3 恒功率充電硬件組成原理

2.2 無線電能傳輸LCC拓撲網絡

無線電能傳輸前端采用了雙邊對稱LCC 拓撲結構，如圖4所示，為電能發射端線圈，將電能轉換為磁場能，為電能接收端線圈，將磁場能轉換為電能。發射裝置將直流電逆變成交流電送給LCC（由L、C和組成）電路，經發射磁場能，接收端將磁場能轉換為電能后送給LCC（由L、C和組成）電路后整流（1～4 組成）。發送端和接收端互相前后對稱，因此稱雙邊對稱LCC 拓撲結構。采用LCC拓撲結構能夠在后端負載變化（u變化）的狀態下，讓接收線圈保持恒定的電流值，有效提高能量接收效率。

圖4 雙邊對稱LCC網絡

根據無線發射頻率，需要對接收線圈和電容進行參數匹配，即確定L、C和參數。利用這三個元器件在同一工作頻率下與電感阻抗值相等的方法計算各自參數。在實際使用時根據理論計算值采用標稱電容進行并聯匹配使得整流后的電壓最大。經過LCC 諧振得到仍是正弦交流電，半波整流效率低，倍壓整流和全波整流原理上具有相同的效率，實際實驗時發現全橋整流比倍壓整流具有更低的輸出阻抗。

2.3 恒功率控制

為了高效控制充電效率，采用恒功率控制方法，恒功率充電系統原理示意圖如圖5 所示。通過單片機對BUCK 電路前端電流與電壓采樣并計算當前充電功率，與設定功率值進行比較，采用傳統的PID 調節器計算校正結果，轉換為相應的PWM 控制兩個MOS 管組成的半橋電路，經由LC 組成的BUCK 電路對電容組進行恒功率充電。自行設計上位機軟件繪制恒功率調節效果波形圖如圖6所示。

圖5 恒功率調節原理示意圖

圖6 恒功率調節效果圖

3 自動追蹤程序設計

3.1 連通域定位算法

信標燈能發出10 Hz閃爍的紅光和常亮紅外光，采用帶有可見光濾片的MT9V032 數字攝像頭，只采集信標燈發出的紅外光的現場圖像，對其二值化處理和數字濾波，得到準確的ROI（region of interest）區域。

連通區域（connected component）一般是指圖像中具有相同像素值且位置相鄰的像素點組成的圖像區域（region of Blob）。連通區域分析是將二值化后圖像中的各個連通區域找出并做標記，在圖像處理的眾多應用中較常用的方法，其基本算法有兩遍掃描法（two-pass）和種子填充法（seed-filling）。兩遍掃描法是通過兩遍圖形掃描，將圖像中存在的所有連通域找出并標記下來；而種子填充法是從多邊形區域的一個內點開始，由內向外用給定的顏色畫點直到邊界為止。

本設計基于英飛凌TC264 單片機采用兩遍掃描法找出信標燈連通域，根據重心法計算信標燈目標位置在圖像中坐標。燈坐標與圖像鎖定如圖7所示。

圖7 尋燈坐標與圖像鎖定效果圖

3.2 尋燈控制策略和效果

在設計小車尋燈的程序中，設計了速度環和轉向環，速度環作為外環，轉向環為內環。找到信標燈后，小車要快速定向追蹤到信標燈壓燈、滅燈，滅燈后要有合適的原地轉動速度以快速尋找下一個信標燈。在滅燈、尋燈的過程中，小車能夠選擇停留在信標燈上進行無線快速充電以獲取下一次追蹤信標燈時消耗的電能。最優化路徑、無線充電效率以及尋燈充電策略作為本次比賽角逐的要點。

采取了切燈斜邊的方法使小車跑動更加流暢，同時使磁鐵完美貼合信標燈達到滅燈觸發要求，以達到快而高效滅燈的競速要求。轉向速度的控制主要考慮路徑最優化，在接近信標燈時提前拐一個小角度在信標燈切線方向行駛，滅燈時加速轉向。此方法的難點在于精準控制小角度轉向以及速度把控，根據多次試驗以及Matlab進行速度和方向擬合，轉化為控制算法寫入單片機中，最終小車制作實物效果如圖8所示。

圖8 最終小車實物

4 結語

根據競賽要求在紅外信標燈自動追蹤的同時完成自動續航充電，本文描述了LCC 恒功率無線充電的控制為小車進行高效無線充電，對紅外圖像采用連通域方法尋找信標燈坐標，實現智能小車精準的信標定向循跡追蹤。這種設計方案在比賽中獲得成功，對于其他項目開發具有一定的借鑒意義，為今后的相關研究打下了良好的技術基礎。