基于S9KEA128AMLK的智能電磁循跡小車設計與實現

李全民，余華柱，楊杰勇

（廣州理工學院智能制造與電氣工程學院，廣州 510540）

0 引言

智能汽車是未來汽車的發展方向，在減少交通事故、發展自動化技術、提高舒適性等許多方面發揮很重要的作用[1]。國外的自動駕駛技術起步時間早于國內，技術十分成熟。最具有代表性的就是谷歌公司的Waymo，已經經過了1 000 萬mile（1 mile=1.6 km）的自動駕駛測試。Waymo 的無人車模擬現代駕駛員的思維方式處理問題，實現更智能的駕駛處理。與目前社會大部分自動駕駛技術不同，Waymo 不是僅僅依靠GPS，而是依靠自己高精度的傳感器建立的詳細三維圖，識別出路況、車道標志、交通信號燈燈所有道路特征信息。通過軟件算法進行對動態對象運動的預測，來決策接下來正確的軌跡、速度、車道、轉向操作等。幾乎實現了完全不需要人類介入整個動態駕駛任務中，解放雙手。

目前，自動化控制中的智能控制運輸在實際應用中也有十分廣泛的應用前景，在智能控制運輸飛速發展的路上，電磁智能小車的出現，極大促進了智能控制運輸的發展。路徑信息變成一根簡單的通電導線。降低了外部環境因素的干擾，提高控制的精準性和穩定性。本文研制的電磁導航循跡技術，相對于目前現有技術具有穩定性強、成本低及原理簡單等特點，并且不受溫度、濕度和光線影響，因而具有廣闊的發展前景。本文的電磁循跡是指在道路中線鋪設有漆包線并通有20 kHz、100 mA 交變電流，因而在導線周圍產生磁場，智能小車上的電感傳感器在磁場中產生感應電動勢，靠檢測電動勢值來確定小車在道路上相對位置，從而實現智能小車的自動循跡行駛[2]。

1 系統總體設計

主控最小系統模塊核心芯片（MCU）是S9KEA128 AMLK，輔以晶振電路、復位電路和控制電路。電磁信號采集模塊使用接口PTF4～PTF7；電機驅動控制使用接口PTH0～PTH3；編碼器使用接口PTE0 和PTC5；人機互交鍵盤使用接口PTI2～PTI4和PTB5。由于是三輪車，行駛方向由兩個驅動電機的轉速差控制，沒有單獨舵機。

首先，電磁信號采集模塊采集電磁信號，并經濾波、放大和檢波后，輸入核心芯片（MCU）。其次，MCU 先把模擬信號轉化為數字信號，并識別智能小車所處的道路狀況，并按照方向控制算法計算出控制方向的PWM；同時，編碼器對電機實際轉速進行測速，把設定速度與實際速度的偏差，加入速度環，計算出速度環的PWM，彌補實際速度的偏差；將上述的速度環及方向環進行加權融合，得出最后控制兩個電機的PWM信號。最后，把兩個PWM信號輸入電源管理及整車控制模塊，使兩個驅動電機以相應的轉速轉動。

同時，為了之后更為方便、直觀地調試，設置了3個按鍵、兩個撥碼開關，作為直接調試參數及模式切換。另外，還設置了4 個LED 指示燈、一個OLED 屏幕查看參數模式切換等。具體的整車控制原理如圖1所示，智能車使用各傳感器的功能如表1所示。

表1 智能車使用的傳感器功能

圖1 整車控制原理

2 硬件電路設計

硬件主要包括五大模塊：主控最小系統模塊；電源管理及整車控制模塊；電磁信號采集模塊；電機驅動模塊；起止線檢測和人機互交模塊。下面分別說明。

2.1 主控最小系統模塊

最小系統是主控單片機（MCU）運行所需的最小系統，為單片機提供基本的外圍使用電路。其核心芯片（MCU）是恩智浦公司生產的S9KEA128AMLK。Kinetis KEA128 系列芯片內核基于32 位ARM Cortex-M0+設計，工作頻率48 MHz，使用4～24 MHz 的外部晶振；多達128 kB閃存、256B EEPROM 和16 kB RAM；一個12位模數轉換器（ADC），具有多達16 個通道，兩個模擬比較器（ACMP），帶內部6位數模轉換器（DAC）；一個全功能型6通道FlexTimer（FTM），兩個雙通道FTM，具有基本TPM 功能，雙通道周期性中斷定時器（PIT）；兩個8位串行外設接口（SPI），兩個I2C 模塊，3個通用異步收發器（UART）模塊，一個MSCAN[3]。這些特點能很好地滿足智能車的要求，其具體設計如圖2所示。

圖2 最小系統版電路

2.2 電源管理及整車控制模塊

該模塊的主要功能：給其他各模塊提供所需的穩定工作電壓；整車的輸入信號匯總于此模塊傳入單片機；此模塊上還有人機互換的功能，方便人們調試與觀察智能車的技術狀況。

該智能車上的需要電壓有5 V、12 V 兩種。12 V 電壓為電機驅動模塊使用，使用MC34063 芯片將5 V 電壓升壓至12 V，其電路設計如圖3所示。

圖3 MC34063設計電路

5 V 電壓是智能車各模塊需要最多的工作電壓，智能車上使用5 V 為工作電壓的有單片機、電機控制、OLED 屏、電磁信號采集模塊、起止線檢測模塊、編碼器等。本著可靠、高效、簡潔的目標，綜合考慮使用ASM1117穩壓芯片。

經過多番實驗，將電機控制所需的5 V 穩壓電路和驅動所需要12 V 升壓電路放置于電機驅動模塊抗干擾性更強，所以將這兩部分移至電機驅動模塊。并且OLED 屏、編碼器、起止線檢測模塊共用一塊5 V 的穩壓芯片。

2.3 電磁信號采集模塊

該模塊的主要功能是檢測電磁循跡信號。本設計采用的傳感器為10 mH 工字電感，規格為8×10。傳感器直接獲得的信號強度較微弱并存在一些干擾電波，所以首先要進行濾波，放大和檢波3 個步驟的處理。諧振電容的容值選擇6.8 nF，采用OPA2350 集成運放芯片對該信號進行放大，選用常見的的肖特基二極管SS14 進行檢波。電磁信號采集模塊的電路設計如圖4所示。

圖4 信號采集電路

2.4 電機驅動模塊

該模塊的主要功能是接收來自單片機的控制信號，對電機轉速進行控制，滿足智能車所需的方向和速度要求。

該智能車采用分立N 溝道MOS 管配合專用柵極驅動芯片的方案。分立N 溝道MOS 管具有極低的導通電阻，可以大大減小電樞回路總電阻；專用的柵極驅動電路可以提高MOSFET的開關速度，使PWM 控制方式的調制頻率可以得到提高，從而減少電樞電流脈動，并且專用柵極驅動芯片通常具有防同臂導通、硬件死區、欠電壓保護等功能，可以提高電路工作的可靠性。電機驅動電路采用單極性的控制模式，由兩片IR2104S 柵極驅動芯片及4 個R7843 MOS 管組成。同時，為了減少干擾加入了一塊隔離芯片74HVC45，信號只能單向傳輸，即PWM信號可以輸入到電機驅動電路，反之則被隔離芯片隔斷傳輸線路[4]。驅動模塊整體設計如圖5所示。

圖5 電機驅動模塊電路

2.5 其他模塊

包括起止線檢測模塊和人機交互模塊。起止線檢測模塊通過霍爾元件檢測運行路徑上的強磁，實現智能車的自動起跑和停車。

人機交互模塊包括OLED 顯示屏、按鍵和撥碼開關。單片機通過SPI 通信方式可以在OLED 屏上顯示當前電量、速度、電磁信號偏差等信息，這讓使用者清楚了解智能車當前的狀態；按鍵與撥碼開關，兩者觸發信號的原理基本相：同接通時，與之相連的單片機接口接收一個低電平單片機即收到信號。按鍵用于微調參數，利于調整智能車形態，撥碼開關用于選擇工作模式，進行控制策略選擇，適應不同環境運行。

3 控制項目的方案選擇

3.1 傳感器布置方案

傳感器布置在與智能車行駛方向垂直并距車前方25 cm 左右的平面上，左右兩邊對稱布置4 個電感傳感器。與地垂直的兩個電感距離為20 cm，高度為17 cm，主要用來識別圓環路徑；與地面平行的兩個電感距離為23 cm，高度為17 cm，主要用來檢測其他路徑。

3.2 偏差計算方案

經過實驗得出，左右兩端電感的偏差值隨著與電磁引導線（在道路中間）距離的增加而增加，隨著與電磁引導線距離的減小而減小。本文采取的偏差計算是差比和，差比和是將左右對稱位置的電感值之差比上兩電感值之和。具體差比和偏差計算公式如下：

∕∕偏差量

dir_error=2000*(AD_va1_2-AD_va1_1)∕(AD_va1_2+AD_va1_1)；

3.3 核心算法

本智能小車采取的核心算法是目前最為典型的傳統反饋控制，以結構簡單、穩定性高和魯棒性好等優點的增量式數字PID[5]。具體的表達式如下：

為了便于計算機實現PID，表達式改為離散式。程序源碼如下：

turnpwm=(int16)(DuoP*dir_error+DuoD*(dir_errordir_error_pre))；

3.4 輸出控制方案

本文使用的輸出方案為一萬向前輪和分別由兩個電機控制的兩個后輪，方向由兩后輪的轉速差決定。電機控制需要滿足靈活操控、電機死區小、扭矩高、效能高等要求。所以電機選擇了RS380馬達。空載電流小于630 mA，最大功率大于20 W，空載轉速（15 000±3 000）r ∕min。

3.5 速度閉環控制測量方案

在控制上采用了速度閉環控制，采用編碼器測量電機實際轉速，實現更精確的控制。編碼器采用逐飛科技的Mini1024Z 編碼器。該編碼器的工作電壓為3.3～5 V；工作電流為13.6 mA；輸出脈沖數為1 024 線；自帶方向輸出功能，Dir 為轉動方向引腳、LSB 為步進脈沖引腳、Z相為零位引腳。

4 軟件設計

4.1 程序基本結構框架

首先程序上電運行，便開始單片機的初始化。初始化中分為兩部分，一部分是對單片機各個需要應用的模塊進行初始化。另一部分則為應用程序的初始化，是對控制算法程序中所設置的變量值進行定義初始化。

每當10 ms 時觸發一次定時器中斷，進入定時器中斷服務函數，dcnt 變量加1，變量dcnt 等于1，進入方向環。采集4 路當前道路交變磁場信號，進行判斷當前智能小車所處位置，計算得出當前方向環PWM脈沖寬度調制的值，并將PWM輸出給電機進行控制，清除定時器中斷標志位以退出中斷服務函數。

將速度環與方向環1∶1 加權相加得出最終控制電機的PWM，并且方向環的PWM 值每40 ms 變化兩次輸出，速度環控制每40 ms 變化一次輸出。由此來降低速度環對方向環的干擾，提高三輪智能小車的轉向靈活性和直道速度。

當下一個10 ms 觸發定時器中斷時，進入定時器中斷服務函數，dcnt 變量加1，dcnt 等于2 時，速度環計數變量speedcnt 加1，變量dcnt 清零。當速度環計數變量speedcnt 為2 時，進入速度環控制。訪問FTM 計數器模塊，返回編碼器脈沖計數值，將編碼器脈沖的計數值與目標速度進行比較并計算出速度環的PWM值。

本程序是基于逐飛的庫函數[6]進行開發，控制流程如圖6所示。

圖6 程序控制流程

4.2 方向控制環設計

為了避免在多彎道和急彎的情境下出現轉向不足，這時不采取PID 轉向，而用最大轉向PWM 直接輸出，以彌補轉向不足，即所謂的丟線處理[7-8]。圓環路徑控制采取將電感歸一化最大值限制解除、仍限制最小值的策略，同時將圓環元素分割為5大部分并設置成dirflag（環島標志位）：1 為檢測到圓環并開始圓環直道輔助程序，進行檢測識別圓環為左環還是右環；2為檢測圓環中心；3為檢測圓環入口，進圓環控制；4 為檢測是否進環成功，停止進環控制；5為識別出環口，避免再次入環；0為回歸正常道路清零。

4.3 速度控制環設計

速度控制直接決定道路行駛效率。速度環首先利用編碼器采集兩個驅動輪實際轉速并檢測Dir 轉動方向。將兩個驅動輪的速度取平均得到車模當前實際速度，將當前速度與上一次速度帶入PD公式中計算當前速度控制PWM[9-10]。將本次速度記錄為上次速度。由于電機死區特性的存在，所以在加上測量的電機死區值彌補速度控制環輸出。

檢測到無方向環輸出時，判定小車當前行駛為直道，速度環按設定的速度全速輸出，以提高速度。當方向環輸出較大時，判定當前小車行駛至彎道，由于直道速度電機功率幾乎等于額定功率，所以在彎道時需要降低速度環輸出，提高轉向靈活性。彎道速度環設定為額定功率的70%。

5 測試與結果分析

實際制作的智能小車如圖7所示。測試用道路采用PVC耐磨塑膠地板材料制作，道路中心鋪設了一條直徑為0.1～1.0 mm 的漆包線，接入道路電源（20 kHz、100 mA的交變電流）作為電磁引導線產生變化磁場。道路的寬度為45 cm，相鄰的兩條道路的邊緣相距不小于15 cm，含有彎道、直道、十字交叉路口、圓環、起止線等道路元素，道路曲線的曲率半徑不小于50 cm，道路總長度為57 m。

圖7 實際制作的智能三輪小車

在各種閥值和參數都調整到最佳后，測試了3 次，走完全程平均用時13 s，且運行平穩，控制良好，沒有行駛出邊界。

實際測試結果表明：電磁循跡技術成熟可用；本次設計的控制方案、各電路模塊設計選擇合理、經濟實用[11-12]；基于S9KEA128AMLK 單片機開發的C 語言控制軟件高效可行；小車整體性能優良，能順利實現自動循跡。

6 結束語

本次設計的智能小車整體系統由3 大系統組成，包括機械系統、電路硬件系統和軟件程序系統。其中硬件部分包括無線充電接收模塊、電磁信號采集模塊、起止線檢測模塊、紅外避障模塊、超級電容模組、單電機驅動模塊、電源管理及整車控制模塊和主控最小系統模塊。軟件部分包括歸一化所采集的路面信息，使用PID 等控制方法處理復雜的道路元素以及信號，將其轉化為線性規律的數據，并計算出當前控制量。最后的實測結果表明：電磁循跡技術成熟可用，本文的控制方案、各電路模塊設計選擇合理、經濟實用，小車整體性能優良，能順利實現自動循跡。