電磁智能車原理

隨著計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)的快速發(fā)展，智能化技術(shù)的開(kāi)發(fā)越來(lái)越成熟，應(yīng)用的范圍也得到了極大的擴(kuò)展。目前，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高、對(duì)自動(dòng)化技術(shù)要求不斷加深的環(huán)境下，智能車以及在智能車的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品已成為自動(dòng)化物流運(yùn)輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。世界上許多國(guó)家都在積極進(jìn)行智能車輛的研究和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，其中如何控制智能車在跑道上跑的更快更穩(wěn)定一直是一個(gè)研究的重要課題。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

電磁導(dǎo)引小車總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由主控模塊、傳感器模塊、底層控制模塊、電源管理模塊和人機(jī)交互模塊等幾部分組成。主控模塊以MC9S12XS128單片機(jī)為核心控制部件，主要負(fù)責(zé)完成各種傳感器信息的采集、小車的賽道識(shí)別、速度規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制，以及必要的人機(jī)交互功能；傳感器模塊主要負(fù)責(zé)感知外部世界的環(huán)境信息與小車自身的狀態(tài)信息，如利用電磁傳感器獲取賽道信息、干簧管檢測(cè)起始線位置、光電編碼器檢測(cè)車模速度等；底層控制模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行主控模塊發(fā)出的PWM運(yùn)動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)與轉(zhuǎn)向；電源管理模塊采用7.2 V/2 000 mAh的鎳鎘電池供電，并通過(guò)DC-DC穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換模塊向系統(tǒng)中各功能模塊提供所需的電源電壓；人機(jī)交互模塊主要包括撥碼開(kāi)關(guān)、LED燈、蜂鳴器、鍵盤、液晶顯示器、SD卡、無(wú)線通信模塊和BDM調(diào)試模塊等，以方便用戶調(diào)試和監(jiān)控。

2軟件系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)軟件如圖3所示，其核心部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)獲取、賽道提取、舵機(jī)控制、電機(jī)控制等。其中賽道提取是軟件設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是根據(jù)電感線圈檢測(cè)信號(hào)確定當(dāng)前賽道的類型和車—路關(guān)系，為小車的方向控制和速度控制提供依據(jù)。而舵機(jī)控制就是指賽車的方向控制，它以賽車車體為參考系，通過(guò)小車與賽道中心線的位置偏差來(lái)設(shè)計(jì)增量式PD控制器，以此得到控制舵機(jī)的PWM波占空比；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)車模前輪轉(zhuǎn)向，使賽車中心線始終逼近電磁導(dǎo)引線。電機(jī)控制就是指賽車的速度控制，其期望速度來(lái)源于速度規(guī)劃環(huán)節(jié)，實(shí)際轉(zhuǎn)速采用光電編碼器檢測(cè)，通過(guò)設(shè)計(jì)增量式的PI控制和BANGBANG控制相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)賽車速度的閉環(huán)控制。

3基于分段擬合與動(dòng)態(tài)加權(quán)的賽道位置解算

綜合考慮電磁組中的小S彎、大S彎、十字交叉、大回環(huán)、坡道，以及直角彎等各種復(fù)雜賽道元素［5］，本文提出了一種基于分段擬合與動(dòng)態(tài)加權(quán)的賽道位置解算方法。該方法采用“四橫兩斜”的混合線圈排布方案，具體如圖4所示。圖中，4個(gè)水平線圈1~4分別排布在車模前上方左右對(duì)稱的-10 cm、-5 cm、5 cm、10 cm處；最外側(cè)對(duì)稱排布著傾斜角度為45°的線圈5和線圈6；各線圈檢測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別用E1、E2、E3、E4、E5、E6表示。

如圖5所示，基于分段擬合與動(dòng)態(tài)加權(quán)的賽道位置解算方法的基本思想為：首先采集6個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（E1~E6）并對(duì)其進(jìn)行比較，當(dāng)E2或E3最大時(shí)，表明小車與賽道的偏離距離d∈［－10 cm,10 cm］區(qū)間，此時(shí)將采用四水平線圈檢測(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1~E4進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，并通過(guò)求極值的方法來(lái)解算賽道偏移位置d1；而當(dāng)E1最大時(shí)，表明小車與賽道的偏離距離d∈［－20 cm,－10 cm)區(qū)間，此時(shí)將利用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1，通過(guò)離線擬合的線性函數(shù)來(lái)解算賽道偏移位置d1；同理，當(dāng)E4最大時(shí)，表明小車與賽道的偏離距離d∈(10 cm,20 cm］區(qū)間，此時(shí)也將利用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E4,通過(guò)離線擬合的線性函數(shù)來(lái)解算賽道偏移位置d1；與此同時(shí)，還要根據(jù)兩側(cè)內(nèi)八字斜電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E5和E6，利用差值法來(lái)解算賽道偏移位置，并將其記為d2；最后將d1與d2加權(quán)求和，即可得到最終的賽道偏移位置為:

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其中，α為權(quán)重系數(shù)，α∈［0,1］。α的計(jì)算公式為：

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式中，T為閾值，其值需根據(jù)實(shí)際制作的車模以及賽道的復(fù)雜程度進(jìn)行確定。為了兼顧直角彎、大回環(huán)等特殊賽道元素，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，本文取T=160。

4實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文工作的有效性，筆者搭建了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用電磁小車,并進(jìn)行了大量的實(shí)車測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)小車在直道上行駛時(shí)，由于線圈2和線圈3距離導(dǎo)引線較近，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2+E3大約在170以上，此時(shí)主要由三次多項(xiàng)式擬合來(lái)解算賽道位置偏差；而當(dāng)小車在彎道行駛時(shí)，由于線圈2和線圈3偏離導(dǎo)引線，偏離程度越大其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和越小，相應(yīng)地α值越小，此時(shí)三次多項(xiàng)式擬合的權(quán)重逐漸減小，雙斜電感差值法的權(quán)重逐漸加大。由于雙斜電感差值法對(duì)彎道的檢測(cè)更為敏感，所以增加了轉(zhuǎn)彎的靈敏性。特別地，當(dāng)小車行駛至直角彎時(shí)，中間兩個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和連續(xù)遞減，相應(yīng)地其權(quán)重也線性遞減，很好地解決了直角彎的連續(xù)性問(wèn)題。圖6給出了小車在經(jīng)過(guò)直角彎的過(guò)程中，采用未加權(quán)求和進(jìn)行賽道位置解算與采用加權(quán)求和進(jìn)行賽道位置解算的直角彎位置偏差變化對(duì)比圖。由圖6可知，采用加權(quán)算法求得的直角位置偏差連續(xù)性增強(qiáng)，有效地減弱了由直道進(jìn)入直角彎的突變性，從而可以利用位置以及位置偏差的變化量判斷出賽道類型，據(jù)此進(jìn)行速度規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制。另外還可以避免彎道與直角判斷條件的沖突，增強(qiáng)了算法的環(huán)境適應(yīng)性。

5結(jié)論

本文以電磁導(dǎo)引智能車為研究對(duì)象，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和軟件框架。針對(duì)復(fù)雜賽道元素識(shí)別問(wèn)題，提出了一種基于分段擬合建模與動(dòng)態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，以此制作的電磁小車可以針對(duì)不同路徑快速穩(wěn)定地運(yùn)行。