楊陽,蘭一星,袁靖

(樂山師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院,樂山 614000)

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基于電磁場(chǎng)尋線智能車傳感器的布局及控制策略

楊陽,蘭一星,袁靖

(樂山師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院,樂山 614000)

本設(shè)計(jì)是以“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽為背景的電磁場(chǎng)檢測(cè)的尋線智能汽車。系統(tǒng)的特點(diǎn)是充分利用磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器的布局來識(shí)別路徑，以達(dá)到在速度較快的情況下控制小車的舵機(jī)轉(zhuǎn)向。本文主要介紹了傳感器的布局方法和轉(zhuǎn)向與速度的控制策略。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的傳感器布局和控制策略能較好地互補(bǔ)，使小車達(dá)到最佳狀態(tài)。

智能車；電磁傳感器；舵機(jī)控制；PID算法

引 言

以通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)智能車進(jìn)行引導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)在于不受光線、溫度、濕度的影響，外界干擾小，控制可靠。但是以往的電磁車的傳感器布局一般為單排，其缺點(diǎn)是只能確定傳感器相對(duì)于賽道中心的位置而不容易判斷出車身的位置，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向時(shí)不能得到最佳的控制策略。因此本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)了雙排傳感器的方案。理論分析和實(shí)踐證明，雙排傳感器的布局方法比單排傳感器信息量大，控制線性化好，轉(zhuǎn)向和速度更為優(yōu)化。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 基本原理

根據(jù)電磁學(xué)基本理論，我們知道比賽賽道上的導(dǎo)線在通入了20 Hz、100 mA的電流后產(chǎn)生磁場(chǎng)。

在此穩(wěn)恒磁場(chǎng)中放置一電感線圈，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。公式如下：

其中k為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個(gè)量。該公式說明，在導(dǎo)線周圍不同位置，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向不同，電磁傳感器在不同位置獲得的信號(hào)強(qiáng)度也不同，由此可以確定賽車前方的轉(zhuǎn)向和車身當(dāng)前位置。

1.2 本車傳感器的布局及設(shè)計(jì)

圖1 傳感器布局圖

我們?cè)谛≤嚽胺?0 cm采用三個(gè)電感線圈與中心導(dǎo)線相垂直、兩個(gè)電感線圈與中心導(dǎo)線相平行的方式來布局，主要用于判斷小車將要進(jìn)入的賽道道路彎曲程度和路況。在小車前方15 cm處與中心導(dǎo)線相垂直的方向放置兩個(gè)電感線圈，來判斷小車車身當(dāng)前偏離中心線的位置，還可以判斷車子是入彎還是出彎。整個(gè)系統(tǒng)電磁檢測(cè)傳感器的布局如圖1所示。

圖2 垂直布局傳感器感應(yīng)電勢(shì)與中心導(dǎo)線的位置關(guān)系

當(dāng)車模在直道上從左至右水平移動(dòng)時(shí)，前排和后排垂直放置傳感器的感應(yīng)電勢(shì)值與中心導(dǎo)線的位置關(guān)系如圖2所示。數(shù)據(jù)均經(jīng)過了濾波、限幅和歸一化處理。

圖4 放大和檢波電路原理圖

從圖2可以看出，傳感器垂直布局時(shí)，在直道上偏離中心線越遠(yuǎn)，感應(yīng)電勢(shì)值越小。采用多個(gè)傳感器對(duì)稱布局而不是單一傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能計(jì)算偏離距離，而且能得出偏離方向，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

前排另外兩個(gè)電感線圈水平豎直放置，在直道上與賽道中心導(dǎo)線成平行方向，因此其在直道上所感應(yīng)電勢(shì)值較小，如圖3所示。而在彎道上，由于與中心導(dǎo)線具有一定角度不再平行，這兩個(gè)電感線圈感應(yīng)電勢(shì)的絕對(duì)值和變化率均變得較大，所以用其檢測(cè)前方道路彎曲程度和小車面臨轉(zhuǎn)向角度是可以考慮的較好方案。

圖3 平行布局傳感器感應(yīng)電勢(shì)與中心導(dǎo)線的位置關(guān)系

2 數(shù)據(jù)采集和處理

2.1 檢測(cè)信號(hào)采集

為了能不失真且放大倍數(shù)較大，在經(jīng)過了三極管分立元件、LM386集成運(yùn)放和NE5532的測(cè)試后決定用NE5532來作為磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)的放大模塊，并用肖特基二極管在作為檢波元件，其原理圖見圖4。

放大倍數(shù)決定于可調(diào)電位器P2的值比上R1的阻值(10 kΩ)，是可以調(diào)節(jié)的。一般將信號(hào)放大300倍,使其最大值達(dá)到3～5 V較為理想。

2.2 檢測(cè)信號(hào)處理

經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換存入單片機(jī)的采集數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理才能用于控制。首先，針對(duì)磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)易受干擾的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均值濾波、限幅等處理；針對(duì)電感元件參數(shù)的雜散性和安裝誤差等情況，根據(jù)電感感應(yīng)電勢(shì)掃描的極大極小值對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理；根據(jù)關(guān)系曲線的畸變情況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了削頂限幅和修正補(bǔ)償。

3 轉(zhuǎn)向和速度控制策略

PD控制策略是智能汽車速度與轉(zhuǎn)角控制的較佳方案，但需將通常的PID控制算法進(jìn)行修正和完善。

在直道上，前排垂直布局的三個(gè)電感的感應(yīng)電勢(shì)的絕對(duì)值和變化率均較大，精度和靈敏度高，適合于將此三個(gè)電感線圈在磁場(chǎng)中感應(yīng)電勢(shì)的差值與和值的比值作為PD控制中的P值。采用差值與和值相除方式的優(yōu)點(diǎn)是可以不受上坡下坡時(shí)傳感器值異常的影響。

前排三個(gè)垂直對(duì)稱布局傳感器感應(yīng)電勢(shì)的和值與中心導(dǎo)線距離的關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?，中心線附近感應(yīng)電勢(shì)的和值變化較小，這與直道上小車稍微偏離中心線時(shí)，調(diào)整小車位置所需要的轉(zhuǎn)向角度不宜過大相適應(yīng)，否則容易引起小車行駛過程中振蕩。因此，和值適于用作小車的轉(zhuǎn)向控制。只是如前所述，需要對(duì)和值在中心線附近的畸變進(jìn)行削頂和修正。

圖5 對(duì)稱線圈感應(yīng)電勢(shì)和值與中心導(dǎo)線的距離關(guān)系

前排另外兩個(gè)電感平行于中心導(dǎo)線放置，其在直道上感應(yīng)電勢(shì)的值較小，在彎道上感應(yīng)電勢(shì)的絕對(duì)值和變化率卻較大，適合用于檢測(cè)彎道，因此在轉(zhuǎn)彎過程中將其加入PD控制算法來控制小車轉(zhuǎn)向。

通過后排兩個(gè)垂直布局電感的感應(yīng)電勢(shì)，可以判斷小車車身偏離中心線的位置，以及當(dāng)前車子是入彎還是出彎，其值適于作為PD控制算法中的D值。

在得到可靠的道路信息和車身位置后，就可以用合適的算法來計(jì)算舵機(jī)轉(zhuǎn)角，然后進(jìn)一步根據(jù)轉(zhuǎn)角的大小來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，見圖6。

圖6 信號(hào)處理及速度轉(zhuǎn)角控制圖

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圖7 節(jié)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試表明節(jié)點(diǎn)用于采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，檢測(cè)距離遠(yuǎn)并且運(yùn)行穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的通用性良好，組網(wǎng)方便，具有擴(kuò)充能力與發(fā)展余地，并可接入互聯(lián)網(wǎng)方便遠(yuǎn)程測(cè)控與資源共享，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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賈浩強(qiáng)(碩士生)，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)；李耀(碩士研究生導(dǎo)師)，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2013-12-26)

Sensor Layout and Control Strategy of Intelligence Automotive Based on Electromagnetic Field

Yang Yang, Lan Yixing, Yuan Jing

(College of Physics and Electronic Engineering, Leshan Normal University，Leshan 614000， China)

This design participates "Freescale" cup national smart car competition as the background design of electromagnetic detection line smart car. The characteristics of the system is to make full use of the magnetic field detection sensor layout to identify paths, in order to achieve the fast steering gear steering control under the condition of the car. This article mainly introduces the sensor layout method and the steering and speed control strategy. Experiments prove that the system of sensor layout and control strategy can complement each other, making the car achieve the best state.

smart car; electromagnetic sensors; steering gear control; PID algorithm

TP368.1

A

珍

2013-12-03)