电磁导向智能车设计探讨

鞠宝锋等

摘要：文章主要介绍了以MK60DN512VLQ10微控制器为核心控制单元的电磁导向智能车。其使用6*8mm 10mH工字型电感进行路况采集，通过舵机打角、双电机差速实现对智能车方向控制和速度控制；采用干簧管对起跑线进行检测，实现停车控制。电磁导向智能车的设计及开发过程中主要涉及车模机械结构调整、控制算法的开发、信号采集放大电路和电机驱动电路的设计。

关键词：微控制器；智能车；电磁导向；PID；电磁传感器 文献标识码：A

中图分类号：TP242 文章编号：1009-2374（2015）25-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.007

1 设计思路及方案的总体说明

电磁引导智能汽车利用麦克斯韦电磁场理论，通过100MA的电磁传感器采集线交流电产生的电磁场测试路径。电感采集的电压经过信号放大、检波和整流输入单片机，实现对中心线的提取。智能车采用PID进行速度控制，PD进行方向控制。其通过中心线的提取判断车身角度，并结合路况的不同，通过舵机打角、电机差速为小车选取最优路径。

根据智能车系统的基本要求，我们设计了系统结构图，如图1所示：

2 机械结构设计

2.1 主销后倾角

主销后倾角安装在前轴，主销上面稍微向后倾斜角度。它使车辆离心力形成产生的转矩和车轮的方向相反的方向转变，迫使车轮偏转后自动恢复到其原始位置在中间。主销后倾角较大，速度越高，前轮的稳定性更好。汽车主销内倾和连铸机自动校正，维持一个连续函数。调整主销后倾角为1°～3°。

2.2 主销内倾角

主销内倾是内置的主销内倾角，前角略其作用在于前轮自动回正，掩埋的前轮自动回大点的积极作用，而且越猛越费力，轮胎磨损增大角度；相反，前轮自动回正少作用越弱。主销后倾角调节一般不超过8°。

2.3 前轮外倾角

在汽车横向平面内，前轮外倾角中心策略，作为平前轮外倾。使前轮外倾，一方面对垂直滚动的车轮在路面，减小阻力，滑动小车向前；另一方面减小轴承锁紧螺母和货物，增加寿命，提高安全水平。前轮外倾通常为1°左右，但高速急转弯到汽车前轮外倾，甚至可以减少负。

2.4 前轮前束

看下面的轮子，汽车的两个前轮的转动平面不平行，但小的角度来看，这种现象称为前轮前束。车轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不良后果，二者相互协调，使前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。本智能车将主销后倾设为最大来获得足够的稳定性，适当的主销内倾，前轮外倾保持0°和微前束。

2.5 传感器的安装

通过实验我们得出：增大智能车的前瞻，可以使小车预判提前，留给单片机更多调整小车的时间，但前瞻过长会造成车体转弯后摆，因此选择坚固、较轻的支架架设传感器并且选择合适的前瞻距离，才会使小车获得足够的预判和合理的重心。采用尽量架宽传感器的方案，以获得丰富的车道信息，并且提前预知车道形状。对称水平电感只能实现直道和一般弯道的检测，为实现对多样道路的检测，应采用水平与竖直电感相结合的布置方案。电感一定要尽可能水平放置，减小数据采集

误差。

3 硬件系统设计及实现

3.1 单片机最小系统板

MK60DN512VLQ10是K60系列MCU。Kinetis系列微控制器是Cortex-M4系列的内核芯片。最小系统使用K60 144PIN封装，为节省电路板空间，主板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括PWM接口、计数器接口、外部中断接口、若干普通IO接口，如图2所示：

3.2 电源模块

采用lm2940将7.2V电源电压变为5V供给电机驱动与舵机（如图3所示），用lm1117将5V电压变为3.3V供给单片机与LCD（如图4所示）。

3.3 放大电路和检波电路的设计

因为电感感应出的电动势非常小，且是差分信号，所以必须把电感采集的数据进行放大、整流、滤波，然后将信号输给单片机。放大电路采用LM386集成电路放大、整流、滤波，如电路图5所示：

3.4 电机驱动模块设计

电机驱动模块采用BTS7960，该芯片带有电流检测与诊断，压摆率调整，死区保护，过热、过压、过流和短路保护，能够支持高达25kHz的PWM输入，具有极低的内阻的特点。电机驱动模块电路图6：

4 软件系统设计及实现

4.1 赛道信息的采集及数据归一化处理

4.1.1 赛道信息的获取。通过模拟测试。根据收集到的A/D值、合理的操作和导体的位置判断，这种方法使空间分辨率可达2毫米，对当前的变化影响较小，适合汽车稳定性测试需求。

4.1.2 数据归一化处理。将A/D的值做数据归一化，计算出各个传感器的相对位置，通过加权的方式最后计算出导线的位置，信号归一化的公式如下：

相对值=[（测量值-最低值）/（最高电压-最低电压）]*100%

4.2 控制算法

4.2.1 舵机的PD控制。根据电磁传感器采集到的偏移量，利用前后几次偏移量之差进行PD控制。

舵机转角为：

α=Kp*b+Kd*Diff

式中：Kp为比例系数；b为相对于中心的偏移量；Kd为积分系数；Diff为位置微分量。

4.2.2 电机的PID控制。对于速度控制，采用了增量式PID控制算法，基本思想是直道加速，弯道减速。对于速度的控制策略：在小偏差范围内不进行差速处理，只由舵机打角进行车身校正，当小车偏离车道较大时，根据给定小车的运行速度，两车轮轮速配合舵机打角适当差速的控制方法，偏大车身晃动而造成的速度丢失，同时保证了直道上的直线行驶。

5 结语

本文是基于MK60DN512VLQ10单片机，电磁信号基础上讨论一种电磁导向智能车，涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，以实现让车模能够自动寻迹并自动控制运动，最终实现小车智能化。电磁导向智能车是未来汽车发展的一个

方向。

参考文献

[1] 卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 蔡述庭.“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛设计与实践——基于S12XS和KinetisK10[M].北京：北京航空航天出版社，2012.

作者简介：鞠宝锋（1992-），男，山东潍坊人，山东理工大学学生，研究方向：车辆工程。

（责任编辑：周 琼）