基于麦克斯韦电磁场理论的智能车精确控制设计

杨明

【摘 要】该设计基于直立二轮电磁车以KEA128作为核心处理器，通过MPU6050测量的数据反馈计算得出小车当前姿态信息，并通过电感检测磁场的大小，程序计算小车出于的赛道中心的偏移量，经过滤波，最后通过PID算法产生输出量控制小车左右轮的转速，使小车保持正常直立前行姿态且稳定的速度沿着铺设铜线的赛道运行。实验通过调整程序参数，最终使小车在一定速度的范围内都能够很稳定的完成赛道全程。

【关键字】智能车;直立行走;自动寻迹;PID控制

中图分类号： U463.6 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）04-0121-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.048

Precise Control Design of Intelligent Vehicle Based on Maxwells Electromagnetic Field Theory

YANG Ming

（Anhui University of Finance and Economics， Bengbu Anhui  233030， China）

【Abstract】The design is based on the vertical two-wheeled electromagnetic vehicle KEA128 as the core processor. The current attitude information of the car is calculated by data feedback from MPU6050 measurement. The magnetic field is detected by inductance. The program calculates the offset of the car from the track center. After filtering， the output is generated by the PID algorithm to control the speed of the car's left and right wheels so as to keep the car normal. Stand upright and move at a steady speed along a copper-wire track. By adjusting the parameters of the program， the car can finish the whole course of the track stably in a certain speed range.

【Key words】Intelligent vehicle; Upright walking; Automatic tracking; PID control

随着自动化系统的日益发展，要求生产过程中在脱离人工干预的情况下，系统可以自动完成预期任务。二轮直立车和自主寻迹已经成为生产生活中的趋势。采用KEA128作为处理器，以其高速的运算速度，多元化的功能，完备的适应环境可以很好的接受各类传感器收集的数据、经程序处理将收集数据转换为需要的控制参数并处理得出最后的输出量用以及时控制左右电机的转速，完成二轮车的直立、速度和转向的综合控制。

1 直立控制

直立原理 直立二轮车可以看做是一个倒立的单摆。当其偏离平衡位置时，其受力如图所示，这时候物体所受合力F=mgsinθ，方向向左，这个力使得物体最终回到平衡位置，但是物體并非在平衡位置立刻静止，而是在平衡位置做阻尼振动，经过一段时间后才能最终静止，所经过的时间则是由阻尼力（空气阻力）的大小决定，阻尼力与回复时间成反比。最终确定了物体静止在平衡位置的两个条件：

（1）与物体偏离平衡位置角度相反的回复力

（2）与物体恢复时角速度相反的阻尼力

当然倒立的单摆并不能像一般单摆那样的简单，是因为物体运动的方向和所受回复力的方向相同，加速物体偏离平衡位置。但是可以通过增加额外力的方法来改变回复力的方向，F=mgsinθ-macosθ，由此可以看出小车的平衡是依靠电机加减速控制的。

直立控制 二轮车想要保持直立静止状态，其重心就必须在车轮与地面的接触面上。当小车偏离平衡位置时，通过MPU6050的数据反馈可以得出小车当前的姿态即角度和角速度，向左偏离还是向右偏离，通过控制电机的转速和转向使小车加减速，从而实现小车的平衡。

2 速度控制

速度原理 在四轮车或三轮车的速度控制上，是采用控制电机的转速来直接控制小车的速度的，因为由F=kv2可知小车的速度越快，所受的空气阻力越大，为了能够达到预定速度，电机必须为为小车提供足够的力来克服阻力，当然这力是通过轮胎与地面的摩擦力间接作用的。但是二轮车的控制在于如果直接控制电机转速控制速度会直接导致小车的平衡的破坏，或者是在小车直立控制下，速度的控制会没有效果，这种更为常见，所以速度控制就不仅仅控制电机输出那么简单。由于平衡车的不平衡状态的合力是向左或右的，所以速度控制采用控制小车的倾斜角间接控制。倾斜角越大小车速度就可以越快，同样的弊端便是其速度上限和加速度的大小都是由其质量和倾斜角决定，这很大程度上限制了小车的机动性。

速度控制 通过编码器记录的脉冲数再通过KEA128对数据的及时收集和清零，就可以测出小车担当前的速度，再通过调节小车的倾斜角来实现对小车速度的控制。当然这里的控制与一般的PID控制不同，速度控制需要采用串级PID控制，意思是将速度的控制量反馈到直立控制上，由控制角度来间接控制速度，由于直立控制也是负反馈，也可以将速度控制转换为正反馈直接反馈到电机上。

3 转向控制

转向原理 根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过电感检测相应位置的电磁场的强度和方向可以反过来计算出距离导线的空间位置。由于轨迹上导引电线和小车尺寸都远远小于电磁波的波长， 电磁场辐射能量很小，所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此，我们将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场， 按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，然后将结果应用到交变的条件下，从而进行位置检测。

转向控制 二轮车只有当左右轮的转速相同时才能保持直线行驶，当左右轮子速度不同时，不仅可以实现转向还能够通过程序控制来实现不同的弯道。所以当小车前瞻的电感检测值反馈到处理器上，经过处理便可以计算出小车偏离中心线的位置，经过PID算法的计算，确定左右电机应保证多大的输出差才能够使得小车能够回到中心位置。

4 PID算法应用

算法简介 在自动化系统中，若想系统能够稳定的维持在一个预期的状态，就必须将能够根据当前的状态进行调节，并且能够自适应各种外界环境的变化。这里就涉及了几个重要因素：输入量、输出量、当前状态、预期状态;根据当前的状态和预期状态的差，调节输入量来控制输出量，从而使当前状态迫近预期状态。这就最终形成了PID算法。PID的分别是比例、积分、微分控制，通过测量元件将系统状态反馈给处理器，处理器根据目的值与测量值结合其比例、积分、微分计算出执行机构的输出量，执行机构根据输出量作出反应，反复操作后最终使系统状态趋近于预期目标。

串级PID是PID的一种延伸，是将整个系统分为内外环，以外环作为主，内环为辅，外环进行细调，内环进行粗调，从而起到超前控制的效果。

小车应用 想要小车在人为不干预的情况下，能够稳定前行，就要使用PID算法，而作为直立小车的三个主要的控制：直立、速度、转向，当然也是应用了该算法。

4.1 直立PID

在通过MPU6050测回小车的角度和角速度后，经过滤波处理，除去噪音，就可以得到当前较为准确的值，而后由下列公式则可以算出控制直立所需要的输出量。这里的PID我们只用到P、D控制角度输出=（设定角度-当前角度）*角度P+（设定角速度-当前角速度）*角度D;

4.2 速度PID

在控制速度是采用了控制直立的方法控制角度间接控制速度的，这里就不能采用正常的PID了，而是采用串级PID。首先利用编码器将速度测回，并转换为相应的速度大小，然后经过平滑滤波，但这里采用的是P、I控制

速度输出=（设定速度-当前速度）*速度P+每次速度差的积累*速度I;

将速度输出串入到角度中去得出

新角度输出=（设定角度-当前角度-速度输出）*角度P+（设定角速度-當前角速度-速度输出）*角度D=原角度输出-（角度P+角度D）*速度输出

4.3 转向PID

小车的前瞻是用来测量小车偏离正常轨道的位置的，且比车轮长几十厘米留以足够的时间让处理器处理反应。通过左右电感值，归一化后就可以用简单的差比和算出偏离中心位置的距离，还用到了小车转向使所产生的转向角速度，这通过MPU6050测回的，这里采用P、D控制转向输出=距离*转向P+转向角度速度*转向D;

5 综合控制

小车的所有控制最终都是通过电机的输出作为最终体现的，而根据每个部分的影响不同咋控制周期也就各不相同。例如：直立控制4ms一次，速度控制10ms一次，转向控制20ms一次，最终左右电机的输出为：

左电机=角度输出-速度输出+转向输出

右电机=角度输出-速度输出-转向输出

6 结语

直立二轮电磁车是直立与寻迹的结合体，在其软硬件结合、各个模块协调工作的状态下，实验测试可以独立自主的完成预定赛道并且具有一定的抗干扰能力，是很具有发展的一项技术，也拥有很大的前景！

【参考文献】

[1]平衡直立车模设计参考方案2011.

[2]王靖宇.自动导引车控制系统的研究与实现[D].西安工业大学，2011.

[3]包旭，范钦满.电磁环境下的车模寻迹系统研究[D].科技信息，2013.

[4]侯代坡.两轮直立电磁导航智能车的研究与实现[D].兰州理工大学，2013.