電磁智能車原理

隨著計算機、微電子等技術(shù)的快速發(fā)展，智能化技術(shù)的開發(fā)越來越成熟，應(yīng)用的范圍也得到了極大的擴展。目前，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高、對自動化技術(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)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。世界上許多國家都在積極進行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計，其中如何控制智能車在跑道上跑的更快更穩(wěn)定一直是一個研究的重要課題。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計

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交互模塊等幾部分組成。主控模塊以MC9S12XS128單片機為核心控制部件，主要負責(zé)完成各種傳感器信息的采集、小車的賽道識別、速度規(guī)劃與運動控制，以及必要的人機交互功能；傳感器模塊主要負責(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、干簧管檢測起始線位置、光電編碼器檢測車模速度等；底層控制模塊負責(zé)執(zhí)行主控模塊發(fā)出的PWM運動控制指令，實現(xiàn)小車的前進與轉(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；人機交互模塊主要包括撥碼開關(guān)、LED燈、蜂鳴器、鍵盤、液晶顯示器、SD卡、無線通信模塊和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、舵機控制、電機控制等。其中賽道提取是軟件設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是根據(jù)電感線圈檢測信號確定當(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)。而舵機控制就是指賽車的方向控制，它以賽車車體為參考系，通過小車與賽道中心線的位置偏差來設(shè)計增量式PD控制器，以此得到控制舵機的PWM波占空比；舵機驅(qū)動車模前輪轉(zhuǎn)向，使賽車中心線始終逼近電磁導(dǎo)引線。電機控制就是指賽車的速度控制，其期望速度來源于速度規(guī)劃環(huán)節(jié)，實際轉(zhuǎn)速采用光電編碼器檢測，通過設(shè)計增量式的PI控制和BANGBANG控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)對賽車速度的閉環(huán)控制。

3基于分段擬合與動態(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個水平線圈1~4分別排布在車模前上方左右對稱的-10 cm、-5 cm、5 cm、10 cm處；最外側(cè)對稱排布著傾斜角度為45°的線圈5和線圈6；各線圈檢測到的感應(yīng)電動勢分別用E1、E2、E3、E4、E5、E6表示。

如圖5所示，基于分段擬合與動態(tài)加權(quán)的賽道位置解算方法的基本思想為：首先采集6個線圈的感應(yīng)電動勢（E1~E6）并對其進行比較，當(dāng)E2或E3最大時，表明小車與賽道的偏離距離d∈［－10 cm,10 cm］區(qū)間，此時將采用四水平線圈檢測的感應(yīng)電動勢E1~E4進行三次多項式擬合，并通過求極值的方法來解算賽道偏移位置d1；而當(dāng)E1最大時，表明小車與賽道的偏離距離d∈［－20 cm,－10 cm)區(qū)間，此時將利用感應(yīng)電動勢E1，通過離線擬合的線性函數(shù)來解算賽道偏移位置d1；同理，當(dāng)E4最大時，表明小車與賽道的偏離距離d∈(10 cm,20 cm］區(qū)間，此時也將利用感應(yīng)電動勢E4,通過離線擬合的線性函數(shù)來解算賽道偏移位置d1；與此同時，還要根據(jù)兩側(cè)內(nèi)八字斜電感的感應(yīng)電動勢E5和E6，利用差值法來解算賽道偏移位置，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的計算公式為：

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

4實車試驗結(jié)果及分析

為了驗證本文工作的有效性，筆者搭建了一臺實驗用電磁小車,并進行了大量的實車測試。

試驗結(jié)果表明，當(dāng)小車在直道上行駛時，由于線圈2和線圈3距離導(dǎo)引線較近，感應(yīng)電動勢E2+E3大約在170以上，此時主要由三次多項式擬合來解算賽道位置偏差；而當(dāng)小車在彎道行駛時，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)電動勢之和越小，相應(yīng)地α值越小，此時三次多項式擬合的權(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彎道的檢測更為敏感，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，中間兩個線圈的感應(yīng)電動勢之和連續(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)性問題。圖6給出了小車在經(jīng)過直角彎的過程中，采用未加權(quán)求和進行賽道位置解算與采用加權(quán)求和進行賽道位置解算的直角彎位置偏差變化對比圖。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，有效地減弱了由直道進入直角彎的突變性，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)此進行速度規(guī)劃和運動控制。另外還可以避免彎道與直角判斷條件的沖突，增強了算法的環(huán)境適應(yīng)性。

5結(jié)論

本文以電磁導(dǎo)引智能車為研究對象，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和軟件框架。針對復(fù)雜賽道元素識別問題，提出了一種基于分段擬合建模與動態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法。試驗結(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不同路徑快速穩(wěn)定地運行。