石 强 唐 军 申 瑜 李 洋 张 强

(贵州大学电气工程学院 贵州 贵阳 550025)

基于超级电容的电磁节能智能小车的设计

石 强 唐 军 申 瑜 李 洋 张 强

(贵州大学电气工程学院 贵州 贵阳 550025)

智能小车的设计将会沿着速度更快，更加节能的方向发展。本文基于该趋势设计了一种以超级电容为电源，以电感作为路径识别的传感器的电磁节能小车。本文将从节能小车的系统方案，硬件电路，和路径识别以及软件的设计方面做出详细介绍。其中，本文会分别说明超级电容作为电源的优点，以及小车电机的选取和以及路径识别等。实验结果证明，本次设计的电磁节能小车在节能方面有着很好节能效果。

超级电容;节能;智能小车;路径识别

一、引言

智能小车的未来发展方向必然朝着速度更快，更加智能，以及更加节能的方向发展。经过多年的发展和设计，智能小车的设计在提高速度和智能化的方向已经取得了长足的进步，但是对于智能小车的节能设计才刚刚起步，因此而本文将重点放在小车的节能设计上。本文中的电磁节能小车由超级电容，电磁信号采集电路，恩智浦公司产的三十二位k60单片机，SD-5舵机，编码器以及直流无刷电机动力系统组成。电磁节能小车由电磁信号采集电路采集电路，然后通过路径识别算法由k60控制SD-5舵机控制方向，无刷直流电机结合编码器提供前进动力。因此电磁节能车的设计分为以下部分：1超级电容的电源部分。2电磁信号采集电路部分。3 K60单片机作为CPU。4舵机方向部分 5直流无刷电机和编码器组成动力反馈部分。

二、硬件电路图

电磁的智能节能小车的硬件电路设计主要要从节能的方面考虑。在的分析中，由于超级电容放电的非线性，所以在超级电容的后面会加上一个升降压模块TPS6070.

从实验可以得出，电磁节能车的电源硬件电路图总体可以大致分为两部分，第一部分为升降压模块TPS6070模块，这个模块的作用在于无论超级电容的电压无论高于或者低于目标电压时，在电压的上下限值的范围内，都能稳定输出目标电压，本文使用的TPS6070电压模块，有效的电压利用功率达到98%，工作电流可以达到2A，可以很好的满足我们的节能要求。第二部分为为各个子系统供电的供电部分，经过升降压模块稳定输出目标电压后，然后分别分别转换为各个子模块需要的电压。

三、路径识别算法

对于电磁节能智能小车的设计，优秀的路径识别的算法往往是比较重要的。综合各种路径以及节能的综合考虑，采用三路电感用于信号采集。对于电磁节能车，为了减少信号源不稳定的影响，在进行路径识别算法之前，我们要对原始信号进行滤波以及归一化处理，滤波的方法在于三路电感采集信号五十次，去除最大值和最小值，然后获取均值，这样可以防止信号突变带来的信号失真。滤波算法如下：

假定一路电感采集信号50次，得到的值为C1,C2,C3……C50。然后利用冒泡算法获取最大值以及最小值Cmax,Cmin。此时得到剩余N个值，然后利用均值算法得到我们最终的信号值C

(2)

与此同时为了减少信号源不稳定对路径识别算法的影响，采取归一化处理方式对信号进行处理。归一化处理如下：

C=(C-Cmin1)/(Cmax1-Cmin1)

(3)

其中:Cmin1和Cmax1表示剔除最大值和最小值后剩余的值之间的最大值和最小值。经过归一化处理过的信号将用于路径识别。一般的道路，如直道，弯道以及十字，只要得到偏差即可用于舵机控制。假定左边采集的电感信号为CL，中间电感采集的信号为Cm，右边采集的电感信号为Cr。

dy=100*(Cr-CL)/(Cr+CL)

(4)

对于圆环，由于环内的信号会出现相互抵消的情况，所以需要算法识别他。圆环识别和处理算法步骤如下：

(1)圆环前通常有一段直道，即S

(2)进入圆环时，由于左右电感和信号线平行，信号采集值会急速减小，根据大量实验，可以设定Slx以及Srx,当左路信号CL

(4)识别到圆环以后，还要出环，由于中间的电感是垂直放置，他进入圆环时信号会急速增大，但是在环内运动过程中，由于在圆环出口，中间电感会和信号线平行，会急速减小，即Cm

四、软件程序设计

电磁节能小车的软件程序设计可以分为几部分，第一部分，是对信号的采集和处理。包括上一小节的信号滤波，和归一化处理，以及求出滤波和圆环识别。第二部分，是通过获取的偏差进行舵机和电机的PID控制。对于方向的PID控制，其核心思想在于把控制周期内的车辆状态视为不变，在智能小车的行驶中，每20ms进行一次控制，可满足要求。

其处理流程大致如下，对三路电感采集的信号进行滤波和归一化处理，由于电磁圆环特殊性，需要特别识别，如果识别到圆环，需对圆环进行处理。最后获取偏差结合PID算法对小车进行速度和方向控制。

五、小结

本文的电磁节能小车从以下几个方面进行了设计，第一，选用能量转换效率高的超级电容作为了本次电磁节能小车的电源。第二，为了获取稳定的电压输出，选择了TPS6070升降压芯片，该芯片的能量转换可以达到98%，工作电流可以达到2A。第三，电感电路在采集信号时异常耗电的，由于电磁节能小车的速度要求并不是太高，所以优化了电感电路，选取了三路电感作为了信号采集的传感器，大大降低了能量损耗。第四，使用了光电码盘代替了传统的编码器，以及使用了直流无刷电机代替了耗电的直流电机。第五，在程序上，优化了算法，使CPU耗电更少。实验证明，本文设计的电磁节能小车的节能效果比传统的电磁智能小车可以节约65%的电量。

指导老师：唐军

[1]卓晴，黄开胜，邵贝贝，学做智能车-挑战飞思卡尔杯[M].北京航天航空大学出版社，2017:1-18.

[2]李圣勇.大规模储能电池管理系统的研究[D],南宁：广西大学：2-4.

[3]孟彦京，张商州，陈景文，充电方式对超级电容能量效的影响[J],电子器件，2014,37(1):13-16.

石强(1994-)，男，汉，四川省广元市旺苍县木门镇杏垭村五组，研究生学历，贵州大学，控制工程与科学。