基于K60的电磁循迹避障小车的设计

2020-04-09顾肖峰杨宗良于明亮

物联网技术 2020年3期

顾肖峰　杨宗良　于明亮

摘要：文中采用全国大学生智能汽车竞赛组委会认定的L车模作为载体，以NXP的MK60FX512VLQ15为核心芯片，设计一种自动避障电磁循迹智能小车系统。为了提高电磁小车在室内和室外运行的稳定性和速度，增加识别坡道和横断路障的准确率，软件上运用了差比和与归一化拟合处理电感值、增量式PID控制电机、位置式PID控制舵机等算法，硬件上运用了运算放大电路放大电感型号，单片机内部模数转换模块将电感的电压转换为数字量，BTN7971B驱动电机，MVR1EB测距模块和超声波相配合越过障碍物，运用蓝牙模块在线远程调试或者控制小车，通过上位机获取小车具体信息，OLED显示实时参数标志位。最终结果表明，该电磁寻迹智能小车系统在实际的比赛中运行平稳，性能可靠。

关键词：K60;PID;循迹;电磁传感循迹;避障;物联网技术;嵌入式

中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）03-0-04

0 引言

第十四届全国大学生智能汽车竞赛新增加室外电磁组，是为实现竞赛的“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”的指导思想[1]。在电磁循迹广泛应用于生活各个场景之下，大赛新增加室外电磁组，其与以往传统组别不同，其赛道仅仅是一根电磁线，小车需通过特定的元素如：正六边形环岛、坡道、横断路障、自动停车等。小车以32位微处理器MK60FX512VLQ15[2]作为主控芯片，利用电感电容LC谐振获取赛道位置信息。位置信号经过运算放大整流后传入微处理器的ADC进行数字化，再由软件进行归一化等处理，得到具体的位置偏差。避障运用了MVR1EB测距模块和超声波测距模块相结合。

1 整体设计方案

本系统通过电机PID闭环与舵机PD控制，电磁模块获取位置信息，停车检测模块获取磁铁的变化、显示模块可用于调试与显示[3]，如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 电机驱动电路

电机驱动电路采用英飞凌大功率驱动芯片BTN7971B组成的全H桥驱动模块，具有过热过流保护功能。双BTN7971B H桥驱动电路具有强劲的驱动和刹车效果，最大电流43 A。

在程序上运用PWM信号来控制每路BTN的输出，如图2所示，用编码器测定电机的转速，通过增量式PID调节PWM，进而控制电机转速。单片机输出PWM通过隔离芯片74LVC245到BTN7971B，隔离芯片如图3所示。

2.2 电磁检测模块

根据电磁学的电磁感应可知，导体中通入变化的电流（如按照正弦波规律变化的电流），相应导体的周围会产生变化的磁场，且磁场的与电流的变化具有一定的规律（即毕奥—萨伐尔定律）[4]。在此磁场中放置一个由线圈组成的电感，则此电感就会产生感应电动势，该线圈产生的感应电动势与通过线圈的磁通量的变化率成正比，公式如下：

（1）

由于导体周围磁感应强度的方向和大小不同，产生的感应电动势也有所不同，因而可以确定电感所处的空间位置[5]。电磁模块主要流程如图4所示

图4中选频时依照进行选择，其电路如图5所示。

2.3 电源模块

整个系统的正常工作离不开电源模块[6]。所需供电电压如下：最小核心系统为3.3 V，编码器[7]为5 V，电磁模块为5 V、舵机驱动为5 V、OLED显示为3.3 V。因而用LM1117-5 V和LM1117-3.3 V单独给核心板供电;舵机驱动采用DC-DC LM2596S-5.0，其最大能输3 A。其余外设全由另一个LM2596-5.0和LM1117-3.3 V供应。电源模块电路如图6～图8所示。

2.4 舵机模块

由于舵机是使用的SD5舵机，其为三线舵机，包含：信号线、正极、负极。PWM信号通过74LVC245隔离芯片直接与舵机信号口相接，如图9所示。

2.5 避障模块

采用超声波测距和MVR1EB模块，前者采用普通GPIO口，后者采用UART串口获取，两者都为5 V供电，上下垂直放置。

2.6 测速模块

本系统采用512线编码器，编码器自身直接输出旋转方向和脉冲。由于K60自带正交解码，因而使用更方便，如图10所示。

3 软件设计

从硬件电路可知，软件部分由三部分：電机驱动算法、舵机驱动算法、避障算法。

3.1 电机驱动算法

本系统是一个闭环系统，采用增量式PID控制算法[8]。PID中P为比例项，I为积分、D为微分。增大P会缩短反应时间，过大会导致过调。增大D会使得系统区域稳定，但会延时。通过多次调试得到合适的PID值[9]，算法流程如图11所示。

3.2 舵机驱动算法

舵机控制算法为开环控制，采用位置式PD控制。由电磁模块获取位置信息的感应电动势，通过K60的12位A/D转换，将其转化为数字信号;再通过不同位置的电感之间进行拟合归一化处理，差比和后获得一个位置偏差值;将此位置偏差值传递给PD算法，同时和丢线算法线结合[10]，判断方向，最后输出PWM控制舵机，其流程如图12所示。

3.3 避障算法

通过一个超声波一个MVR1EB激光测距模块，可以获取到两个距离。由于超声波具有发散性，因而在遇到坡道等相似路径或者物体时，会出现测不准，而激光由于聚合性高，当倾角固定的情况下，几乎不会出现测不准。所以当超声波和激光模块的距离相差非常小时，则遇上了横断障碍;当两者差距很大并且超声波的数值跳动大时，很有可能是坡道。

之后通过对速度进行积分，判断何时避过障碍物，流程如图13所示。

4 结语

本文主要分析第十四届“恩智浦杯”智能汽车竞赛中的室外电磁组，以电磁循迹、归一化，差比和处理电感为主，测距避障为辅，舵机PD控制和电机闭环PID控制相辅相成。结果表明，本系统在实际的比赛中运行平稳，性能可靠。

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]李维康，项华珍，刘海刚，等.电磁引导小车控制系统设计[J].工业控制计算机，2014，27（5）：57-58.

[3]王盼宝，樊越骁.智能车制作：从元器件、机电系统、控制算法到完整的智能车设计[M].北京：清华大学出版社，2017.

[4]秦磊，王佳宇，黄名扬，等.基于单片机的电磁循迹智能车系统的设计[J].物联网技术，2018，8（7）：102-104.

[5]叶选繁，常郝，陈震元，等.基于KEA微处理器两轮直立电磁智能小车设计[J].电子世界，2019（8）：145-147.

[6]谭小刚，张卓然，杜鹏浩.基于电磁传感器的智能小车设计[J].湖北汽车工业学院学报，2012，26（3）：73-76.

[7]高海沙，丁晓慧.基于MC9S12XS128的电磁智能小车的硬件设计[J].微型机与应用，2016，35（7）：28-29.

[8]肖文健，李永科.基于增量式PID控制算法的智能车设计[J].信息技术，2012，36（10）：125-127.