陈冠楠,崔宏耀,赵智飞,杨磊光,陶莉炜

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院,哈尔滨 150050)

就现阶段的技术而言，绝大多数无线充电设备是根据电磁感应原理[1]进行能量传输的。无线充电技术是近年来比较主流的新技术之一。它依靠电磁场将供电端的电能输送给电池，从而对其进行充电。智能车在近几年不断发展，通过传感器、微处理器、自动控制等技术实现无人驾驶，在无线充电的基础上加上小车的合理布局以减轻车子的重量，使得小车在环保和节能方面实现双结合，以体现小车的应用价值，同时也是现在社会发展的需要。文中将重点阐述无线充电节能智能车的技术研究。

1 平台的总体方案

本平台主要由无线充电模块、超级电容组储电模块、车模结构模块、小车智能寻迹单片机模块组成。满足设计的车模结构平台以S9KEAZ128ZAMLK单片机[2]最小系统为控制单元，利用无线充电接收模块进行无线电磁感应获取电量，并储存到超级电容组中；以电磁传感器作为小车采集道路信息的传感器，漫反射式红外光电传感器作为避障的传感器，MPU6050陀螺仪模块作为转角或转速的传感器，霍尔元件作为停车的传感器。单片机在检测超级电容并存储电量后自启动，利用电磁传感器采集的道路信息以及障碍、停车等信号进行控制，将PWM信号输出到左右电机上差速完成(例如在直道、弯道、十字路口、障碍前等)各项目标动作。系统的总体设计框架如图1所示。

图1 系统总体设计框架

2 硬件电路模块

2.1 无线充电接收模块

图2 充电接收功率控制电路

图3 充电电流检测电路

图4 降压电路

图5 升压电路

图6 电磁运算放大电路

2.2 电源升降压模块

超级电容电源模块是根据小车在规定运输线完成运输项目任务所需电量来制作。对于不同的任务以及规定车的运输线来选择不同的电容组。由于在运输过程中电压降低，为充分利用电容的电量，实现在低电压的状态下单片机仍然可以进行运作,并且在小于电机的最小驱动条件下，保证可以正常完成任务所需要的升降压设计。图4和图5为小车升降压电路。

2.3 电磁运算放大模块

图6为电磁运算放大电路，在接有20 kHz、100 mA的交变电流源的信号发生器的电磁引导线中，利用电磁传感器来检测通电引导线所发出的磁场强度，再将此信号送入电磁运算放大模块中进行信号放大。LM358芯片是一款双运算放大器，内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适用于电源电压范围很宽的单电源，也适用于双电源工作模式[7]，电源电流与电源电压无关，为低功耗电流。

2.4 电机驱动模块

在电机驱动模块的设计中要考虑电量的充分利用，文中采用74LS244驱动器加7843MOS管的方式，图7为电机驱动电路，在本设计中与上层板(MCU最小系统与外围器件板)起到电子隔离作用，但是相比以较高速行驶的小车，需要在速度的控制策略下不停地加减速，以快速完成任务，而本车在行驶过程的同时也要考虑到小车节能，所以对于速度并没有采用经常性的加减速，而是采用全程接近匀速。

3 车模总体结构

一个良好的车模结构是小车行驶以及是否节能的重要因素。本设计思路是节能轻便，一方面在保证小车刚度的同时做到重量轻便，另一方面在不影响小车的运行及实现一些动作的同时，将有些辅助结构简单化，用轻便、刚度满足需要的材料代替笨重的钢铁[8]。在CATIA软件下绘制车模的主体结构以及一些主要零件的结构，利用精度较高的快速成型技术打印，并通过不同的填充率来增加强度。在未确定运输平台的节能性下，先搭建1台具有测速功能并用4个100 F的电容组[9]提供电能的实验小车。符合运行但未考虑节能的情况下用来确定小车的经济性，根据参数确定适合的驱动轮半径、传动比。利用万用表测量电压、秒表计时以及测量尺来确定参数。在程序上设置速度得到速度参数，经过多组实验，通过公式J=0.5×C×U×U计算得到各个参数，如表1所示。

4 软件控制

4.1 系统软件设计流程

本控制系统以S9KEAZ128ZAMLK作为最小系统控制板，包括充电控制、电磁寻迹的信号采集、处理、输出控制等，并通过软件编程实现各个功能。开始时进行电量的接收，先检测充电电压、电流，得到功率，经过PID控制，输出PWM控制IR2104开关。当充电电量达到设定值后自启动，通过电磁传感器检测道路上的各个关键位置的电磁场场强大小，利用程序设计对不同道路元素进行识别，以及对电容电压的监测，来控制输出的补偿系数，保证小车速度接近匀速，并对两侧电机控制转向，快速稳定地通过此段道路。软件设计流程如图8所示。

图7 电机驱动电路

表1 运输平台实验的各参数

图8 系统软件设计流程

4.2 充电恒功率与升降压的控制

在小车没有电的情况下，要进行充电的恒功率控制，所以开始时就要保证单片机可以正常工作，因此，需要对单片机供电，而从接收线圈过来的电压比较大，此时还要有12 V降压电路、12 V稳5 V稳压电路。对充电过程中的充电接收线圈的电压、电流以及电容电压的ADC采集，根据检测电阻阻值换算和计算公式P=U·I得到反馈的实际充电功率以及发射端设置的固定发射功率作差为输入，用反馈的电容电压、充电过程的功率控制PWM的输出，控制IR2104的工作来驱动两个MOS管7843开断进行充电，检测充电电压、电流进行反馈控制，对超级电容组进行充电，从而基本实现恒功率充电[10-11]。

对于升降压的控制需要升降压切换电路，只要实时地监控电容的电压，在充电完成、电容电量充足的情况下，ADC检测电容电压达到设定值，关闭充电控制电路，并切换到降压电路，避免单片机工作电压过高而烧毁器件。利用I/O口的高低电平切换对TPS7350控制进行降压稳压处理，实现升降压控制。在小车行进过程中未达到电压设定值之前一直做降压处理，当达到电压设定值时通过给一个I/O口高低电平，对TPS7516进行升压稳压处理，并且关闭控制降压的I/O口，使单片机正常供电。

4.3 避障通讯和路径控制

利用漫反射红外光电传感器[12]检测前方是否有路障。漫反射红外光电传感器又称为光电开关，其只有两种状态0或1，工作为NPN常开，当遇到前方有障碍时由高电平变为低电平，检测距离可调(80 cm)，在实际测试时超过80 cm，但超过130 cm将失效。由于此设计要考虑节能，所以在速度达到适合、较快的前提下，在100 cm之内可以快速检测，并且能够按照调试过程中的路径规划避障。利用障碍左右两边的场地大小、陀螺仪以及路障之前的速度设定角度来避障。根据小车在路障之前的速度，利用陀螺仪设定小车需要转动的角度以及障碍物左右两边的场地大小进行避障。利用NRF24L01无线模块进行通讯[13]。当前方的运输车辆遇到故障，而后方车辆检测到前方有障碍，受场地影响无法进行绕行时，后面车辆的到来导致此段道路遇到拥堵，需要等待，将此情况发送到主控室进行处理。

5 结束语

文中完成了无线充电节能车的硬件设计、总体结构设计、软件设计三方面的工作。小车可以在电容组无电的情况下实现无线充电的接收以及控制工作，可以自动启动并寻迹、自动避障，可接近匀速、低功耗的方式跑完全程。无线充电、节能、智能车符合当今社会的发展趋势，对未来的生活和工作都具有重大意义。