CN109278570B - 一种节能电磁导航智能车、控制系统及控制方法 - Google Patents

一种节能电磁导航智能车、控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于人工智能技术领域，公开了一种节能电磁导航智能车、控制系统及控制方法，智能车包括主控电路、导航电路、电机驱动电路、超级电容充电电路、无线供电电路；主控电路采用电磁精准导定位算法，使用开环控制，通过采集两边的电感值来分析此时的电感差、车身大概姿态，分段处理舵机转向的角度；电机驱动电路使用经典PID控制算法，使得在电压降低时仍可保持车速。本发明采用电力作为核心能源；以超级电容替代传统动力电池，充电速度快且具有很好的安全性；结合无线充电技术实现非接触式跨空间供电，安全，便捷；由独特的四轮车型机器人底盘结合经典PID控制算法提供空间上的移动，运行路线精准，低功耗，节约能源。

Description

一种节能电磁导航智能车、控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于人工智能技术领域，尤其涉及一种节能电磁导航智能车、控制系统及控制方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
我国工业机器人研究开始于20世纪80年代中期，已经基本实现了实验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探等行业的发展，随着工业技术的发展，能源的使用也逐渐加大，为了响应国家节能减排的号召，提倡使用清洁能源代替传统能源，开始研制节能机器人，现有的工业机器人使用传统的动力电池，充电速度慢，安全系数低，使用不方便。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有的智能车使用传统的动力电池，充电速度慢，安全系数低，使用不方便。
现有智能车在空间上的移动定位不准确。
解决上述技术问题的难度和意义：
难度：不能解决导航智能车适用于更复杂的应用环境。
本发明解决现有技术问题后，带来的意义为：
通过采用高线率的无线供电技术可实现跨空间不间断供电，极大地提高工业机器人的工作效率，适用于更复杂的应用环境。
其次摒弃传统红外(灰度)导航而采用新型电磁导航对智能机器人进行指引，不受温度，湿度，光强，污渍等自然环境的影响，精准，高效，便捷。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种节能电磁导航智能车、控制系统及控制方法，
本发明是这样实现的，一种节能电磁导航智能车控制方法，所述节能电磁导航智能车控制方法包括：
系统开机之后，利用电感获得赛道上各个关键部位磁场的大小信息，先会进入按键判断，比如是否充电完成后自动发车或者是否进入圆环等，利用相关算法进行特殊路径规划。然后根据按键状态，确定各种标志位的值。当电压分压采样电阻的电压升至1.35V时，反馈的模拟量AD数值会由0增加至158；当单片机采集至此值后自动发车；
发车之后由导航传感器中采样电感开始对赛道电感值进行采样，通过特殊的算法将干扰项过滤后控制智能车的伺服舵机系统从而规划行驶路线。若路线中存在环岛，则在进入圆环处加入位于中部的垂直电感开始判断，数值为大，小，大，当数值达到设定值就进行转弯，当第一次到达终点后，圈数+1，随即进入第二圈，继续由采样电感对赛道电感值进行处理及圆环处理，当再次到达终点则停车。
进一步，利用相关算法进行特殊路径规划中，包括电磁导航定位；所述电磁导航定位的方法包括：
采用开环控制，通过采集两边的电感值分析此时的电感差、车身大概姿态，分段处理舵机转向的角度；当车身位于赛道正中间，两边电感值差为0，舵机位于中值1000，两边电感值使用中值化处理(AD_L*1+AD_R*199)/(AD_L+AD_R)，处理结果为Sensor；当Sensor为60到140之间时，车身微弱偏离中线位置，需小幅度调整舵机转向；当Sensor为0-60和140-200之间时，需大幅度修正车身，调整舵机转向。
进一步，PID控制方法包括：编码器的齿轮每转过单位的角度发出脉冲信号；增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu(k)。采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式u(k)＝u(k-1)+Δu(k)程序化来完成。由式可得增量式PID控制算式u(k)＝u(k)-u(k-1)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[e(k)-e(k-1)](1)，
式中Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，进一步可以改写成Δu(k)＝Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)(2)，式中一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了Kp、Ti、Td，只要使用前后3次测量的偏差值即可由式(1)或式(2)求出控制增量。
本发明另一目的在于提供一种计算机程序，所述计算机程序运行所述的节能电磁导航智能车控制方法。
本发明另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述节能电磁导航智能车控制方法的控制器。
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的节能电磁导航智能车控制方法。
本发明另一目的在于提供一种实施所述节能电磁导航智能车控制方法的节能电磁导航智能车控制系统，所述节能电磁导航智能车控制系统包括：
系统母板，主要由单片机，电源稳压电路，通信接口，外设电路构成；起到供电与采集信号、发出信号的功能。
控制舵机单元，由伺服舵机以及连杆构成，通过采集单片机发出的PWM波高低电平所占时间不同从而转换为对应角度控制车轮的转向角度。
电机运行单元，由直流有刷电机或直流无刷电机、波箱、狗骨构成。通过驱动电机转动从而带动波箱齿轮。狗骨对车轮进行传动。
编码器，用于测量速度，位置，速度或角度等物理量。它是把机械位移量转变成电信号的传感器，分为增量型和绝对值两种。增量型编码器产生脉冲信号，利用脉冲数可测量速度，长度或位置。
本发明另一目的在于提供一种实施所述节能电磁导航智能车控制方法的节能电磁导航智能车，所述节能电磁导航智能车包括主控电路、导航电路、电机驱动电路、超级电容充电电路、无线供电电路；
主控电路包括单片机、电源稳压电路、通信接口、外设电路；用于供电与采集信号、发出信号；
导航电路包括运算放大器、电压比较器、AD反馈接口、电源供电接口构成；用于采集线路中电感值的大小从而对道路进行规划；
电机驱动电路为动力电机提供驱动电流；采用MOS管驱动电路，包括升压电路、信号处理及保护电路、控制H桥电路，电机使用380有刷电机，正常工作电流约1.3-2.0A，堵转时瞬间可高达40A；MOS管均选用型号为IR7843的NMOS场效应管，额定电压30V，额定电流161A，MOS管源极与漏极间并联IN5819二极管作为保护电路，防止MOS管关断后电机反向电动势损坏MOS管；
超级电容充电电路旨为超级电容提供电能；采用超级电容为储能元件，使用LT1083电源管理芯片作为充电电路芯片，电路输出端接有7A保险丝一根，可有效防止因负载电流过大导致芯片高温烧毁；
无线供电电路为超级电容充电电路提供强大的电能；采用直径10cm、10匝的线圈，安装在车模上，线圈距离地面发射线圈高度小于5cm，线圈输出端采用全桥整流，串联谐振的方式，采用PID反馈恒功率对输出段进行功率控制；
无线供电电路采用QI协议无线充电技术，利用串联谐振的充电方式提高充电功率，结合接收端恒功率方案提高充电效率。
所述电机驱动电路、超级电容充电电路电连接主控电路，所述电机驱动电路电连接超级电容充电电路，所述超级电容充电电路电连接无线供电电路。
进一步，所述电机驱动电路采用MOS管驱动电路，其包括MC63070升压芯片与反馈电阻共同构成的12V升压电路、74HC245数字逻辑芯片与电源构成的信号处理及保护电路、IR2104s半桥驱动器结合反馈控制端、保护二极管共同控制H桥电路。
进一步，所述超级电容充电电路采用超级电容作为储能元件；所述无线供电电路安装在车模上，线圈输出端采用全桥整流，串联谐振的方式，采用PID反馈恒功率对输出段进行功率控制。
本发明主控电路采用5V低波纹直流电源供电额定总电流共为800Ma，选用MIC29302大电流低压稳压器作为本发明5V/3A直流电源供电端；
所述电机驱动电路采用MOS管驱动电路，包括升压电路、信号处理及保护电路、控制H桥电路，电机使用380有刷电机，正常工作电流约1.3-2.0A，堵转时瞬间可高达40A；MOS管均选用型号为IR7843的NMOS场效应管，额定电压30V，额定电流161A，MOS管源极与漏极间并联IN5819二极管作为保护电路，防止MOS管关断后电机反向电动势损坏MOS管；
超级电容充电电路采用超级电容作为主要储能元件，使用LT1083电源管理芯片作为充电电路芯片，电路输出端接有7A保险丝一根，可有效防止因负载电流过大导致芯片高温烧毁；
无线供电电路采用直径10cm、10匝的线圈，安装在车模上，线圈距离地面发射线圈高度小于5cm，线圈输出端采用全桥整流，串联谐振的方式，采用PID反馈恒功率对输出段进行功率控制。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
以超级电容替代传统动力电池，充电速度快且具有极高的安全性。
结合无线充电技术实现非接触式跨空间供电，安全，便捷。
采用汽车级32位低功耗高主频中央处理器，以电磁导航的方式进行精准定位。
独特的四轮车型机器人底盘结合经典PID控制算法提供空间上的移动；精准，智能，高效。
本发明采用电力作为核心能源；以超级电容替代传统动力电池，充电速度快且具有极高的安全性；结合无线充电技术实现非接触式跨空间供电，安全，便捷。采用汽车级32位低功耗高主频中央处理器，以电磁导航的方式进行精准定位，由独特的四轮车型机器人底盘结合经典PID控制算法提供空间上的移动，运行路线精准，低功耗，节约能源。
附图说明
图1是本发明实施例提供的节能电磁导航智能车系统电路结构图；
图中：1、主控电路；2、导航电路；3、超级电容充电电路；4、无线供电电路、5、电机驱动电路。
图2是本发明实施例提供的节能电磁导航智能车系统运行方法流程图。
图3是本发明实施例提供的节能电磁导航智能车系统控制方法流程图。
图4是本发明实施例提供的主控电路图。
图中：(a)至(h)为主控电路中各模块电路原理图。
图5是本发明实施例提供的导航电路图。
图中：(a)至(d)为导航电路中各模块电路原理图。
图6是本发明实施例提供的电机驱动电路图。
图中：(a)至(d)为电机驱动电路中各模块电路原理图。
图7是本发明实施例提供的超级电容充电电路图。
图8是本发明实施例提供的无线供电电路图。
图9是本发明实施例提供的升压电路图。
图10是本发明实施例提供的处理及保护电路图。
图11是本发明实施例提供的控制H桥电路图。
图12是本发明实施例提供的编码器测量装置。
图13是本发明实施例提供的编码器构造图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3，本发明实施例提供的节能电磁导航智能车控制方法，包括：
利用电感获得赛道上各个关键部位磁场的大小信息；
利用相关算法进行特殊路径规划；
利用PID控制，对电机转速，舵机转角进行处理。
利用相关算法进行特殊路径规划中，包括电磁导航定位；所述电磁导航定位的方法包括：
采用开环控制，通过采集两边的电感值分析此时的电感差、车身大概姿态，分段处理舵机转向的角度；当车身位于赛道正中间，两边电感值差为0，舵机位于中值1000，两边电感值使用中值化处理，处理结果为Sensor；当Sensor为60到140之间时，车身微弱偏离中线位置，需小幅度调整舵机转向；当Sensor为0-60和140-200之间时，需大幅度修正车身，调整舵机转向；
PID控制方法包括：编码器的齿轮每转过单位的角度发出脉冲信号。
本发明实施例提供的节能电磁导航智能车控制系统包括：
系统母板，主要由单片机，电源稳压电路，通信接口，外设电路构成；起到供电与采集信号、发出信号的功能。
控制舵机单元，由伺服舵机以及连杆构成，通过采集单片机发出的PWM波高低电平所占时间不同从而转换为对应角度控制车轮的转向角度。
电机运行单元，由直流有刷电机或直流无刷电机、波箱、狗骨构成。通过驱动电机转动从而带动波箱齿轮。狗骨对车轮进行传动。
编码器，用于测量速度，位置，速度或角度等物理量。它是把机械位移量转变成电信号的传感器，分为增量型和绝对值两种。增量型编码器产生脉冲信号，利用脉冲数可测量速度，长度或位置。
如图1所示，本发明实施例提供的节能电磁导航智能车，包括主控电路、导航电路、电机驱动电路、超级电容充电电路、无线供电电路；
所述电机驱动电路、超级电容充电电路电连接主控电路，所述电机驱动电路电连接超级电容充电电路，所述超级电容充电电路电连接无线供电电路。
所述电机驱动电路采用MOS管驱动电路，包括升压电路、信号处理及保护电路、控制H桥电路。
所述主控电路1采用5V低波纹直流电源供电额定总电流共为800Ma，选用MIC29302大电流低压稳压器作为本发明5V/3A直流电源供电端；
所述电机驱动电路5采用MOS管驱动电路，包括升压电路、信号处理及保护电路、控制H桥电路，电机使用380有刷电机，正常工作电流约1.3-2.0A，堵转时瞬间可高达40A；MOS管均选用型号为IR7843的NMOS场效应管，额定电压30V，额定电流161A，MOS管源极与漏极间并联IN5819二极管作为保护电路，防止MOS管关断后电机反向电动势损坏MOS管；
所述超级电容充电电路3采用超级电容作为主要储能元件，使用LT1083电源管理芯片作为充电电路芯片，电路输出端接有7A保险丝一根，可有效防止因负载电流过大导致芯片高温烧毁；
所述无线供电电路4采用直径10cm、10匝的线圈，安装在车模上，线圈距离地面发射线圈高度小于5cm，线圈输出端采用全桥整流，串联谐振的方式，采用PID反馈恒功率对输出段进行功率控制。
如图2所示，本发明还提供节能电磁导航智能车系统运行方法：
S101：打开电源，选择是否自动发车；
S102：规划路径；
S103：车辆行进，使用电磁导航精准定位；
S104：到达终点，停车。
电磁导航精准定位用于智能车转向系统，采用开环控制，通过采集两边的电感值来分析此时的电感差、车身大概姿态，分段处理舵机转向的角度；
对电机采用经典PID控制算法，经典PID控制算法由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
图3是本发明实施例提供的节能电磁导航智能车系统控制方法流程图。
图4是本发明实施例提供的主控电路图。图中：(a)至(h)为主控电路中各模块电路原理图。
图5是本发明实施例提供的导航电路图。图中：(a)至(d)为导航电路中各模块电路原理图。
图6是本发明实施例提供的电机驱动电路图。图中：(a)至(d)为电机驱动电路中各模块电路原理图。
图7是本发明实施例提供的超级电容充电电路图。
图8是本发明实施例提供的无线供电电路图。
图9是本发明实施例提供的升压电路图。
图10是本发明实施例提供的处理及保护电路图。
图11是本发明实施例提供的控制H桥电路图。
图12是本发明实施例提供的编码器测量装置。
下面通过具体实施例对本发明做进一步描述。
具体实施例一：
本发明实施例提供的电磁精准导航定位算法：
智能车转向系统中，采用了开环控制，通过采集两边的电感值来分析此时的电感差、车身大概姿态，分段处理舵机转向的角度。当车身位于赛道正中间，两边电感值差为0，舵机位于中值1000，两边电感值使用中值化处理，处理结果为Sensor。当Sensor为60到140之间时，说明此时车身只是微弱偏离中线位置，影响不大，因此只需小幅度调整舵机转向。当Sensor为0-60和140-200之间时，需要大幅度修正车身，调整舵机转向。
具体实施例二：
本发明实施例提供的电机经典PID控制算法：
经典PID控制是目前比较常用的调节器控制方法，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据快速达到或者保持在参考值。
在节能智能车中，电源电压会随着电容容量不断减小，而变化很快，因此若开环控制，不使用PID控制，则设定一定的占空比，开始的时候车速正常，可随着电压降低，车速就会发生变化，不能满足设计要求。因此智能车中使用编码器作为测速装置，编码器的齿轮每转过单位的角度就发出一个脉冲信号。如图13是本发明实施例提供的编码器构造图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种节能电磁导航智能车控制方法，其特征在于，所述节能电磁导航智能车控制方法包括：
根据按键状态，确定各种标志位的值；当电压分压采样电阻的电压升至1.35V时，反馈的模拟量AD数值会由0增加至158；当单片机采集所述电压值后自动发车；
发车之后由导航传感器中采样电感开始对赛道电感值进行采样，通过归一算法将干扰项过滤后控制智能车的伺服舵机系统规划行驶路线；
若路线中存在环岛，则在进入圆环处加入位于中部的垂直电感开始判断，数值为大，小，大；当数值大于1600小于2000且两边分别同时小于1000进行转弯，当第一次到达终点后，圈数+1，随即进入第二圈，继续由采样电感对赛道电感值进行处理及圆环处理，当再次到达终点则停车；
所述节能电磁导航智能车控制方法在利用相关算法进行特殊路径规划中，包括电磁导航定位；所述电磁导航定位的方法包括：
采用开环控制，通过采集两边的电感值分析此时的电感差、车身大概姿态，分段处理舵机转向的角度；当车身位于赛道正中间，两边电感值差为0，舵机位于中值1000，两边电感值使用中值化处理(AD_L*1+AD_R*199)/(AD_L+AD_R)，处理结果为Sensor；当Sensor为60到140时，车身微弱偏离中线位置，小幅度调整舵机转向；当Sensor为0-60和140-200时，大幅度修正车身，调整舵机转向；
所述节能电磁导航智能车控制方法采用无线供电电路为超级电容充电电路提供强大的电能；所述无线供电电路采用QI协议无线充电技术，利用串联谐振的充电方式提高充电功率，结合接收端结合接收端PID反馈恒功率对输出段进行功率控制方案提高充电效率。
2.如权利要求1所述的节能电磁导航智能车控制方法，其特征在于，PID控制方法包括：编码器的齿轮每转过单位的角度发出脉冲信号；
增量式PID为数字控制器的输出只是控制量的增量Δu(k)；采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu(k)对应的是本次执行机构位置的增量，不对应执行机构的实际位置，执行机构具有对控制量增量的累积功能，执行机构的累积功能利用算式u(k)＝u(k-1)+Δu(k)程序化完成；
由式得增量式PID控制算式u(k)＝u(k)-u(k-1)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[e(k)-e(k-1)]；
式中Δe(k)＝e(k)-e(k-1)改写成
Δu(k)＝Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)；
式中采样周期为T。
3.一种计算机程序，其特征在于，所述计算机程序运行权利要求1～2任意一项所述的节能电磁导航智能车控制方法。
4.一种终端，其特征在于，所述终端至少搭载实现权利要求1～2任意一项所述节能电磁导航智能车控制方法的控制器。
5.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-2任意一项所述的节能电磁导航智能车控制方法。
6.一种实施权利要求1所述节能电磁导航智能车控制方法的节能电磁导航智能车控制系统，其特征在于，所述节能电磁导航智能车控制系统包括：
系统母板，包括单片机、电源稳压电路、通信接口、外设电路；用于供电与采集信号、发出信号；
控制舵机单元，包括伺服舵机以及连杆，用于通过采集单片机发出的PWM波高低电平所占时间不同从而转换为对应角度控制车轮的转向角度；
电机运行单元，包括直流有刷电机或直流无刷电机、波箱、狗骨；用于通过驱动电机带动波箱齿轮；狗骨用于对车轮进行传动；
编码器，用于测量速度、位置或角度物理量；把机械位移量转变成电信号的传感器，分为增量型和绝对值；增量型编码器产生脉冲信号，利用脉冲数测量速度，长度或位置。
7.一种实施权利要求1所述节能电磁导航智能车控制方法的节能电磁导航智能车，其特征在于，所述节能电磁导航智能车包括主控电路、导航电路、电机驱动电路、超级电容充电电路、无线供电电路；
主控电路包括单片机、电源稳压电路、通信接口、外设电路；用于供电与采集信号、发出信号；
导航电路，包括运算放大器、电压比较器、AD反馈接口、电源供电接口；用于采集线路中电感值的大小从而对道路进行规划；
电机驱动电路，用于为动力电机提供驱动电流；采用MOS管驱动电路，包括升压电路、信号处理及保护电路、控制H桥电路，MOS管的源极与漏极间并联IN5819二极管作为保护电路，用于防止MOS管关断后动力电机反向电动势损坏MOS管；
超级电容充电电路，用于为超级电容提供电能；
无线供电电路，为超级电容充电电路提供电能；采用QI协议无线充电技术，利用串联谐振的充电方式和结合接收端恒功率方式进行充电；
所述电机驱动电路、超级电容充电电路电连接主控电路，所述电机驱动电路电连接超级电容充电电路，所述超级电容充电电路电连接无线供电电路。
8.如权利要求7所述的节能电磁导航智能车，其特征在于，
所述电机驱动电路采用MOS管驱动电路，包括MC63070升压芯片与反馈电阻共同构成的12V升压电路、74HC245数字逻辑芯片与电源构成的信号处理及保护电路、IR2104s半桥驱动器结合反馈控制端、保护二极管共同控制H桥电路。
9.如权利要求7所述节能电磁导航智能车，其特征在于，所述超级电容充电电路采用超级电容作为储能元件；所述无线供电电路安装在车模上，线圈输出端采用全桥整流，串联谐振的方式，采用PID反馈恒功率对输出段进行功率控制。
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