CN202453734U - 基于电磁引导的自动循迹智能小车控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电磁引导的自动循迹智能小车控制器，包括电源，还包括一单片机，在单片机上连接有车速检测模块、路径识别模块、转向舵机模块和电机驱动模块，电机驱动模块连接直流电机，直流电机还与车速检测模块相连接，单片机、车速检测模块、路径识别模块、转向舵机模块和电机驱动模块均与电源相连接。运用模块化的设计思想进行系统硬件搭建，使各个模块相互独立，既避免了相互干扰，并且替换方便，还有利于调整智能车的整体结构，使智能车得结构变得整洁，重心更合适。

Description

基于电磁引导的自动循迹智能小车控制器

技术领域

本实用新型涉及一种控制器，特别是一种基于电磁引导的自动循迹智能小车控制器，该控制器能够自主识别交变磁场引导线并根据通有电流的引导线实现小车快速稳定的自动寻线行驶。

背景技术

由于汽车事故不断出现，造成重大的社会危害，引起了世界各国的重视汽车驾驶的安全问题已成为全球性的社会问题。为了改善这种现状，提高汽车驾驶的安全性，智能汽车已经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。智能汽车是一种正在研制的新型高科技汽车，不需要人去驾驶，是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高科技综合体。随着企业生产技术的不断提高以及对自动化技术要求的不断加深，当前的信息技术革命正在推动汽车设计翻开新的一页，自动化、智能化、多功能将成为21世纪汽车发展的新趋势，电脑技术、自动控制技术以及现代信息融合技术和通信等高科技与汽车的结合，使未来汽车成为更安全、更方便、更舒适的交通工具。汽车撞开了本世纪的大门，它带来的速度和效率，改变了20世纪人类的生活方式，推动了人类社会的进步。智能化的汽车在21世纪将以更高的速度和效率将人类带入智能信息时代。

智能车以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为航天、医疗、工业控制、物流等各个领域的关键设备。无论是从科学发展、理论研究的角度，还是从汽车工业发展以及市场竞争的角度看，对智能车辆的研究都是必要的。而智能小车的研究及相关产品开发也将有利于我国在此领域技术发展与进步。因此，研制一种智能，高效的智能小车控制系统具有重要的实际意义和科学理论价值。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种实现能自主识别路面引导线并根据引导线快速稳定行驶的智能小车。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种基于电磁引导的自动循迹智能小车控制器，包括电源，其特征在于，还包括一单片机，在单片机上连接有车速检测模块、路径识别模块、转向舵机模块和电机驱动模块，电机驱动模块连接直流电机，直流电机还与车速检测模块相连接，单片机、车速检测模块、路径识别模块、转向舵机模块和电机驱动模块均与电源相连接。

本实用新型的基于电磁引导的自动循迹智能小车控制器，运用模块化的设计思想进行系统硬件搭建，使各个模块相互独立，既避免了相互干扰，并且替换方便，还有利于调整智能车的整体结构，使智能车得结构变得整洁，重心更合适。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型软件算法流程图；

图3是电磁传感器感应电动势与它距引导线水平位置的函数；

图4是本实用新型的循迹原理图；

图5是本实用新型转弯示意图；

图6是本实用新型车速控制框图；

以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例给出一种基于电磁引导的自动循迹智能小车控制器，包括一单片机，在单片机上连接有车速检测模块、路径识别模块、转向舵机模块和电机驱动模块，电机驱动模块连接直流电机，直流电机还与车速检测模块相连接，单片机、车速检测模块、路径识别模块、转向舵机模块和电机驱动模块均与电源相连接。

本实施例中，单片机选择MC9S12XS128单片机。在MC9S12XS128单片机上采用Code Warrior作为程序软件编译器，对智能小车进行调试，使用无线通信接口和存储设备获取智能小车在不同环境条件下的运行参数，定量地分析数据并总结规律，得到相应的算法参数，尽可能地提高智能小车的适应性和稳定性。通过PWM控制策略和PID控制技术对智能小车的转向和速度进行闭环控制，使小车能够自主识别通有20KHz、100mA交变电流的磁场引导线并根据引导线实现快速稳定的寻线行驶，控制稳定，能较好的满足控制要求。

智能车模需要能够通过自动识别赛道中心线位置处由通有20KHz、100mA交变电流的导线所产生的电磁场进行路径检测，以此来引导智能小车前进，MC9S12XS128单片机是控制核心，它负责接收赛道信息、小车速度等信息，并对这些信息进行处理，得到合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。

转向舵机模块和电机驱动模块分别用于实现小车转向和电机驱动；电源模块主要为单片机、及路径识别模块、转向舵机模块、电机驱动模块和车速检测模块提供稳定的直流电源。

路径识别模块由电磁传感器组成，其功能是获取前方赛道的信息，以供MC9S12XS128单片机作进一步分析处理；车速检测模块由光电编码器和MC9S12XS128单片机中的脉冲计数模块组成，通过检测赛车的实时车速为赛车的车速控制提供参考量。

下面说明该控制装置自动循迹行驶过程：

参见图2，上电开始后，首先要进行初始化，主要包括MC9S12XS128单片机内的各个功能模块的初始化，然后通过路径识别模块获取引导导线的位置信息，同时通过速度检测模块实时获取赛车的速度，利用智能小车与导线位置的偏差和检测到的实时车速，结合PWM控制技术和PID控制策略对赛车的舵机角度和行驶速度进行恰当的控制调整，使沿跑道快速稳定前进。

A、寻迹原理：

每个传感器感应的电压幅值E，反映了传感器所在位置的电磁场强度，感应电动势的大小与H/(H²+X²)成正比，其中H是传感器与导线竖直距离，X是传感器与导线的水平距离，假设：H＝5cm，X∈(-15，+15)cm，计算感应电动势E随着传感器水平距离X的变化的取值，其图像如图3所示；感应电动势E与传感器与导线竖直距离H和传感器与导线的水平距离X之间的关系，对于智能小车而言，H是固定的，就可以根据传感器所感应到的电压值的大小来计算出传感器与导线的水平距离X：

$X^2=K(\frac{H}{E}-H^2)---\left(1\right)$

上面只是一个传感器的寻迹计算，它不能判断导线具体在车中心的左边还是在右边，所以传感器的数量至少要大于两个，本实施例使用了四个电磁传感器等间隔“一”字形排列，见图4。

如图4所示，四个电磁传感器S1、S2、S3、S4均匀分布，间距为2L，以S2和S3的中心为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴建立平面直角坐标系，则传感器与导线的偏移量为X，根据公式(1)对于S1、S2、S3、S4而言有：

${(X+3L)}^2=K(\frac{H}{E_1}-H^2)$

${(X+L)}^2=K(\frac{H}{E_2}-H^2)$

${(X-L)}^2=K(\frac{H}{E_3}-H^2)$

${(X-3L)}^2=K(\frac{H}{E_4}-H^2)---\left(2\right)$

由公式(2)可计算出：

$X=\frac{\mathrm{KH}}{12L}(\frac{1}{E_1}-\frac{1}{E_4})$

$X^{\′}=\frac{\mathrm{KH}}{4L}(\frac{1}{E_2}-\frac{1}{E_3})---\left(3\right)$

对上面两式求平均值可得准确的X值：

$\stackrel{\‾}{X}=\frac{X+X}{2}=\frac{\mathrm{KH}}{24L}(\frac{1}{E_1}+\frac{3}{E_2}-\frac{3}{E_3}-\frac{1}{E_4})---\left(4\right)$

这样就可以准确地得到智能小车偏移导线的距离，从而实现了寻迹。

B、舵机控制策略：

在前面的寻迹算法中已经能准确计算出智能小车相对于导线的位置，这样可以根据寻迹得到的结果来控制舵机的转向角度大小，然后再根据需要转向角度的大小确定舵机控制信号PWM的占空比。在图5中θ为智能车所需转动的角度，由数学关系可知：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{X}{H}$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{X}{H}---\left(5\right)$

把公式(5)按泰勒级数展开：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{X}{H}=X-\frac{2}{H^2}{X}^3+\frac{36}{H^3}{X}^5+\·\·\·---\left(6\right)$

这样知道了智能小车的水平偏移量X就可以计算出转弯角度，而控制舵机的PWM信号的占空比与舵机转角成线性关系，故而确定了舵机控制信号PWM的占空比。

θ＝(L-1.5)×90°     (7)

其中，θ为舵机转角，单位是度(°)；L是脉冲宽度，单位是ms。控制舵机的脉冲使用MC9S12XS128的PWM波控制。改变占空比常数可以改变输出脉冲的宽度，从而控制舵机准确转向。

C、车速控制算法：

参见图6，在对智能车车速控制中，综合分析数字PID控制算法和Bang-Bang控制算法可知，Bang-bang控制有良好的实时特性，但速度平滑性不够好，并且允许误差选取不合适会导致控制效果变得很差。而Bang-bang控制算法允许误差是速度变化不平滑和速度振荡的主要原因，因此可以在大误差状况采用Bang-bang控制，小误差范围采用PID控制，这样既保留了标准算法的大范围误差下的最佳时间控制的优点，同时又减小了算法允许系统误差选取的难度，在稍大允许误差范围下系统也能较好地跟随给定。

路径识别模块的性能对整个系统能否稳定运行起着至关重要的作用，本实施例采用了连续的路径识别方案，提高了系统识别路径的精度和稳定性。在速度控制算法上采用了数字PID和Bang-bang控制算法相结合的控制策略，对智能小车的速度控制更加灵活，使小车的速度能很好的跟随给定，具有良好的响应速度，使智能小车能很好的适应各种形态的跑道。

Claims (2)

1.一种基于电磁引导的自动循迹智能小车控制器，包括电源，其特征在于，还包括一单片机，在单片机上连接有车速检测模块、路径识别模块、转向舵机模块和电机驱动模块，电机驱动模块连接直流电机，直流电机还与车速检测模块相连接，单片机、车速检测模块、路径识别模块、转向舵机模块和电机驱动模块均与电源相连接。

2.如权利要求1所述的基于电磁引导的自动循迹智能小车控制器，其特征在于，所述的单片机采用MC9S12XS128单片机。

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