基于單片機的電磁循跡小車的設(shè)計與應(yīng)用獲獎科研報告

基于單片機的電磁循跡小車的設(shè)計與應(yīng)用獲獎科研報告

摘

要：本文為介紹濟南大學(xué)農(nóng)夫山泉車隊在山東省智能技術(shù)應(yīng)用大賽過程中的工作成果。利用通電導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場對智能車進行引導(dǎo)，相比傳統(tǒng)的循跡該種循跡的優(yōu)點主要體現(xiàn)在磁場信號具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，不受光線、溫度、濕度等環(huán)因素的影響。智能車的硬件平臺采用帶STM32F103C8T6單片機，利用電壓采集模塊經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換傳回數(shù)據(jù)，再和速度檢測模塊進行綜合計算進而控制舵機模塊、電機驅(qū)動模塊來達到控制小車的效果。

關(guān)鍵詞：智能車，電磁循跡，環(huán)境適應(yīng)性，PID控制

一、系統(tǒng)設(shè)計方案

（1）總的設(shè)計方案分為硬件和軟件方案，此文中主要分析部分硬件模塊的設(shè)計及相關(guān)物理模型的分析，對于具體的c語言編程細節(jié)本文不做詳細描述。通過傳感器檢測到電壓采集模塊左右兩端和中間傳感器之間的壓差，將采集的壓差傳到STM32F103單片機，由PWM發(fā)生模塊發(fā)出PWM波，分別對舵機和直流電機進行控制，完成智能車的轉(zhuǎn)向、前進和制動等功能。

（2）全部設(shè)計主要有下面的功能：

①安裝電源檢測模塊，對智能車的電源電量進行實時檢測并通過OLED顯示屏顯示;

②通過車頭的傳感器將磁場信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號;

③后車輪裝有編碼器能實時檢測小車的行進速度;

④小車能在直道、連續(xù)的彎道、環(huán)形道路以及低坡度的橋上快速穩(wěn)步前進;

⑤小車具有制動功能，在檢測到特定的磁場時會立即剎車。

二、硬件系統(tǒng)中主要模塊的設(shè)計

（一）電源檢測模塊

本模塊使用高精度電阻分壓的方式對電池電壓進行測量，一般航模電池的電量是和電壓相關(guān)的，比如3S滿電的時候是12.6V，過放（電壓低于9.6V）必然導(dǎo)致電池永久過放，所以我們有必要通過監(jiān)控電池電壓的變化，近似表示電池的電量，在電池電量比較低的情況下，提醒我們充電。模塊的原理圖如圖1所示，電池電壓經(jīng)過電阻分壓，衰竭為原來的1/11之后，送單片機ADC檢測，以12位ADC的STM32舉例，Get_Battery為ADC采集的變量，那么很容易計算得到電池的電量Battery_Voltage=Get_Battery*3.3*11/4096（單位：V）。

（二）穩(wěn)壓模塊的設(shè)計

一般的小車使用2s或者3s航模電池供電，而系統(tǒng)板是5v供電的，所以我們需要降壓模塊進行12v到5v的電壓轉(zhuǎn)換，這里使用的芯片是LM2596S-5.0，下面是我們根據(jù)芯片手冊設(shè)計的外圍電路如圖2所示。

（三）電磁傳感器模塊的設(shè)計

此設(shè)計利用LC諧振回路選出特定頻率的電磁波，再通過小功率三極管進行信號放大，最后通過倍壓檢波電路將交流電轉(zhuǎn)成直流電輸給單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模塊仿真圖如圖2所示。

（四）小車運動軌跡建模

小車在轉(zhuǎn)彎時，后輪的內(nèi)輪和外輪形式的距離不同，行駛的時間卻一樣，因此后輪之間存在差速問題，傳統(tǒng)的汽車使用機械差速器完成差速，而我們的小車采用兩個電機直接驅(qū)動后輪，不需要機械差速，使得機械設(shè)計更加簡單，但在電控方面就更復(fù)雜一些。設(shè)舵機控制轉(zhuǎn)角為θ，車前進速度為v，前后輪中心距離為L，后輪距離為T，后轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)輪速度為v1，后轉(zhuǎn)彎外側(cè)輪速度為v2，小車轉(zhuǎn)彎角度原理圖如圖3所示。

因為角速度的一致性，根據(jù)運動關(guān)系分析得知：v/R=v1/R1=v2/R2、tanθ=L/R、R1=R-0.5T、R2=R+0.5T，由以上幾個式子可得：v1=v/R*R1=V*（1-T*tanθ/2L）、v2=v/R*R2=V*（1+T*tanθ/2L）。在軟件編程中采用PID算法對上述公式中得到的數(shù)據(jù)進行處理，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)就可以讓小車平穩(wěn)運行，具體參數(shù)的調(diào)節(jié)需要根據(jù)不同情況靈活改變。

（五）速度檢測模塊

編碼器是一種將角位移或角速度轉(zhuǎn)換成一連串電數(shù)字脈沖的旋轉(zhuǎn)式傳感器，從檢測原理上可分為光電編碼器（光學(xué)式）和霍爾編碼器（磁式），本小車采用霍爾編碼器進行測速?；魻柧幋a器由霍爾碼盤和霍爾元件組成，霍爾碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時霍爾元件檢測輸出若干脈沖信號，為判斷轉(zhuǎn)向，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號，在本車中后輪每轉(zhuǎn)動一圈輸出約390個方波，霍爾編碼器如圖4所示，這是一款增量式輸出的霍爾編碼器，有AB相輸出，可測速也可辨別方向，只需給編碼器的電源5v供電，在電機轉(zhuǎn)動時即可通過AB相輸出方波信號，改編碼器自帶上拉電阻，無需外部上拉，可以直接連接到單片機IO口讀取。

三、測試結(jié)果

按照設(shè)計，小車最后的成品如圖6所示，比賽時小車能夠快速通過直道、彎道、十字路口等多種類型賽道，完成60m長的賽道共用時26秒。