暗网下载 电磁导引智能小车的设计与实现

刘晋泽1，朱燕红2

（1.位于湖南长沙410083的中南大学信息科学与工程学院；2.位于湖南长沙410073的国防科学技术大学机电工程与自动化学院）

摘要：背景是全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛，介绍了一种自主寻迹智能小车系统，该系统基于电磁导引。综合考量电磁组的各种复杂赛道元素，设计了“四横两斜”的混合线圈排布方案，基于此提出了一种赛道位置解算方法，该方法基于分段拟合建模与动态加权融合。试验结果显示，该方法具备良好的环境适应性，电磁小车能够针对不同路径高速稳定地运行。

关键词：智能车；电磁导引；赛道识别；自主寻迹

0引言

全国大学生智能汽车竞赛，是以汽车电子为背景开展的，其设计内容覆盖了自动控制，模式识别，传感技术，电子，计算机，机械，能源等众多学科知识，该竞赛的研究，对培养学子的知识融合与实践动手能力，创新意识与挑战精神，有着良好的推动作用［1］。

有一个属完全范畴的系统为智能车系统，此系统涵盖三大部分内容，分别是环境感知部分，规划决策部分，运动控制也属一部分，其功能所对应的如同人类的眼睛，大脑以及四肢，其中，环境感知部分具备的可靠性以及准确性，对于构成智能车整体形态的控制内容起着关键作用，其凭借感知检测收获的结果，是达成智能车运动控制的前提条件。

智能车竞赛规则规定，电磁组情况下，赛道中心设有电磁导引线，此线通有交变电流，电流频率为20 kHz，电流大小是100 mA，智能车借助电磁感应原理，检测该交变电流产生的交变磁场，凭借此来判断路径，进而控制小车沿着赛道行驶，参考资料为［2］。鉴于20 kHz交变电流产生的电磁波属甚低频电磁波，故而通常选用10 mH的工字电感线圈充当电磁传感器，会把导线周围变化的磁场近似当作缓变磁场，依照检测静态磁场的方法，获取导线周围的磁场分布

为了让叙述方便简洁，本文构建了车体坐标系，其呈现形式如图1所示：假定以小车向前行进的方向作为z轴，有一轴平行于赛道，并且此轴与z轴相互垂直且方向向左作为x轴，还有一轴垂直于xz这个平面且方向向上作为y轴，xyz这三个轴的方向关系满足右手定则。与此同时，做出约定，文中所提及的“小车与赛道中心线的偏离距离d”，均是用来表示车模前上方位置排布的左右两组线圈的中心与电磁导引线之间的距离。

依据毕奥 萨法尔定律，以及法拉第电磁感应定律，在车模前上方水平进行排布的线圈，其检测出的感应电动势，经过放大操作，再经过检波操作后，能够得到一个直流信号E跟水平距离x的关系，以此为依据能够解算出小车当前的位置偏差。然而采用单水平电感进行检测，仅仅能够反映位置偏差绝对值的大小，没有办法分辨偏离方向。能够弥补单电感没具备分辨左右能力这一问题的，是可以采用称为双水平线圈检测的方案了［2］，也就是在车模前上方处于高度为h水平方向位置，以对称状态排列去布设两个相互之间距离是L的水平线圈(情况如图1展示那样)，并且针对两线圈的感应电动势开展作出差值这项行动（简称为差值法），依据这个就能够判断出小车实际偏离的方向以及位置偏差情况了。这种方法在计算上面比较简单，直观又形象的，然而却因为在这两端的线性度不符合要求，误差比较 large，在复杂道路环境当中常常就会出现进行误判这种现象［3］探究其原因，主要在于小车于不同赛道元素上行驶之际，电感线圈于赛道上的投影跟电磁导引线存有夹角θ，进而致使由线圈检测的感应电动势所计算得出的偏离距离与实际出现偏差［4］，特别是在直角弯等复杂赛道上易于引发误判。

要去解决上述提及的问题，是在综合考量电磁组各类复杂赛道元素［5］的情形下，本文给出了一种依靠分段拟合建模以及动态加权融合的赛道位置解算方式，最终达成了能够针对不一样路径、平稳快速运行的电磁导引智能小车的制造，且凭借数量众多的实车试验证实了本设计具备的可行性与有效性。

1系统总体方案设计

如图2所示的电磁导引小车总体结构，主要是由几部分来构成的，这几部分分别是主控模块，传感器模块，底层控制模块，电源管理模块，人机交互模块 。主控模块，其核心控制部件是MC9S12XS128单片机，着重去完成各类传感器信息采集，开展小车的赛道识别事项，进行速度规划以及运动控制，还要具备必要的人机交互功能；传感器模块，主要是去感知外部世界的环境信息以及小车自身的状态信息，比如说凭借电磁传感器来获取赛道信息，利用干簧管检测起始线位置，通过光电编码器检测车模速度等；底层控制模块，负责执行主控模块发出的PWM运动控制指令，达成小车的前进与转向；电源管理模块，运用7.2 V/2 000 mAh的镍镉电池供电，借助DC-DC稳压转换模块给系统里各功能模块提供所需的电源电压；人机交互模块暗网下载，包含拨码开关、LED灯、蜂鸣器、键盘、液晶显示器、SD卡、无线通信模块和BDM调试模块等，用以便利用户调试和监控。

2软件系统总体框架

如图3所示的系统软件，其核心部分主要涵盖传感器数据获取，赛道提取，舵机控制，电机控制等，其中赛道提取是软件设计的重要环节，其主要任务是依据电感线圈检测信号来确定当前赛道的类型以及车—路关系，从而为小车的方向控制以及速度控制提供依据。赛车的方向控制依靠舵机控制，它以赛车车体作为参考系，依据小车跟赛道中心线的位置偏差设计增量式PD控制器，借此获取控制舵机的PWM波占空比；舵机促使车模前轮转向，让赛车中心线一直靠近电磁导引线。赛车的速度控利用电机控制，其期望速度源于速度规划环节，实际转速借助光电编码器检测，通过设计把增量式的PI控制跟BANGBANG控制相结合的办法达成对赛车速度的闭环控制。

3基于分段拟合与动态加权的赛道位置解算

将电磁组里的小S弯、大S弯、十字交叉、大回环、坡道还有直角弯等各类复杂赛道元素综合起来考虑，本文给出了一种赛道位置解算方法，此方法是基于分段拟合与动态加权的。用的是“四横两斜”的混合线圈排布方案，具体呈现如图4所示 。图当中，有4个水平的线圈，它们分别是1至4，依次排布在车模前上方，处于左右对称的位置，其位置分别为-10 cm、-5 cm、5 cm、10 cm处，最外侧对称排布着倾斜角度为45°的线圈5和线圈6，各线圈检测到的感应电动势分别用E1、E2、E3、E4、E5、E6来表示。

首先采集6个线圈的感应电动势（E1~E6），并对其进行比较，当E2或E3最大时，表明小车与赛道的偏离距离d在［－10 cm,10 cm］区间，此时要采用四水平线圈检测的感应电动势E1~E4进行三次多项式拟合，再通过求极值的方法解算赛道偏移位置d1；当E1最大时，表明小车与赛道的偏离距离d在［－20 cm,－10 cm)区间，利用感应电动势E1，通过离线拟合的线性函数解算赛道偏移位置d1；同理，当E4最大时，表明小车与赛道的偏离距离d在(10 cm,20 cm］区间，利用感应电动势E4，通过离线拟合的线性函数解算赛道偏移位置d1；同时，根据两侧内八字斜电感的感应电动势E5和E6，利用差值法解算赛道偏移位置，记为d2；最后将d1与d2加权求和，得到最终的赛道偏移位置为:

其中，α为权重系数，α∈［0,1］。α的计算公式为：

在式子当中，T呈现为阈值，它的数值需要依据实际制作的车模，以及赛道的复杂程度来予以确定。为了能够兼顾直角弯、大回环此类特殊赛道元素，经过反反复复的试验，在本文当中取T等于160 。

4实车试验结果及分析

对本文工作有效性予以验证，笔者搭建一台用于实验的电磁小车，随之开展大量该电磁小车的实际测试。

试验有结果表明，小车在直道上行驶之际，因线圈2与线圈3距导引线较近，感应电动势E2+E3大致在170以上，这时主要依靠三次多项式拟合进行推导计算用于解算赛道位置偏差；就在小车于弯道中行驶之日，因线圈2与线圈3偏离导引线，偏离的程度越厉害，其感应电动势之和就越小，与之相对应的α值也越小，此时三次多项式拟合的权重渐渐减小，双斜电感差值法的权重慢慢加大。鉴于双斜电感差值法对弯道的检测更为敏锐，所以提升了转弯的灵敏程度。特别地，小车行驶至直角弯之时，中间两个线圈的感应电动势之和呈连续递减状，相应地其权重呈现线性递减样态，很好地将直角弯的连续性问题给解决掉了。图6给出了小车经过直角弯流程里，运用未加权求和开展赛道位置解算之举与运用加权求和开展赛道位置解算之举的直角弯位置偏差变换对比图。依据图6能够知道，运用加权算法得出的直角位置偏差连续性得以增强，有效地削弱了从直道进入直角弯的突变性，进而能够凭借位置以及位置偏差的变化量判断出赛道类型，按照此进行速度规划和运动控制，另外还能够防止弯道与直角判断条件的冲突，增强了算法的环境适应性。

5结论

本文将电磁导引智能车当作研究对象，介绍了系统总体结构，介绍了软件框架。针对复杂赛道元素识别相关问题，提出了一种赛道位置解算方法，该方法是基于分段拟合建模与动态加权融合的。通过试验的结果表明，该方法具备良好的环境适应性，凭借此制作的电磁小车能够针对不同路径快速且稳定地运行。