基于电磁场检测的智能车设计

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1、万方数据112应用科学科201㈥乱。年第l嗍玎L基于电磁场检测的智能车设计吴振威，毛辉，薛明，张玉枚(中国矿业大学北京机电与信息工程学院。北京100083)擅曩介绍一种基于电磁场检测的寻线智能车设计方案，该设计硬件系统高效稳定，传感器设计简单、反应灵敏、布局合理。可以稳定采集赛道磁场信号。舵机转向的PID算法调控和速度的闭环调控能使赛车适应各种赛道．实践证明该设计能够满足车模快速稳定运行的要求。关麓词智能车；电磁场；传感器；算法中圈分类号TP文献标识码A文章编号1673—9671一(2010)091-0112--0120io

2、年第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛新加了电磁组，电磁寻线智能车首次亮相就让我们看到了该项技术的强大潜力。在华北赛区决赛中北京理工大学星际航行者队以24．101秒的成绩夺筒，光电组和摄像头组的第一名成绩分别为22．051秒和21．405秒。相对具有四年技术经验积淀的光电绢和摄像头组，这样的成绩已经非常不错了。这也让我们看到了智能车技术在另一领域的应用前景。1设计原理竞赛车模需要能够通过自动识别赛道中心线位置处南通有100mA、20kP,z交变电流的导线所产生的电磁场进行寻线前进。测量磁场大小的方法有很多种，差异也很大

3、。我们选取最简单的电磁感应磁场的磁场测量方法，用电感线圈去感应磁场并进行信号放大，从而获得磁感应强度信号。对于无限长直电流来说，导线垂直距离r处的磁感应强度为：B2i急，当线圈垂直于跑道导线水平放置时，感应电动势反映了磁场的水平分量。根据电磁感应公式知道感应电动势大小与1二百(r为线圈到导线的水平距离，h为线罔到导线的垂直距离)成正比。根据磁场强弱与线圈位置的关系。通过合理的传感器布局可以获得车模的具体位置及运行方向等信息，从而对赛车进行控制。可以用于簧管对永磁铁标志的起跑线位置进行检测控制赛车停止。2硬件设计2．1系统整体

4、方案设计图1’如图l所示系统方案设计，赛车共包括六大模块：MC9S12XSl28主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下：MC9S12XSl28主控模块，采集电磁传感器、编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能车的控制。传感器模块，可以通过一定的前瞻性，准确并提前感知前方的赛道信息，为控制决策提供必要的依据和一定反应时间。电源模块，为整个系统提供合适稳定的电源。电机驰动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能乍的加减速控静j和转向控制。速度

5、检测模块，选用旋转型编码器可以准确测量后轮灾际运行速度。从而对赛车速度进行闭环控制。辅助调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。2．2单个信号传感器的设计有些参赛队伍选择了数字璎感应方式来进行赛道检测使其控制方法类似于光电组。实践证明完全没必要将电磁传感器设置成数字型的，电磁组的优势之一就足信号是连续的。可以提高控制精度进行连续控制，使赛车行驶更加稳定，设置成数字型后灵敏度远没有光电组的红外和激光传感器高。图2传感器基本原理电路图采用线圈感应磁场的测昔办法，可以崩最简单的三极管放大电路得到放大信号，三级管放

6、大电路有螳缺点，比如增益调爷范围不广，波形失真等。用图2运放放大电路可得到增益连续ⅡT调的无失真放大信号。将载波直流电压调至2．5V左右，最大峰峰值限制在2．5V以内即可。2．3传感器布局通电导线周用的磁场是—个矢最场，在通电直导线两边的周罔竖直放置两个轴线相勺：垂直并位于与导线相垂直平【酊内的线圈，以两个线圈作为一个传感器则可以感应磁场向昔的两个垂直分量，进而可以获得磁场的强度和方向，提高赛车的前瞻性能。提前感应赛道变化。两个垂直线圈和两个水平线圈组合在一起，可以独立地获得比较丰富的信息，因此町以在应用中将它们作为一个传感

7、器组。线圈高度h取在5一lo(·m比较合适。满足过坡道要求，一个对称的传感器组之『HJ的距离1取值也要合适。l太小误差会比较明显；l取得太大，线圈的感应电动势会很小。并且变化缓慢．不利于测量。综合考虑，l取15—30cm比较合适。可以将传感器按如F方式排布：将两排传感器阶梯排布，每排三个，中问位置一个，以中间传感器为中点对称排布两个传感器。前排传感器高度在8。lOem，距车身前沿15em左右。两端传感器距离25c-n左右，后排高度在5—8em，距车身前沿5c“旺生右，两端传感器距离在15cm左右。为了提高其检测精度，前排可以

8、在适当位置增加一对传感器。车前直接探测距离可达约15em，最前排传感器预测距离为15em左右，因此该布局方案町以感知车前30cm的路线，可以满足以3m／s左右的速度运行的控制要求。3软件算法3．1导线位置数据采集与计算模块本模块向其它模块提供测鼍X值的接口。本模块前后两排分别采用三个AD接