基于金属检测导航的智能车控制系统研究

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1、基于金属检测导航的智能车控制系统研究朱志文赤峰学院摘要：现在多数以金属传感器为方向检测的智能车模型都采用ldc1000传感器为引导，但大多都是一路或两路传感器，容易在行驶过程中丢线，且由于线圈之间存在互感导致检测效率极低。本文提出在采用三路金属传感器的情况下，通过硬件克服线圈之间的互感，并采用最优控制算法，使小车能够快速平稳的沿着铝膜行驶。关键字：ldc1000;金属检测;线圈排布;最优控制;PID算法;一引言现在的金属探测技术主要应用于车站安检，硬币探测等，以金属检测为方向引导的嵌入式控制系统还未有较大的突破。多数以金属检测为方向引导的智能

2、车主要是由单路金属传感器进行道路导航，多应用于金属探测识别领域。智能车涉及道路感知、路径规划、小车机械、自动控制算法等多个方面的内容，是一个非常复杂的非线性控制系统，本文在现有的智能车发展基础上，通过优化三路ldc1000金属检测系统，实现以金属检测为导航的智能车控制系统设计。二系统设计1．传感器设计（1）双路检测方案Ldc1000检测金属是利用涡流原理[1]实现。由于涡流反应的是线圈和铝膜的距离、重叠面积等变量[2]的关系，在此系统中距离d不做为系统变量考虑，另d为一固定值，即线圈距离铝膜5cm。本系统主要是通过检测线圈与金属铝膜的重叠面积

3、来确定小车的位置。当线圈与铝膜产生不同的重叠面积时，ldc1000向控制芯片返回不同的数字量，由此反应出赛道的变化情况。当系统采用两路金属传感器进行方向识别时，极易丢线且出现“摇头”现象。用蓝牙对数据采集，经数据拟合后发现:当小车偏离角度小于π/6时，两路差值呈线性关系，小车为线性响应，表现为在直道和小s弯道运行良好。图1双路线圈方向控制但是当小车偏离角度大于π/6，两路差值开始减小，直至小车偏离角度大于π/3时，两路差值减小至0。表现为当小车通过大s或圆环赛道元素时，小车有转向动作但由于系统响应延时，导致小车偏离角度大于π/3，舵机不打角，

4、小车丢线。（2）三路检测方案在两路传感器检测的基础上，通过在两路线圈中位线方向加入第三路线圈，中路线圈恰好位于铝膜正上方，通过中路线圈的值来预判小车是否完全丢线。当小车偏离角度大于π/3时，将舵机偏转角度置最大，使小车回正。图2三路线圈方向控制在三路线圈的排布上要注意线圈之间的距离，减少由于线圈间互感[3]产生的信号干扰。线圈的排布可按正三角形分布，令两线圈中心距离为感应金属宽度和线圈直径之和。图3线圈排布（3）谐振电容测试如果交变电流直接加在电感线圈上，能量损耗严重。为解决这一问题，将线圈与电容并联组成LC谐振电路[4]，此时能量只损耗在初

5、级线圈和互感的寄生电阻上。实验发现，当左路线圈位于金属铝膜上方时，涡流效应产生的反向磁场与左路线圈形成一级耦合变压器，左路线圈和右路线圈之间形成二级耦合变压器，右路线圈通过左路线圈检测到金属的涡流效应。使得右路线圈在没有检测到金属时，却和金属涡流现象产生的耦合作用一样给MCU返回了相同的数字量。即将右路线圈缓缓从铝膜上方移开时，检测到的数字量逐渐变小，但随着左路线圈慢慢进入铝膜上方，右路线圈检测到的数字量又增大，导致小车在行驶过程中对赛道误判，极易丢线。通过增大线圈之间的距离来消除互感有一定效果，但是当线圈距离增大时影响小车对道路的识别，小车

6、出现“摇头”现象。通过对每路线圈焊接不同的电容，使得每路金属传感器谐振在不同的频率上，线圈之间的互感大大减小，每路产生的磁通变化均由金属涡流现象产生，不受其它线圈的干扰。另外，在硬件设计过程中应注意单片机连接到ldc1000传感器的线应尽量短，避免其他干扰（噪声、静电）对信号的影响[5]。表1谐振电容测试实验左路谐振电容(pf)右路谐振电（pf）中路谐振电（pf）实验结果100100100单路正常100200200单、双路正常100200300三路均正常2．硬件电路设计根据设计要求，该系统硬件设计如图所示。系统整体由低功耗ARM微处理器KL2

7、6、金属传感器电路、电机驱动电路、舵机驱动电路、供电模块等组成。图4硬件电路舵机采用S3010型号通用伺服器，当供电为6.0V时，其动作速度为0.16+0.02[sec/60度]，反应速度快，转向灵敏。电机使用额定电压为7.2V的RS-380SH-4045碳刷马达，单片机输出PWM通过H桥驱动电路[6]控制电机正反转。编码器使用512线Mini型，其采用霍尔检测技术，属于无接触检测，运行时不受灰尘及其他杂物干扰。3．软件程序设计(1)软件设计流程图本系统控制芯片是32位低功耗单片机KL26，编译环境是IAR7.2，采用C语言编写主要程序。程序

8、模块主要包括系统初始化、道路标定、数据检测与分析、舵机电机响应、编码器测速反馈等组成。图5软件设计流程图（2）数据采集与处理首先通过初始标定采集赛道情况。分别标定左