智能車(chē)電磁檢測(cè)及控制算法的研究

摘要：在智能車(chē)傳統(tǒng)PID、PD控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種更為穩(wěn)定快速的循跡控制方法。智能車(chē)的方向控制和速度控制都具有非線性、大滯后的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制方法存在著響應(yīng)時(shí)間不夠及穩(wěn)態(tài)誤差大的缺點(diǎn)。通過(guò)電磁傳感器的合理設(shè)計(jì)，對(duì)路徑信息和車(chē)體狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并在此基礎(chǔ)上引入基于模糊控制的變參數(shù)PD控制和變結(jié)構(gòu)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，智能車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性和快速性都得到了很大的提高。
關(guān)鍵詞：智能車(chē)；MC9S12XS128；模糊控制；變參數(shù)PD控制器；變結(jié)構(gòu)控制器

本文是以第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽為背景。本屆比賽新增加了電磁組的比賽，在50 cm寬的賽道中心鋪設(shè)有直徑0．1～0．3 mm的導(dǎo)線，其中通有20 kHz，100 mA的交變電流。除此之外，在賽道的起跑線處還有永磁鐵標(biāo)志起跑線的位置。車(chē)模要通過(guò)自動(dòng)識(shí)別導(dǎo)線所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行路徑檢測(cè)。
從道路元素來(lái)看，賽道一般可以分成直道、轉(zhuǎn)彎、S道、回環(huán)道等形式。在智能車(chē)行駛的過(guò)程中，為了選擇最佳路徑，減少行駛距離，在轉(zhuǎn)彎處最好選擇內(nèi)切，小S彎甚至可以近似的走成直線。但是由于電磁傳感器的局限性，不可能像攝像頭一樣檢測(cè)到前方賽道的全貌，這就要求在算法上有所突破。

1 智能車(chē)系統(tǒng)的硬件組成
1．1 整體硬件結(jié)構(gòu)介紹
圖1所示為智能車(chē)控制系統(tǒng)的硬件框圖。系統(tǒng)采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位微處理器MC9S12XS128作為核心控制芯片，設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)模塊；外圍電路包括路徑檢測(cè)模塊，速度檢測(cè)模塊，舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力支持。其中速度檢測(cè)模塊采用光電編碼器采集信號(hào)，并通過(guò)微控制器的ECT模塊進(jìn)行脈沖捕捉計(jì)數(shù)，測(cè)得速度值；電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用H橋，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及制動(dòng)。

1．2 電磁傳感器的設(shè)計(jì)
根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流會(huì)在周?chē)a(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。本智能車(chē)選用工字型10 mH電感作為磁場(chǎng)感應(yīng)傳感器。這類(lèi)電感體積小，Q值高，具有開(kāi)放的磁芯，可以靈敏的感應(yīng)周?chē)蛔兊拇艌?chǎng)，產(chǎn)生響應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。圖2所示為路徑檢測(cè)模塊電路圖，這里只為其中的一路。

電路中L1為10 mH電感；C4為6．8 nF的諧振電容，實(shí)現(xiàn)20 kHz信號(hào)的選頻電路；Vout為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出端。傳感器模塊伸出車(chē)體約10 cm，距離地面8 cm。
由畢奧-薩伐爾定律知，通有穩(wěn)恒電流的直導(dǎo)線周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)分布是以導(dǎo)線為軸的一系列同心圓。圓上磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相同，并隨著距離導(dǎo)線的徑增加成反比下降。
通電導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為：。k為比例系數(shù)，與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可用楞次定律來(lái)確定。對(duì)于放置在導(dǎo)線上方h處，與導(dǎo)線水平距離為x的線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與成正比。θ是傳感器所在平面與導(dǎo)線的夾角。