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基于单片机的无线充电电磁循迹小车

发布时间:2019-03-28 15:41所属分类:科技论文浏览:1

摘要:以S9KEA128单片机为主控,设计了一套电磁循迹智能车系统。针对一般智能车充电需要人工插线、锂电池充电慢等问题,采用无线充电方案设计,选用超级电容组作为储能装置。文中介绍了无线充电模块、自动升降压电源模块、运放模块的设计方案、差比和偏差算

  摘要:以S9KEA128单片机为主控,设计了一套电磁循迹智能车系统。针对一般智能车充电需要人工插线、锂电池充电慢等问题,采用无线充电方案设计,选用超级电容组作为储能装置。文中介绍了无线充电模块、自动升降压电源模块、运放模块的设计方案、差比和偏差算法、速度PI闭环控制、方向PD闭环控制等。经过实验验证,该智能车能够以不低于2m/s的速度自主完成铺设有环岛、S弯、U型弯、十字路口等元素的赛道,循迹效果稳定可靠,升级空间较大。

  关键词:智能车,单片机,电磁寻迹算法,差速控制,无线充电

物联网技术

  第十三届全国大学生智能车竞赛(后简称大赛)题目设定宗旨:在“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”的指导思想下,同时兼顾当今科技发展的新趋势。超级电容因为其充电速度快、大电流放电能力强、功率密度高等特点,在新能源汽车领域备受关注。同时超级电容所拥有的充放电路简单、安全系数高、超低温特性好等特点使其适合于工程项目应用。

  它作为一种储能器件,属于双电层电容器,其储能过程中并不发生化学反应,储能过程可逆、充放电次数多,对环境十分友好。在超级电容广泛应用于汽车领域、无人驾驶技术领域的背景下,大赛新增了无线节能组。按照大赛要求,设计并制作一款将3D打印件作为车体,由法拉电容供电、支持无线充电的电磁寻迹智能车(下称小车)。

  小车采用32位微控制器S9KEA128作为主控,利用电感电容捕获赛道正弦电磁信号。电磁信号经过放大整流后输入到微控制器ADC模块进行数字化处理,之后由程序对数据进行处理,解算出路径偏差后控制电机差速转弯,实现循迹功能。实验流程:超级电容先放电使两端电压不超过0.1V。

  小车停留在充电区域,开启地面无线充电发射装置,待程序检测到超级电容两端电压达到一定数值后,则认为充电完毕,控制电机驶离充电区域。出发后车模能够沿着赛道自动运行两圈并停在指定区域内。本文设计的技术核心为无线充电技术、赛道路径判断,所提出的设计方案源于反复实践与测试,结果可靠。

  1智能车机械设计

  小车采用3D打印车身、两轮前驱配一个全向轮后轮的设计。驱动电机采用市面上常见的自带电调的五线调速无刷电机[1]。智能车通过两个电机差速实现转弯。电感电容对安装在车头前瞻支架上,距离后轮轴心40cm处(大赛要求前瞻最长仅能伸出到距离后轮中心40cm处),距离地面18cm处(保证前瞻具有一定的扬起角度,防止上坡时卡在坡上)。利用前瞻支架传感器可以提前收集赛道信息,提高通过小S弯路段的流畅性,增强小车循迹稳定性。

  2智能车硬件设计

  工字电感配一个谐振电容组成一套电感电容对,作为传感器,利用电磁感应原理接收来自地面电磁导线的正弦信号。两个水平方向摆放的传感器用作一般赛道元素循迹(如直线、十字路、一般弯道),两个竖直方向摆放的传感器用作环岛循迹。运放模块将采集到的微弱正弦信号放大后整流转化为直流输入到微控制器的ADC模块进行数字化处理。

  根据路况信息,微控制器通过集成的FTM模块产生两路占空比不同的PWM波、输出控制量,调整两个电机转速进行差速、控制方向,以此实现寻迹功能。智能车的速度采集通过512线编码器完成,轮子转过一圈编码器会产生固定的脉冲个数。脉冲信号经微控制器FTM模块采集,折算为轮子的实际转速。智能车同时还需要配备蓝牙串口HC-05、OLED显示屏、按键进行信息传输、人机交互,方便程序调试,应当在主控板上添置相应接口。

  2.1能源系统电路设计

  智能车通过无线充电接收模块从地面发射装置中取电,向法拉电容充电后再供给电路其他部分。

  2.1.1无线充电模块设计

  无线充电模块可简单分为两部分:整流输入部分和稳压输出部分。整流部分包括接收线圈、谐振电容和整流二极管,将接收的交流电转换为直流电。大赛规定地面无线充电发射器输出功率为640kHz/30W。接收线圈选用5匝多股漆包线,配4.7nF的高压高频电容作为谐振电容。接收线圈内切于发射线圈正上方5mm处,整流部分输出电压约为30V。稳压器件选用凌力尔特公司设计生产的LTC3780,宽电压4~36V输入、输出0.8~30V可调,经测试符合需求。为了防止法拉电容组过充,采用LM358比较器进行保护,当电容组电压达到或超过设定值时(由滑动变阻器调节设定值),比较器输出为高,拉高LTC3780的RUN引脚使其关断。

  2.1.2自动升压降压电源模块

  本车使用的法拉电容组由5个60F耐压值为2.7V的法拉电容串联组成,带有BW6106均压保护芯片,对应保护点为2.45V,法拉电容组充电输入、输出电压范围为0~12.25V。智能车上的微控制器、运放芯片、OLED显示屏等都需要5V电源供电。法拉电容组放电工作时电压会不断下降,为保证其他元器件供电正常,并尽可能充分利用法拉电容组中的电能,需要能够自动升压降压的电路。选用的TPS630701的输入范围为2.0~16V,输出为5V。

  智能车的五线调速无刷电机供电输入范围为8~16V,功耗较低。为了使电机能够更好地响应,供电电压要尽可能高。综合考虑,采用德州仪器设计生产的TPS61088升压输出12V电压为电机供电。

  2.2智能车运放模块设计

  赛道中心铺设有一条直径为0.1~1.0mm的电磁引导线,通有20kHz,100mA的交变电流。传感器架设于前瞻支架上(离地面约18cm处)。为保证程序的处理精度,应将微弱的电磁信号放大。经验证,德州仪器公司设计生产的四路运放芯片OPA4377符合使用需求。

  3智能车软件设计

  3.1路径识别

  根据毕奥-萨伐定理可知,电感检测到的感应电动势会随小车远离载流导线而减小。采用经典差比和(归一化)算法,即利用两个电感的电压值“作差、作和、再相除”的思路对归一化后的数据进行处理,运算出的结果数值与智能车偏离赛道中心角度正相关(但并非线性关系),运算结果数值的正负与智能车偏离的方向对应[2]。

  3.2智能车控制算法

  控制算法分为如下三部分:(1)方向闭环PD控制;(2)速度闭环PI控制;(3)电机驱动程序,需要花费一定时间调整两个控制闭环的参数才能达到良好的控制效果。

  3.2.1方向闭环PD控制

  方向闭环控制可以使智能车转弯响应更快、更准确,同时增强了系统的稳定性(相比开环控制而言)。程序片段如下(5ms执行一次此程序片段):floattemp[4];//存放偏差(POSITION)intDir_out=0;//存放PD控制输出的占空比差值floatdiffer=0.0;//存放微分结果floatKp,Kd;//存放P与D的系数temp[3]=temp[2];temp[2]=temp[1];temp[1]=temp[0];temp[0]=POSITION;//刷新,历史数据往后递推differ=(temp[3]-temp[0])*100;//求微分,并放大100倍(微分限幅后略)Dir_out=Kp*POSITION+Kd*differ;//PD算法。

  3.2.2速度闭环PI控制

  因为两个电机之间存在差异以及外部因素影响,如两轮的重量、重心位置不同、外胎摩擦力不同、地面凹凸不平等,导致即使输入相同占空比的PWM波,也无法使两个轮子输出的转速一致,使得智能车在行驶过程中始终处于一种偏离方向的状态,高速行驶时不利于控制。为了减少这种情况对智能车的影响,采用PI控制算法对两个轮子分别进行速度控制,使得在某种程度上两轮速度接近。

  此外,当智能车车速上升到一定程度时,会因为速度变化不平滑引发失控,出现赛道打滑、弯道冲出的问题。利用PI速度控制算法可以有效缓解这些问题。轮子的速度由512线编码器采集。值得注意的是,对编码器采集的数据应当进行滤波处理,综合多方面考虑,最终决定进行一阶低通滤波处理[6]。

  程序如下(25ms执行一次):voidPID_Banlance(intSv)//Sv为设定的目标速度{floatKp=1.0,Ki=0.10;//存放P与I的系数staticintSEK_L,EK_L,Pv_L;//分别存放历史偏差总和,当前偏差,滤波后的当前速度intspeed,SpeedCtrl_L;//分别存放编码器采集回来的当前速度,PI输出结果Pv_L=0.90*speed+0.10*Pv_L;//一阶低通滤波EK_L=Sv-Pv_L;SEK_L=+EK_L;SpeedCtrl_L=Kp*EK_L+Ki*SEK_L;//PI算法(后面限幅略)}//右轮程序相同。

  3.2.3电机驱动程序

  融合方向环和速度环控制量,输出两路PWM控制两个电机(本文设计采用的电机使用单极性PWM波控制)。程序如下:VoidGo_motor(intSpeedCtrl_L,intSpeedCtrl_R,intDir_out){Intout_L=0,out_R=0;//控制左轮的最终占空比,控制右轮的最终占空比out_L=SpeedCtrl_L-Dir_out;out_R=SpeedCtrl_R-Dir_out;//两轮差速}//后相关程序。

  4结语

  传统基于影像光学的循迹方式因对外界干扰抵抗能力差,很多时候都不能较好地满足客户对于稳定、快速的需求。而有轨运输又面临成本高、改动困难等问题。目前,凭借成本低、修改方便、抗干扰能力强等优点,电磁导航技术已成为当前工业运输自动化研究的重点。本文针对电磁导航技术和超级电容的应用特点,结合无线充电技术、路径偏差算法、PID控制算法,提出一种电磁循迹智能车系统设计,具有成本低、稳定性高等优点,可以满足大多室内无轨运输的需要。

  本文方案还有很大的提升空间,其改进思路如下:(1)无线充电的过程最好由反馈程序控制,实时调整充电电流,完成法拉电容组的自适应充电,使充电更快;(2)智能车循迹的实时性要求较强,应当使用嵌入式实时操作系统;(3)当前采用的经典PID控制算法太依赖参数,受到外界强烈干扰容易引发失控,应当采用更先进的PID控制算法。

  参考文献

  [1]陈国定,张晓峰,柳正扬.电磁智能车电感排布方案[J].浙江工业大学学报,2016,44(2):124-128.

  [2]刘萍,魏滢,缪斌.电磁组智能车控制策略探讨及实现[J].四川理工学院学报(自然科学版),2016,29(2):19-24.

  [3]张晓峰,钟一博,李清晨,等.电磁智能车循迹算法[J].计算机系统应用,2014,23(12):187-190.

  [4]秦刚,杜超,吴丹怡.智能车转弯控制算法的仿真及分析[J].自动化技术与应用,2012,31(12):49-54.

  [5]史彬,牛岳鹏,郭勇.智能车模双电机差速控制的可行性研究[J].电子产品世界,2012,19(8):50-52.

  [6]王春玲,董滨.采用数字滤波改进PID控制[J].仪表技术,2002(3):32-33.

  [7]朱昌平,李永强,单鸣雷.“飞思卡尔”智能车常见技术问题与解决方案[J].实验室研究与探索,2012,31(4):45-49,57.

  [8]秦磊,王佳宇,黄名扬,等.基于单片机的电磁循迹智能车系统的设计[J].物联网技术,2018,8(7):102-104.

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