电磁导航式智能车控制系统研究

侯代坡，孔琳琳，王 烁，杨 成，韩致信

（1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050；2.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

全国大学生智能汽车竞赛以汽车自动导航技术为背景，采用MC9SXS128微控制器作为核心控制模块，主要针对电磁导航方式中道路检测传感器模块的设计，以及软件去除零点漂移方法进行讨论；为检测引导线与车体的相对位置，传感器模块设计了6个基本检测单元，使基本检测单元均匀分布在车体的前方成一字排布。电磁导航技术相对于图像检测方式和光电检测方式而言，具有抗干扰能力强、精度和可靠性高的特点。传感器输出信号为连续的模拟信号，易于实现智能车巡线的精确控制，更有益于增进高校学生对智能车的研究与探索。

通过传感器检测信号值的大小，并进行比较，判断引线的初步位置，最后通过一系列算法得出其精确位置。建立智能车自动循线控制系统，使其具备自动识别、自动循线和车速自动调整等功能。

1 检测模块硬件设计

智能车对起始线的检测采用干簧管串联方式，使用串联方式可以提高检测精度和灵敏度，易于实现干簧管的对称布置。道路引线检测传感器的驱动电压和转向舵机的驱动电压都为5V，直流电机电压（电池两端电压）为7.2V。采用7805，7806或2940稳压芯片。电机驱动芯片采用BTS7960，2片同时使用，用于控制电机的正反转。

智能车导航采用的是20kHz不断变化的正弦交流电，该电磁波属于甚低频电磁波。采用电磁感应线圈方案，其原理简单、价格便宜、频率响应快和电路实现简单。

放大电路采用LC震荡电路检测交变磁场，弱信号经放大电路放大，再经检波电路的检波，得到直流信号传输给单片机A／D模块进行转换，如图1所示。探头采集到的信号为毫伏级正弦信号，因此要对其放大整流。由于微处理器A／D接口采样电压范围为0～5V，取放大倍数为100。该电路前一级运算放大器对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因此对前后级电路起到缓冲隔离作用。后级运算放大器起到电压放大作用后，驱动发光二级管，根据发光二极管的亮度指示传感器检测交流磁场的强弱。

图1 信号检测系统的电路

2 传感器布局方式

2.1 传感器布局方式设计

由于导线周围的磁场分布为[1]：

由此得：

对于无限长直流来说，上式中θ2＝0，θ1＝π，则有：

并且磁力线的方向垂直于导线平面以导线为轴的一系列同心圆。同一圆上的磁感应强度相同。

在水平面内取与导线垂直于探头的方向为X方向，与导线平行的方向为Y方向，竖直方向为Z方向，在同一高度情况对水平位置信号进行测试得出如下结论[2]。

如图2所示，导线周围磁场的强弱为一左右对称图像，因此可用X方向调整车体的位置，调整转向舵机角度的大小。

图2 线圈轴线（X轴）信号

传感器与赛道水平垂直放置，并且均匀分布于赛道前端。均布放置可以使得每个传感器检测过程中都能检测到数据，并且通过传感器的值不同，得到导线的初步位置，然后将数据传入微处理器，通过进一步分析得出道路中心精确位置，从而控制舵机转角的大小，使智能车在预定轨道行驶[3]。

2.2 数据分析

由表1和图3可知，当导线处于两传感器中央时，A／D采样信号差值（Ed值）为0；当将导线往左移时，Ed值小于0；当将导线往右移时，Ed值大于0。因此，导线位置在0～30cm之间变化时，A／D采样信号差值与探头中心距导线距离为单调函数。由此，利用A／D采样后信号差值大小确定赛道中线位置，起到导航作用。

表1 A／D采样后信号差值实测数据

图3 实测数据曲线

3 软件设计

3.1 软件主要功能与框架

智能车软件控制设计中，主要包括系统初始化、获取A／D值、数据检测、去除最大最小值、数据归一化处理、求均值、计算智能车车体位置和智能车方向控制等。

软件的主要功能有车体运行状态检测、电机PWM输出、车体速度控制、车体方向控制、车体运行流程控制、程序初始化、车模启动与停止控制、状态显示、上位机监控和参数设定等。

智能车控制系统软件流程如图4所示。

图4 智能车控制系统软件流程

3.2 软件分段插值标号算法

根据图3所示，A／D采样后信号差值的大小，与探头中心距导线的距离成单调分布规律，由此，可建立智能车方向控制策略[4]。利用左右对称的6个传感器，来判别道路中心位于6个传感器的哪个区间。将6个传感器由左至右进行编号｛A，B，C，D，E，F｝，在微处理器中对6个传感器所检测到的信号值进行比较，得出最大值和次大值，从而判断出道路大体中心位置。此时得到的中心位置为6个传感器区间位置，为了控制的精确性，在6个区间之内采用插值标号的控制算法。由于两传感器检测信号差值成单调分布规律，所以在每个区间内根据图3所示进行分段插值，可根据实际需要将插入值分为3个，此时对应的舵机转角相应增加。为了控制的连续性，也可将插入值分为3～6个不等，实验证明，4个插入值即可满足转向需要。然后对插入值由左至右进行编号，每个编号对应不同的舵机转向角。

4 结束语

设计了电磁导航智能车检测系统，从硬件和软件的角度进行了详细论述，提出了一种简单高效的方向控制算法，实验证明，此方案具有良好的稳定性和精确性。采用此控制算法在第六届“全国大学生智能车大赛”中获得西部赛区决赛二等奖。但该方案还有改进之处，比如软件算法分段插值可以改为连续性控制方案，也可以增加道路情况预判策略。

[1]张昊飏，马 旭，卓 晴.基于电磁场检测的寻线智能车设计[J].电子产品世界，2009，16（11）：152-155.

[2]李仕伯，马 旭，卓 晴.基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究[J].电子产品世界，2009，16（12）：41-44.

[3]马 蕾，王荣本.智能车辆导航控制技术[J].吉林大学学报，2004，34（4）：582-586.

[4]胡广书.数字信号处理—— 理论、算法与实现[M].北京：清华大学出版社，1997.