支持无线充电的智能循线小车系统的设计分析

徐华锋 陆靖雯 高依然

摘 要：通过实验，设计了一种基于无线充电的智能小车系统。该系统采用无线充电模块和锂电池为汽车提供安全、快速、有效的电能供应。小车循线模块主要是基于一个四路红外传感器，利用物质的对光的反射和吸收性质，当红外线发射到黑线上时会被黑线吸收掉，发射到其他的颜色的材料上会有反射到红外的接受管上。通过安装在前端和底板的红外传感器采集的路径信息，让四轮驱动减速电机控制小车行驶，实现小车的巡线功能。

关键词：智能小车;红外循线;无线充电

一、研制背景及意义

新能源汽车早已被列入国务院发布的《“十三五”国家科技创新规划》，它的发展一直是国家实现可持续发展的战略要求，是缓解现如今日渐短缺的石油资源和环境污染的现状的良好手段。对于电动汽车走向市场的挑战， 其能源的可持续供应即电动汽车充电技术是制约电动汽车发展的关键。对于电动汽车面临的市场挑战，可持续的能源供应，即电动汽车充电技术，是制约电动汽车发展的关键。而无线充电技术作为一种新型的新能源汽车充电方式，具有安全、可靠、灵活等优点，具有着良好的市场应用前景，它的高效率实现为电动汽车的发展带来了新的机遇。因此，本设计以无线充电系统高效稳定供电为研究目的，制作出一件支持无线充电的智能寻轨小车模型。

二、硬件系统及其控制

（一）控制中心

小车控制系统以STM32F103C8T6为主控芯片，采用四通道红外传感器采集道路信息，充分利用其高速计算处理能力，实现循线功能。STM32F103C8T6开发板是一款常用的集计算、控制、存储和输出于一身的计算机硬件系统。其程序存储器容量是64KB，强大的芯片资源和IO配置比起51单片机、Arduino更具挑战性。

（二）电机驱动

小车由四轮驱动四路直流减速电机驱动。采用TB6612FNG驱动芯片控制驱动4台直流减速电机。通过控制驱动芯片的AIN1，AIN2，BIN1，BIN2，PWMA，PWMB的电平高低来控制电机的正转，反转，停止。电机控制原理见表1：

（三）循线模块

小车循线模块是基于红外传感器，其采用的是四路红外传感器分别连接在STM32主控板上的A1，A2，A3，A4口上。其中中间两路循线是一直在黑线上，小车会直行，当任意一个出来，则小车会自动纠正，如果最外面的检测到黑线，则小车以更大速度纠正到正确黑线上面。其程序编写原理如图1所示。

（四）无线充电模块

其无线充电模块设计是利用近场感应，也就是电感耦合，是由震荡电路产生交流信号，经波形电路处理后，最后由功率放大器将波形放大，形成交流电，发射端线圈以交流电推动而产生交流电磁场，从而将能量从发射端转移到接收端。通过桥式电路整流和滤波电容滤波成直流电给小车内部三节18650鋰电池充电，当无线充电发射器停止充电时，使用继电器自动控制开关，经DC-DC稳压升压变换给小车供电，从而实现无线充电电动小车前进。无线充电发射模块采用XKT-801芯片，接收模块采用XKT630芯片。这两个芯片是芯科泰公司开发的高频谐振大功率集成电路。主要用于大功率、长距离系列产品。它们负责处理无线能量的传输功能。利用电磁能量转换原理实现能量转换和对电路的实时监控，为各种电池实现快速充电。

（五）机械部分

机械部分设计如图1所示，采用4WD四驱装置为小车的主体部分，采用多孔的铝合金板材搭成小车机械框架，tt减速电机作为驱动，以及亚克力板辅助搭建。整个作品目前尺寸为260mm*190mm*140mm，以锂电池为供电模块，通过稳压模块转换电压给减速电机和四路循线模块供电。设计时的注意事项：

（1）小车搭载的模块较多：驱动板、四路循线、红外感应器、3节18650锂电池盒、4个TT减速电机、继电器、DC-DC升压稳流模块、无线充电接受模块。因此，采用多孔铝合金平板作为小车的底板。

（2）无线充电线圈安装在小车底部：采用16mm铜柱将100mm*100mm*2mm亚克力板固定在铝合金底板下方，将线圈紧贴在亚克力板上。

（3）小车的驱动板采用自锁开关配合继电器，确保充电安全。利用无线充电模块启动继电器控制了小车的供电电路，使其在小车充电时断开小车的供电，让小车更加安全稳定的充电。

三、工作原理及性能分析

（一）循线行驶测试

把小车放在带黑线导轨的轨道上，打开小车的开关，让小车自动循线行驶。测试结果显示，在小车的直线运行过程中，小车会出现左右摇摆的现象，分析如下：

（1） 当小车的初始角度偏移越小，小车在运行中就越稳定。

（2）通过用PWM调速，结果显示，小车的车速减小时，小车的稳定性提高。

（3）在小车检测校正偏转时，有两种选择：一是小车调节偏置侧轮停止实现停滞偏转;二是通过调整偏置轮的转速以实现差速偏转。方案二实现效果较好。

（二）无线充电测试

将发射模块接入220V交流电源电源，经过变压器、整流滤波后向发射电路输入一个24V直流电压，接收端的输出接到负载仪，负载仪以恒流的方式输出，调整耦合线圈的有效距离，测量输出电压与电流的变化。

测试结果显示，无线充电模块在耦合线圈之间的有效距离在小于10mm时，充电效率可达40%以上。因此在设计小车时，将耦合线圈的有效距离设置在8mm。

（三）创新点及应用

（1）适用于不同类型智能码头，智能物流、智能仓库等。

（2）自动化程度高：可通过PC上位机可实现实时集中式控制，操作和控制简便，容易地使用它。

（3）其无线充电模块去除了插座和电源线的约束，让小车的充电更加方便，同时取缔了充电接口，解决市场上各类充电器接口分歧，实现不同的类型的多种产品共享充电的功能。

随着智能终端、智能物流、智能仓库的发展，AGV智能汽车早已成为现代物流系统的关键设备，它的设计与发展对于提高智能物流的自动化程度和企业生产效率有着十分重要的意义，其无线充电高效率的实现在AGV小车的节能措施实施改进，因此应用前景很广。

参考文献

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[7] 勒国庆，班乾乾.基于STM32 的智能小车设计[J].福建电脑，2018.

作者简介：徐华锋（1999.10- ），男，安徽安庆人，北京市昌平区华北电力大学，本科，研究方向：热能工程;陆靖雯（1999.04- ），女，广西南宁人，北京市昌平区华北电力大学，本科，研究方向：智能电网信息工程;高依然（1998.05- ），女，河北沧州人，北京市昌平区华北电力大学，本科，研究方向：工程管理。