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    电子论文

    基于单片机的无线充电电磁循迹小车

    时间:2019年05月05日 所属分类:电子论文 点击次数:

    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?、自动升降压电源?、运放?榈纳杓品桨、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?、自动升降压电源?、运放?榈纳杓品桨、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

    浙江工业大学学报

      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?榻惺只,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?榻杉降奈⑷跽倚藕欧糯蠛笳髯绷魇淙氲轿⒖刂破鞯腁DC?榻惺只。

      根据路况信息,微控制器通过集成的FTM?椴铰氛伎毡炔煌腜WM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?椴杉,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?榇拥孛娣⑸渥爸弥腥〉,向法拉电容充电后再供给电路其他部分。

      2.1.1无线充电?樯杓

      无线充电?榭杉虻シ治讲糠郑赫魇淙氩糠趾臀妊故涑霾糠。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;,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?

      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;ば酒,对应;さ阄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?樯杓

      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]。

      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。

      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

      相关刊物推荐:《浙江工业大学学报》(社会科学版)(季刊)创刊于2002年,是由浙江省教育厅主管、浙江工业大学主办的社会科学类综合性学术期刊,主要发表我校人文社会科学领域最新和最重要的学术研究成果。2002年创刊,2007年起由半年刊发展为季刊,大16开,120页,创刊至今已连续出版十一卷,2003年-2012年共出刊32期,发表论文718篇。

      

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