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智能车电磁场检测及其控制算法设计 Intelligent vehicle electromagnetic field detection and control algorithm design 张阔，张韶，黄文强，娄孝东 （ 辽宁工程技术大学，幻影） 摘要：设计根据电磁感应原理检测道路中的变化电流，实现小车对位置的确定和对路径的识别，再根据PID算法实现对小车精准的控制，根据蓝牙模块和红外测距模块实现两车之间的通讯，从而实现两车“追逐”而行。 关键词：PID 控制、智能车、MATLAB、磁场、磁感应强度、感应电动势、电磁寻迹、上位机 I.引言 本小车采用10mh的工字电感与68nf电容谐振作为传感器来选择出赛道磁场信号，加以合理的传感器布局，经过后续放大整流电路的处理，完成对赛道信号的检测并以此来控制车子的转向和行驶速度，通过红外测距来测量两车距离，控制两车间的距离。关于软件，采用改进型PID 控制算法来作为车子的主导控制。 II. 电路设计 （一） 小车主控电路总体设计原理如图 图2-1 系统整体结构如图2-1 所示，可以将硬件电路分成几个模块——单片机最小系统，电源电路，编码器速度检测电路，电磁信号采集与放大检波电路，红外测距电路，干簧管电路，电机驱动电路，调试用的液晶显示&按键电路。在设计时我们将大电流驱动电路与小电流的主控及传感电路分开制作腐蚀电路板，并用相应的隔离芯片将其隔开，减轻两者之间的相互干扰，并实现物理上和电气上的隔离。因为电磁组的信号为模拟电路，抗干扰能力较弱，所以将电磁信号放大等模拟电路与单片机最小系统电路之间尽量布置的相对较远，地线采用单点接地，并用零欧姆电阻相互隔开，以实现较强的电磁兼容。上述措施可以防止电磁干扰，显著的提高电路的稳定性。 （二） MOS管驱动电路 图2-2 我们用 4N-MOS 搭的 H 桥方案如图2-2，采用内阻小的 8片 NMOS来搭建的 2 个 H 桥使得双电机驱动问题彻底解决。因为上下桥都用NMOS，所以上桥MOS管并不能完全导通，这就会使得MOS管发热严重，所以必须提高上桥的开启电压，我们采用MC34063对电池电压进行了升压处理，同时使用专门的MOS管驱动芯片IR2104，IR2104内部自置死区时间，所以不用我们去调节，使得电路搭建比较容易，在输入端输入驱动信号后，芯片会直接输出双极性驱动信号，可以驱动两块NMOS工作，实际使用时，由四块NMOS就可搭出一个完整全H桥，并且由于MOS管导通内阻较小，使得电机驱动能力大大增强，而且MOS管价格比传统7971系列驱动芯片更加便宜。在控制端，为了防止电机电流倒灌入单片机及其他电路造成损坏，我们使用单向总线驱动74HC244进行单片机与电机驱动的隔离。 (三) 供电系统电路 由于硬件是分模块设计的，最终要接在一起才能相互通信。主板电路主要有电池接口、单片机最小系统板插座、放大检波电路、舵机及电机驱动接口。另外，主板上还集成了出 3.3V 稳压以外的所有电源电路。 接口电路板的 PCB 设计是要充分考虑与车模机械的配合，于是更多的采用高效优质的FPC排线来完成远距离连接。 如图2-3。 图2-3 III. 算法处理 （一）舵机控制 (1) 我们选择一排5个电感来进行处理。利用左边两个电感和右边两个电感的差值可以较方便的进行转向判断。 (2) 舵机控制我们是根据对电感的差值和差值变化量进行模糊，得出模糊量后，对模糊量进行 PD 控制，通过修改模糊规则查询表和 PD 项的参数能够使得小车在赛道上实现较好的打角范围。 (3) 采用位置型算法，根据小车偏离导线的偏差，舵机控制算式为： 在（公式12）中，u为给定舵机控制量，u0为舵机中心值，P、D分别为比例系数和微分系数， 为当前偏移量， 为上一次偏移量。 （二） 电机控制 (1) 位置式PID: 根据公式我们可以直接得出输出量 可见这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对 进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，电机速度调节缓慢。 (2) 增量式 PID 控制算法可以避免上述现象 所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式 PID控制算法进行控制。 其中 如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T ，一旦确定 A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由求出控制量。 增量式 PID 控制算法与位置式 PID 算法相比，计算量小的多。但也有其不足之处，增量式PID只与前三次误差有关系，对测速就要求要有足够的准确性，如果不够准确，电机产生振动，速度将不够均匀，输出的占空比将变化迅速，容易产生超调，而且对驱动芯片是不利的，容易发热。 采用两种方式结合的方法，以位置式为主，但I取前几次的误差进行累加，次数可以以采样周期的长短来决定，这样可以避免误差的偏差影响输出，下式给出前30次的计算样式 调节合适的参数可以以最快的速度达到设定值。PID控制器参数选择的方法很多，例如试凑法、临界比例度法、扩充临界比例度法等。我们一般选择相对操作简单的试凑法。 主要参考文献 [1]王宜怀. 嵌入式系统原理与实践-ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京: 电子工业出版社，2012 . [2]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社, 2004 . [3]卓晴，黄开胜，邵贝贝 .学做智能车[M]. 北京:北京航空航天大学出版社 ,2007 . [4]王水平 .开关稳压电源原理及设计[M]. 北京:人民邮电出版社, 2008 . [5]潘松，黄继业 .现代数字电路基础教程[M]. 北京:科学出版社, 2008 .