智能車(chē)電磁檢測及控制算法的研究

摘要：在智能車(chē)傳統PID、PD控制的基礎上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種更為穩定快速的循跡控制方法。智能車(chē)的方向控制和速度控制都具有非線(xiàn)性、大滯后的特點(diǎn)，傳統的控制方法存在著(zhù)響應時(shí)間不夠及穩態(tài)誤差大的缺點(diǎn)。通過(guò)電磁傳感器的合理設計，對路徑信息和車(chē)體狀態(tài)進(jìn)行檢測，并在此基礎上引入基于模糊控制的變參數PD控制和變結構控制。實(shí)驗結果表明，與傳統方法相比，智能車(chē)運行的穩定性和快速性都得到了很大的提高。
關(guān)鍵詞：智能車(chē)；MC9S12XS128；模糊控制；變參數PD控制器；變結構控制器

本文是以第五屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車(chē)競賽為背景。本屆比賽新增加了電磁組的比賽，在50 cm寬的賽道中心鋪設有直徑0．1～0．3 mm的導線(xiàn)，其中通有20 kHz，100 mA的交變電流。除此之外，在賽道的起跑線(xiàn)處還有永磁鐵標志起跑線(xiàn)的位置。車(chē)模要通過(guò)自動(dòng)識別導線(xiàn)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行路徑檢測。
從道路元素來(lái)看，賽道一般可以分成直道、轉彎、S道、回環(huán)道等形式。在智能車(chē)行駛的過(guò)程中，為了選擇最佳路徑，減少行駛距離，在轉彎處最好選擇內切，小S彎甚至可以近似的走成直線(xiàn)。但是由于電磁傳感器的局限性，不可能像攝像頭一樣檢測到前方賽道的全貌，這就要求在算法上有所突破。

1 智能車(chē)系統的硬件組成
1．1 整體硬件結構介紹
圖1所示為智能車(chē)控制系統的硬件框圖。系統采用飛思卡爾半導體公司的16位微處理器MC9S12XS128作為核心控制芯片，設計最小系統模塊；外圍電路包括路徑檢測模塊，速度檢測模塊，舵機轉向模塊，電機驅動(dòng)模塊；電源模塊為整個(gè)系統提供動(dòng)力支持。其中速度檢測模塊采用光電編碼器采集信號，并通過(guò)微控制器的ECT模塊進(jìn)行脈沖捕捉計數，測得速度值；電機驅動(dòng)采用H橋，可實(shí)現電機的正反轉及制動(dòng)。

1．2 電磁傳感器的設計
根據麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流會(huì )在周?chē)a(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。本智能車(chē)選用工字型10 mH電感作為磁場(chǎng)感應傳感器。這類(lèi)電感體積小，Q值高，具有開(kāi)放的磁芯，可以靈敏的感應周?chē)蛔兊拇艌?chǎng)，產(chǎn)生響應感應電動(dòng)勢。圖2所示為路徑檢測模塊電路圖，這里只為其中的一路。

電路中L1為10 mH電感；C4為6．8 nF的諧振電容，實(shí)現20 kHz信號的選頻電路；Vout為感應電動(dòng)勢輸出端。傳感器模塊伸出車(chē)體約10 cm，距離地面8 cm。
由畢奧-薩伐爾定律知，通有穩恒電流的直導線(xiàn)周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，感應磁場(chǎng)分布是以導線(xiàn)為軸的一系列同心圓。圓上磁場(chǎng)強度大小相同，并隨著(zhù)距離導線(xiàn)的徑增加成反比下降。
通電導線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)。在本設計中，根據法拉第電磁感應定律，感應電動(dòng)勢可近似為：。k為比例系數，與線(xiàn)圈擺放方法、線(xiàn)圈面積和一些物理常量有關(guān)。感應電動(dòng)勢的方向可用楞次定律來(lái)確定。對于放置在導線(xiàn)上方h處，與導線(xiàn)水平距離為x的線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢的大小與成正比。θ是傳感器所在平面與導線(xiàn)的夾角。