基于三次函数的电磁导航智能小车设计

　　为了实现智能小车稳定快速的自动寻线，采用了"五横二竖加八字"排列的电磁线圈，能识别各种复杂的赛道。通过三次函数算法求出偏差，并采用差速电机算法处理弯道，实现了电磁导航的功能。实践证明，该系统能精准地控制智能小车稳定快速地运行，且达到了预期效果。

　　智能小车寻线道路设计要求是：在中间铺设了一条直径为0.5 mm的铜质漆包线，漆包线中有频率范围为20±2 kHz、电流范围为50～150 mA的正弦波信号。随着智能小车的发展，需适应更加复杂的赛道，例如直角弯、坡道、障碍等。文中设计的智能小车，是基于Kinetis K60单片机开发实现的，以电磁线圈作为感应传感器，采用偏差算法控制小车精准的寻线功能，从而实现智能小车智能快速稳定的寻线行驶。

　　1 硬件总体设计

　　智能小车系统由Kinetis K60主控模块、传感器模块、舵机控制模块、电机驱动模块、OLED显示模块、拨码开关模块、编码器测速模块、停车检测模块、障碍检测模块这9个部分构成。系统总体框架如图1所示。

　　除了以上9部分外还有电源模块，整个智能小车由7.2 V镍镉电池供电，其中由LM1117稳压芯片输出3.3 V为主控芯片K60、拨码开关模块、停车检测模块、OLED显示模块提供电源。由一块LM2940稳压芯片得到5 V电压单独供给传感器模块，另一块LM2940稳压芯片得到5V电压分别供给蓝牙调试模块、障碍检测模块、编码器测速模块和电机驱动模块，此外，通过试验可发现，S3010 Futaba舵机可直接加7.2 V电压，此时舵机的响应速度也会提高，所以可直接将电池电压作为舵机的电源。舵机控制模块和直流电机均用7.2 V电压驱动。

　　电磁线圈采集到的交变电压信号经双运算放大器MAX4451放大后，通过二极管的二倍压检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，然后再通过单片机的A/D转换电路进行采集，获得正比于感应电压幅值的数值。

　　智能小车是以双电机方式工作，故采用4块BTS7971作为驱动芯片。BTS7971由一个p沟道的高边MOSFET和一个n沟道的低边MOSFET结合一个集成的驱动IC，形成能经受大电流通过的H桥的半边。因此4个BTS7971便能进行连接构成两个H全桥，进而实现电机的正反转。此外，使用 74HC244N三态八缓冲器隔离电机驱动模块，可防止电机转动产生的干扰信号灌入主控芯片而致损坏。

　　采用常开型塑封干簧管作为检测元件。在道路的起点和终点处埋有永久磁铁，当小车经过磁铁时，干簧管闭合，进而将这种信号传递给CPU，实现停车功能。将两个接近开关分别安装在小车两边对障碍进行检测。正常情况下，两个接近开关处于关闭状态0。通过调整好接近开关的检测距离，当道路某一边的障碍物进入接近开关的检测范围后，接近开关一直保持导通状态1，将这种信号的0和1变化传递到CPU，即可实现小车的障碍检测功能。

　　2 智能小车电磁寻线

　　2.1 传感器布置结构

　　采用"五横二竖加八字"排列的电磁线圈，如图2所示。此结构能使小车在直道、直角弯、S弯、十字弯，坡道上自主稳定地寻线行驶，具有抗干扰性强、稳定性高、机械强度高等特点。在高速运行的情况下仍能保持稳定的导航功能。

　　2.2 三次函数算法

　　在使用三次函数算法前应先进行预处理，以便快速利用三次函数求出偏差。预处理包括采样，求平均值，数据排序和归一化处理。由于不同道路的磁场强度会有所不同，先采样可获得道路磁场强度的最大值和最小值，这样智能小车对于不同道路的适用裕度会更宽，在实际投入生产和使用中有重要作用。三次函数算法的处理流程，如图3所示。

　　智能小车在初始化程序后，通过采样，取得各个电磁线圈在此赛道上磁感应电压的最大值和最小值分别储存在数组ad max［i］和ad min［i］中，以便系统快速高效地从数组中取值做比较，从而实现归一化。

　　每个电磁线圈采集5次磁感应电压后，通过去除其最大值和最小值求出平均值；这样起到了软件滤波的作用，减小了偶然误差。连续取5个平均值按时间先后进行排序并储存在二维数组ad3［i］［5］里面，使得数据不断地更新，以便求出其加权平均值，减小系统误差。

求排序后平均值的加权平均值，取得与最后一次采集到最接近的磁感应电压值，再将每一个电磁线圈的加权平均值储存在数组ad4［i］中；将ad4［i］ 逐个与ad max［i］和ad min［i］比较：当ad4［i］》ad max［i］，贝ad［5］=1．0；当ad4［i］《ad min［i］时，则 ad5［i］；当ad min［i］《ad max［i］时，采用归一化后，e.jpg=d.jpg，进而实现磁感应电压值的归一化。归一化可简化三次函数算法，另外归一化后的值可供调