智能车电磁检测及控制算法的研究

摘要：在智能车传统PID、PD控制的基础上进行改进，提出了一种更为稳定快速的循迹控制方法。智能车的方向控制和速度控制都具有非线性、大滞后的特点，传统的控制方法存在着响应时间不够及稳态误差大的缺点。通过电磁传感器的合理设计，对路径信息和车体状态进行检测，并在此基础上引入基于模糊控制的变参数PD控制和变结构控制。实验结果表明，与传统方法相比，智能车运行的稳定性和快速性都得到了很大的提高。
关键词：智能车；MC9S12XS128；模糊控制；变参数PD控制器；变结构控制器

本文是以第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景。本届比赛新增加了电磁组的比赛，在50 cm宽的赛道中心铺设有直径0．1～0．3 mm的导线，其中通有20 kHz，100 mA的交变电流。除此之外，在赛道的起跑线处还有永磁铁标志起跑线的位置。车模要通过自动识别导线所产生的电磁场进行路径检测。
从道路元素来看，赛道一般可以分成直道、转弯、S道、回环道等形式。在智能车行驶的过程中，为了选择最佳路径，减少行驶距离，在转弯处最好选择内切，小S弯甚至可以近似的走成直线。但是由于电磁传感器的局限性，不可能像摄像头一样检测到前方赛道的全貌，这就要求在算法上有所突破。

1 智能车系统的硬件组成
1．1 整体硬件结构介绍
图1所示为智能车控制系统的硬件框图。系统采用飞思卡尔半导体公司的16位微处理器MC9S12XS128作为核心控制芯片，设计最小系统模块；外围电路包括路径检测模块，速度检测模块，舵机转向模块，电机驱动模块；电源模块为整个系统提供动力支持。其中速度检测模块采用光电编码器采集信号，并通过微控制器的ECT模块进行脉冲捕捉计数，测得速度值；电机驱动采用H桥，可实现电机的正反转及制动。

1．2 电磁传感器的设计
根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。本智能车选用工字型10 mH电感作为磁场感应传感器。这类电感体积小，Q值高，具有开放的磁芯，可以灵敏的感应周围交变的磁场，产生响应感应电动势。图2所示为路径检测模块电路图，这里只为其中的一路。

电路中L1为10 mH电感；C4为6．8 nF的谐振电容，实现20 kHz信号的选频电路；Vout为感应电动势输出端。传感器模块伸出车体约10 cm，距离地面8 cm。
由毕奥-萨伐尔定律知，通有稳恒电流的直导线周围会产生磁场，感应磁场分布是以导线为轴的一系列同心圆。圆上磁场强度大小相同，并随着距离导线的径增加成反比下降。
通电导线周围的磁场是一个矢量场。在本设计中，根据法拉第电磁感应定律，感应电动势可近似为：。k为比例系数，与线圈摆放方法、线圈面积和一些物理常量有关。感应电动势的方向可用楞次定律来确定。对于放置在导线上方h处，与导线水平距离为x的线圈中产生的感应电动势的大小与成正比。θ是传感器所在平面与导线的夹角。
图3所示为车模与赛道位置示意图，车体前部即为路径检测模块。α为车体相对于导线的偏移角度，d为车体相对于导线的偏离距离(垂直与车体中心线的横向距离)。在车模行驶的过程中，每个电感线圈距离导线的距离不同，夹角也不同，因此输出的感应电动势大小不同。

图4所示为本设计中电磁传感器的布局。每两个轴线相互垂直的电感作为一组传感器，水平放置。

设每组传感器中，前端电感输出的感应电动势为Ey，后端电感输出的感应电动势为Ex，则：
1)对于1号位的两个电感，计算，可求得电感所处磁场的导线方向，即车体相对于导线的偏移角度α；
2)2，3号位的电感同车体中心线成45°夹角，用来确定α值的正负，即导线所处的象限。当2号位检测到的磁场强度明显大于3号位时，以2号位前后两个电感的电动势之比作为方向的参考：当时，α为负(导线处于第二，四象限)，时，α为正(导线处于第一，三象限)；3号位的判别方法与之相反。
3)计算1号位前后两个电感感应电动势平方和之根，再乘以比例系数λ，得到，即为车体偏离导线的距离。
4)4，5号位的电感用来辅助判断d值的正负(左为负，右为正)，方法同导线方向的判别类似。
由于实际赛道中磁导线的电流在50～100 mA之间，因此每次上电智能车都要有一个15 s的自学习的过程：将车体贴近赛道做左右摆动(不超出赛道范围)，检测出不同的车体姿态下电感感应电动势的极值，并由此确定值。实验测得传感器模块距离的检测精度为1．5 cm，角度的检测误差在±5°范围内，前瞻距离可达到25 cm。实验的结果表明，这样的传感器布局对于导线的检测是比较准确的，而且它可以预测出导线的方向趋势，便于前瞻性控制算法的设计。

2 整体控制系统的设计
智能车的控制结构是以微处理器为核心。电机控制量、电机转速和速度检测构成一个闭环，该闭环的输入为路径检测后微处理器给定的速度值，输出控制后轮驱动；舵机控制量构成一个控制系统通道，其输入为徽处理器给定的转角值，输出控制前轮转向：最后以运动轨迹作为路径检测反馈控制器的输入，其与导线比较确定车体姿态从而构成一个大的闭环控制系统。智能车的控制系统框图如图5所示。