基于单片机的无线充电电磁循迹小车

李兴旭 魏磊 高琴

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模块、自动升降压电源模块、运放模块的设计方案、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2 m/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

中图分类号：TP39文献标识码：A文章編号：2095-1302（2019）02-00-05

0 引 言

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模块进行数字化处理，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0.1 V。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40 cm处（大赛要求前瞻最长仅能伸出到距离后轮中心40 cm处），距离地面18 cm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。试验场地如图1所示，智能车实物如图2所示。

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。运放模块将采集到的微弱正弦信号放大后整流转化为直流输入到微控制器的ADC模块进行数字化处理。

根据路况信息，微控制器通过集成的FTM模块产生两路占空比不同的PWM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模块采集，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。硬件框图如图3示。

2.1 能源系统电路设计

智能车通过无线充电接收模块从地面发射装置中取电，向法拉电容充电后再供给电路其他部分。

2.1.1 无线充电模块设计

无线充电模块可简单分为两部分：整流输入部分和稳压输出部分。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640 kHz/30 W。接收线圈选用5匝多股漆包线，配4.7 nF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5 mm处，整流部分输出电压约为30 V。稳压器件选用凌力尔特公司设计生产的LTC3780，宽电压4～36 V输入、输出0.8～30 V可调，经测试符合需求。为了防止法拉电容组过充，采用LM358比较器进行保护，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，如图4所示。

2.1.2 自动升压降压电源模块

本车使用的法拉电容组由5个60 F耐压值为2.7 V的法拉电容串联组成，带有BW6106均压保护芯片，对应保护点为2.45 V，法拉电容组充电输入、输出电压范围为0～12.25 V。

智能车上的微控制器、运放芯片、OLED显示屏等都需要5 V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2.0～16 V，输出为5 V，如图5所示。智能车的五线调速无刷电机供电输入范围为8～16 V，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12 V电压为电机供电，如图6所示。

2.2 智能车运放模块设计

赛道中心铺设有一条直径为 0.1～1.0 mm的电磁引导线，通有20 kHz，100 mA的交变电流。传感器架设于前瞻支架上（离地面约18 cm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，如图7所示。

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。

本文方案还有很大的提升空间，其改进思路如下：

（1）无线充电的过程最好由反馈程序控制，实时调整充电电流，完成法拉电容组的自适应充电，使充电更快;

（2）智能车循迹的实时性要求较强，应当使用嵌入式实时操作系统;

（3）当前采用的经典PID控制算法太依赖参数，受到外界强烈干扰容易引发失控，应当采用更先进的PID控制算法。

参 考 文 献

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