磁导航智能车系统的设计与实现

王元哲 扈宏杰

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191)

0 引言

磁导航技术是智能交通领域中一项非常有前景的技术。该技术具有良好的可靠性和鲁棒性，且不易受外界环境的干扰［1］。目前，我国磁导航技术的研究成果主要以永磁体作为参照物。以国家智能交通系统工程技术研究中心(ITSC)的研究成果为例，以车道中心线上布设的离散磁道钉为参考标记，通过车载传感器探测磁道钉信号来判断车辆的位置［2］。

鉴于磁导航技术的实用价值，飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛于2010年新增电磁组比赛项目，其磁场环境埋设在跑道中，通有20 kHz、100 mA交变电流产生的交变磁场。利用交变磁场进行磁导航的技术在国内应用的实例较少，其中清华大学根据竞赛规则设计了一种电磁组赛车。该赛车使用两个传感器采集车辆两边的磁场信号来控制车辆的走向，可以得到大致的寻线效果［3］。

本文研究的重点是设计一套合理可靠的路径信息采集方案，从而实现采集交变磁场的信号的准确采集;同时选用一种有效的路径信息采集算法，从传感器信号中估算出车辆与磁场的相对位置;然后通过合适的方向和速度控制算法对车辆进行控制，以达到高速寻线行驶的效果。

1 系统的总体设计

磁导航智能车通过感应外界磁场环境的变化来获取路径信息，从而通过舵机和电机对车辆进行方向和速度的控制，达到自主寻迹的目的。根据系统所需实现的功能，可将其分为核心控制模块、路径信息采集模块、电机驱动模块、监控调试模块和电源模块五个部分。系统功能模块原理框图如图1所示。

图1 系统功能模块原理图Fig.1 Principle of the functional module in the system

图1中，路径信息采集模块对路径信息和车辆姿态进行检测并转换成电信号传送给控制器;核心控制模块综合外部环境信息，通过有效的路径信息采集算法提取出准确的路径信息，同时利用一定的控制算法对方向和速度进行控制;电机驱动模块对控制信号进行功率放大，以达到驱动电机运行的目的;监控调试模块利用无线通信工具，对系统进行在线调试和参数分析，以提高调试效率;电源模块为上述各个功能模块供电。

2 系统硬件设计

系统以Freescale公司的16位单片机MC9S12XS128作为核心控制单元，它与路径信息采集模块、电机驱动模块、监控调试模块和电源模块一起共同构成了系统的硬件部分。

2.1 核心控制模块

核心控制模块是以单片机MC9S12XS128为主控芯片的最小系统，它利用该芯片内部集成的PLL、ATD、PWM、SPI和脉冲累加等模块，完成整个系统的路径信息采集、电机控制和无线通信等任务。

本设计的最小系统采用16 MHz无源晶振，总线时钟倍频至80 MHz。

2.2 路径信息采集模块

路径信息采集模块对车辆与轨道的相对位置和车辆行驶状态进行检测，主要包括磁场信号检测、车辆姿态检测和车速检测三个部分。各部分介绍如下。

①磁场信号检测可分为交变磁场检测和恒定磁场检测，前者用来检测轨道，后者用来检测起始线。交变磁场检测是检测轨道中交变电流产生的交变磁场，可分为选频、放大和检波三个部分。选频部分采用LC振荡电路，用来提取给定频率的磁场信号;放大部分采用仪表用差动放大电路，差动放大电路的设计原理如图2所示。

图2 差动放大电路原理图Fig.2 Principle of the differential amplifier applied

差动放大电路电压输入输出关系式如下:

式中:Vout为输出电压，V;Vin+和Vin－均为输入电压;K为放大倍数，是无量纲常量，大小为，其中，Rg为可调电阻值，单位为kΩ，通过调节Rg便可以调节电压的放大倍数。

差动放电路具有低失调电压、低漂移、低输入偏置电流、高共模抑制比等优点［4］。检波部分选用倍压整流检波电路，将前端电路输出的正弦信号转换为与其峰峰值成正比的直流电平信号。起始线处放置磁钢作为标记，这样恒定磁场的检测便是对永磁体的检测。对于一定强度恒定磁场的检测，可以通过检测干簧管的开关状态或检测霍尔元件输出电平的跳变来实现。本文采用霍尔元件的检测方案。

②车辆姿态检测用来判断车辆相对于地面的倾斜程度。本文选用Freescale公司的低重力三轴加速度传感器MMA7361L对车辆的倾斜程度进行测量，车辆在不同方向上的倾斜程度影响加速度传感器在不同轴向上的输出电平，从而用于车辆在坡道行驶的判断。

③车速检测是速度闭环的重要环节，本文选用增量式光电编码器。该编码器直接输出TTL电平，电路简单;编码器每转输出200个脉冲，测量精确。

2.3 电机驱动模块

本文使用RS380-ST型号的直流电机。该电机在无负载情况下驱动电流为0.49 A，最大功率运行时驱动电流为8.61 A。电机驱动可采用集成的电机驱动桥，也可采用分立元件搭建的H桥式驱动电路。本文利用分立元件搭建驱动电路，其中 MOSFET选用IRF3205，驱动芯片选用IR2104，电机驱动模块原理如图3所示。

图3 电机驱动模块原理图Fig.3 Principle of the drive module of motor

图3中，当MOS管Q1导通、Q2关断时，电机处于加速状态;当MOS管Q1关断、Q2导通时，电机处于制动状态。

IRF3205导通内阻较小，当电机处于能耗制动状态时，会产生较大的感应电流，制动效果较好。IR2104作为半桥驱动芯片，输入信号兼容5 V电平，电路设计简单。

2.4 监控调试模块

监控调试模块的主要功能是通过上位机对车辆运行状态和路径信息进行在线监控，并对各项控制参数进行在线分析调试，形成良好的人机界面，从而提高调试效率，改善调试效果。本文采用基于NRF24L01的无线通信模块，实现上位机与下位机之间的通信;同时选用NI公司推出的虚拟仪器开发软件LabVIEW和NI-VISA，实现人机界面。

监控调试模块主要由无线收发和协议转换两部分组成。下位机和上位机端各设置有一个无线终端，用来接收和发送SPI格式的数据流。上位机端采用SPIUSB协议，用来控制无线终端接收和发送SPI数据流，并且维持与上位机间的USB通信。协议转换芯片采用Freescale公司的八位微处理器MC9S08JM60。该芯片支持USB通信功能。

监控调试模块工作原理如图4所示。

图4 监控调试模块工作原理图Fig.4 Principle of the monitoring and debugging module

2.5 电源模块

电源模块负责为系统各模块供电，而各模块所需的供电电压大小各不相同，因此需提供不同电平标准的电压。各模块所需供电电压如表1所示。

表1 各模块所需供电电压Tab.1 Voltages required by each module

根据各模块的不同电压需求，应设计不同的供电电路。

① +5 V供电采用分路供电的方式。由于单片机功耗较小而运放功耗较大，所以分别采用低压差稳压器件LM1117和LM2940为单片机和运放供电。单片机和运放两者之间采用磁珠隔离，防止运放对单片机的稳定工作产生影响。

② －5 V供电采用开关稳压器件LM2596，其电压转换效率高，可提供的最大负载电流达3 A，适用于为多运放供电这种功耗较大的场合。

③ 无线模块和加速度传感器功耗较小，因此，+3.3 V供电采用线性稳压器件LM1117。

④MOSFET驱动方式为电压驱动，功耗不大，可采用升压芯片MC34063。

3 系统软件设计

磁导航智能车的控制策略是根据路径信息采集模块获得轨道和车速信息，通过一定的算法分析来精确控制车辆的方向和速度，达到稳定高速寻线行驶的效果。从控制的角度来讲，软件设计主要围绕方向和速度两个闭环控制展开。本文中控制周期设置为5 ms，采用定时中断的方式实现。系统主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Flowchart of the main program

3.1 方向闭环控制

方向闭环控制不是对舵机的闭环控制，其控制对象是车辆与轨道组成的位置随动系统。舵机仅作为执行机构，位置反馈是车辆与轨道的相对位置，位置给定表现为车辆与轨道相对位置偏差为零。方向闭环控制的效果主要取决于位置反馈和调节算法这两个方面。

本文采用七个水平并排放置的传感器，它们距离地面高度约5 cm，磁场传感器分布如图6所示。

图6 磁场传感器分布示意图Fig.6 Distribution of the magnetic sensor

传感器线圈中，感应电动势E的表达式为:

式中:x∈(－15，15)，为传感器与导线在水平方向上的距离，cm;h为传感器高度，大小为5 cm;r为传感器与导线距离，cm。

3.1.1 位置反馈

位置反馈用来确保微控制器所得位置信息的准确性，主要从不同传感器在同一位置输出信号的数值差异和同一传感器在不同位置输出信号的分布规律两方面来解决。本文采用归一化算法和曲线拟合算法分别解决上述问题。

归一化算法将所有传感器的输出信号转换为无量纲的量，从而屏蔽各传感器在物理和硬件特性上的差异。具体算法流程是将在一定磁场环境下各传感器输出信号的最大值作为基准量，在车辆运行过程中，传感器采集到的数据分别除以该基准量后所得的值，即为归一化后的数值，用作轨道类型的判断。

曲线拟合算法的目的是提取出轨道中心位置，即极值点横坐标。因此，只要拟合出一条曲线，使该极值点横坐标尽可能逼近导线所处位置横坐标即可。本文采用最小二乘法对采样点数据进行二次曲线拟合，得到方程如式(3)所示:

采用基于最小二乘法的曲线拟合算法具有以下几个方面的优点。

①满足系统控制实时性的需要。由于参与曲线拟合的点数较少，因此进行计算量较小，且曲线拟合的公式可以事先求得，这就大大减少了计算量。

②对轨道位置判断较为准确。拟合后的曲线极值点近似逼近实际磁场极值点，可以准确提取出轨道位置。

3.1.2 调节算法

在车辆行驶过程中，方向给定随轨道而发生频繁变化。因此，系统选用微分先行的PID控制算法，将微分运算提前进行。只对输出量进行微分，可以避免给定值变化时所引起的超调量过大和输出动作过分剧烈振荡的现象，从而改善系统控制品质［5］。

较一般PID控制而言，只对输出量进行微分，可使车辆转向灵活、振荡减小。微分先行的PID算法原理如图7 所示［6］。

图7 微分先行的PID算法原理图Fig.7 Principle of the differential forerunning PID algorithm

图7中:KP为比例控制系数;TI为积分时间常数，s;TD为微分时间常数，s。

对于微分环节，根据其传递函数，可得离散系统的控制算式为:

式中:T为采样时间常数，s;TD为微分时间常数，s;γ为常数且γ＜1;k为整数，是差分方程的自变量。

在算法实现中，位置给定R(s)为零;位置输出Y(s)为车辆与赛道相对位置;调节器输出U(s)用来控制舵机动作。

3.2 速度闭环控制

速度闭环控制采用增量式PID控制算法［7］，控制算式为:

算法实现如式(6)所示。

式中:Vgiven为速度给定，cm/s;Vtest为当前速度反馈，cm/s;pwm_control为电机驱动模块的控制信号;last_pwm_control为前一控制周期的控制信号。

4 结束语

本文介绍了磁导航智能车系统的设计方案。在硬件方面，从系统功能模块的角度出发，阐述了各模块的设计方案，重点介绍了路径信息采集模块的电路设计原理;在软件方面，从控制的角度出发，着重介绍了位置信息提取的归一化算法和曲线拟合算法，以及方向闭环控制中微分先行的PID控制算法;通过监控调试模块可以准确及时地监控车辆行驶状态。实际测试结果表明，采用磁导航智能车系统的车辆可精确提取出轨道的磁场信号，对自身位置判断准确，特别是在高速驶入连续弯道的情况下具有良好的寻线跟踪能力。

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