电动四轮车电感元件路径行进控制

焦张宾

【摘  要】汽车自动驾驶是近年来科技领域研究的热点之一，智能小车也成为人们重要研究的方向。本系统设计了一款以MK66为微型控制器的智能行径小车。智能小车能按照路径预先铺设的电磁轨道，运用车身上安装的多个传感器进行数据采集，实现四轮小车的自动驾驶。

本系统数据采集部分主要通过成组电感元件检测铺设于四轮电动小车行进路径上传输的交变电信号，将不同电感元件的电磁感应强度信号进行模数转换，分析小车偏离主道中心线的误差值，提出修正偏差值的算法，运用PWM技术控制伺服电机以修正方向偏差，控制直流电机转速与之配合，并利用PID技术保证小车航向控制的平滑与稳定。在小车行进控制中，必要时辅以摄像头检测行进路径，并根据视觉检测结果对伺服电机和直流电机控制提供参考。

【关键词】智能小车 行径控制 电感元件

一、概述

汽车自动驾驶是人类长期以来的梦想，这个梦想正在逐步成为现实，已经成为现在工程应用领域的研究热点，并且取得了许多不错的进展。自动驾驶技术又被称为无人驾驶技术，汽车自动驾驶无需人对汽车进行操控的情况下自动安全的驾驶，实现汽车自动停车、行驶、避让行人和障碍物等动作。根据现代智能化水平不断的提高，汽车无人驾驶更加满足现在人们的需求。相比传统人为驾驶，自动驾驶技术有更加智能化、方便、准确等优点。为了满足人们生活的需求，汽车自动驾驶将会设计得更加实用和智能化。

使汽车沿规定的路线行驶，是自动驾驶技术研究的初步。根据参加“恩智浦”竞赛的体验，为了简化研究，可以采用电磁感应路径检测和视频路径检测两种方法。根据复杂多变的道路情况和各种不可预测的外部因素，都会或多或少的影响自动驾驶的实用性和可靠性。自动驾驶的设计包括了硬件部分和软件部分组成，智能小车可根据地面预先铺设的电磁线，通过传感器接收到的电磁信号自动感知方向，并根据传感器接收到的情况分析处理障碍物等外部因素，实现智能的避让道路上的障碍物。

自动驾驶技术使得人们的生活更加的便捷，在智能化的时代各种智能技术也满足了人们的需求，改变了人们出行的方式，道路的拥堵问题也得到一定的改善。汽车的自动化技术必将成为未来发展的趋势。

二、国内外研究发展现状

（一）背景

随着汽车发展技术的不断提高，汽车保有量的增加和新技术的融合，人们对于汽车的性能、安全、稳定、外观等要求越来越高。传统的汽车已经不能满足现在人们的需求，智能汽车的出现掀起了新的热潮。智能汽车相当于是一个可移动的机器人，它拥有一个智能的大脑（CPU）可以分析处理信息，各类传感器类似于人们的眼睛，感知和收集周围所有的环境信息传递给CPU。汽车能通过复杂的算法让汽车能在道路上安全、稳定的自动驾驶，无需人为的操控。

但在目前来说汽车无人驾驶技术还不够成熟，很多公司还在测试和改进中，人们最担心的是安全隐患。因为城市道路环境复杂和车流量大等因素，要想汽车自动驾驶比人为操作更精准和安全，还有一些困难。

现在，一辆自动驾驶汽车的成本太高，进行改装的车辆不多，汽车安全测试数据还不够稳定。

（二）国内发展现状

汽车自动化驾驶的趋势已经逐渐引起全球的重视，中国也在加大汽车自动驾驶发展的支持力度。自动驾驶技术需要人定位系统技术、工智能技术和自動化技术等众多技术于一体。早在20世纪80年代时我国就有自动驾驶技术相关的试验。而为了促进我国的自动驾驶技术的发展和交流，2009年科学基金委员会举办了“中国智能车未来挑战赛”，之后陆续有相关的智能车大赛的举办活动，以便促进和改善自动驾驶的相关技术。

我国主要的研发机构有汽车厂、研究所、新型创业公司和高校，例如2002年在国防科技大学成功研制的红旗CA7460。红旗CA7460最高时速可高达110千米每小时，在正常的高速公路上，可根据道路上的实际情况自动变换车道，躲避前方的车辆。

我国现在几乎每一家汽车企业都在研究自动驾驶技术，国内的长安集团、百度公司，也有大量初创企业加入自动驾驶领域。不少相关的专家对汽车自动驾驶做出了巨大的努力和贡献，同时也申请了汽车自动驾驶方面相关的产品专利。腾讯在2016年下半年成立自动驾驶实验室，依托360度环视、高精度地图、点云信息处理以及融合定位等方面技术积累，聚焦自动驾驶核心技术研发[6]。阿里、乐视等也纷纷与上汽等车企合作开发互联网汽车[4]。

在汽车自动驾驶技术方面我国的起步相对较晚，很多技术还不够成熟，技术层面问题存在一定的差异。并且我国汽车自动驾驶的一些设备和零件都是从国外进口的，所有我国需要进步和改善的方面还有很多。

（三）国外发展现状

美国的加州大学伯克利分校在1997年，开展了自动驾驶PATH项目，这次项目引起了自动驾驶的新浪潮。PATH项目演示路途的总长度为7.6千米，全程没有任何驾驶员的干涉，但由于相关法律干涉，后期的项目并未继续开展。

2019年，国外谷歌公司又一次掀起了汽车无人驾驶技术的新浪潮，2017谷歌公司共开展了汽车自动化驾驶实验289千米。测试总共有13起交通事故发生，但大多数的事故是由于汽车控制不当追尾造成的。但事故主要责任方并不是谷歌公司的自动驾驶汽车，在13起交通事故中也没有造成人员的伤亡事故。

目前美国和德国的自动驾驶技术比较领先，而我国正在追赶着这股潮流。在2015年，德国在高速公路上测试了自动驾驶相关的实验，在实践中获取到了更多的经验。并且相关部门还给予汽车自动驾驶项目的补贴，以便于更好的实施项目和提供实时的汽车交通信息。日本也有公司在多地进行汽车自动驾驶的相关测试，通过多次实践累计的数据记录汽车自动驾驶的安全性。

（四）论文结构

第一章，本文的概述，简单介绍了汽车自动驾驶的意义和发展。

第二章，智能小车的研究背景和汽车自动驾驶技术在国内外发展的现状。

第三章，整体介绍了小车硬件部分的分布和各个硬件模块，大概介绍了小车底盘、直流电机与驱动电路、舵机与驱动电路、视频检测模块、电磁感应模块、红外与超声测距模块、蓝牙通信模块等，分别介绍了这些模块的优缺点。

三、智能小车的结构与组成

智能小车分为硬件设计和软件设计，硬件设计主要分为MK66单片机最小系统、电源模块、串口通信模块、舵机控制模块、图像采集模块等。[10]智能小车车头安装了舵机和摄像头以及用碳素杆做的支架，支架上有4个工字电感。小车共有三块电路板，CPU主板和电磁板放在小车中部，驱动板在小车尾部。后轮两侧有两个编码器对小车进行速度控制，两个编码器旁边各有一个电机驱动，为了小车整体的重量平稳7V的电池放在小车底盘中后部。

（一）小车底盘

智能车的底盘是比较关键的一部分，小车底盘需要承载所有硬件的总体重量，在小车行进的过程中保持车身的稳定性。智能车底盘的质量和硬件的摆放位置也直接影响着小车的速度。通过合理运用小车底盘的空间，调整小车的平衡性，减轻底盘的质量，使得小车在行进中更灵活、快速。

智能车的重心问题會直接影响小车的提速和平稳性，小车的重心不能很高，必须把小车的重心降低。为了摄像头的前瞻性，智能小车安装于舵机旁边一点，固定在高25厘米的碳素杆上。使得小车的重心问题更应该引起重视，在保证小车的稳定性的同时还要兼顾小车的灵活性。小车车模图如下

（二）直流电机与驱动电路

智能小车共有两个直流电机，直流电机的红线和黑线分别连接驱动板上的正负极。为了满足智能小车的速度要求，选用的是RS380-ST型电机，该电机能承受大电流，满足小车在速度上的变化和电机的正反转。

直流电机在不同的差速和不同的行径路线中能达到更好的行驶速度。RS380-ST型直流电机与交流电机运用直流电制动，动力更足，对调节小车速度相对更容易。电刷和换向器是构成直流电机的重要部分，因为电刷和换向器会在线圈中把传入的直流电转换为交流电，直流电机不允许超过输出的最大值。直流电机可正向和反向转动，能够满足小车运行时自动化系统的各种特殊运行要求。

通过不断调节直流电机的转速和电流问题，使小车在行驶过程中速度更稳定和平滑，满足小车行径中对速度的复杂和特殊的要求。

（三）舵机与驱动电路

舵机相当于一个微型的伺服电机，在不停的角度变化中舵机任然能让智能小车保持平稳的速度。舵机的用处也很多，普遍用于飞机、机器人等。舵机安装于智能小车底板前部，在安装舵机前先调好舵机的参数，避免舵机打死烧坏舵机，让小车前轮保持正前方的位置。智能小车通过检测赛道下电磁信号的强弱进行判断，小车的舵机也得不同的变化角度，控制小车前进的方向。舵机的输入线共有三条，分别为4.8V的电源线，控制信号线和地线组成。

舵机根据接收到的控制信号来转换不同的角度变化，如果接收到的控制信号一直不变，舵机就不会改变轴的角度位置。但当接收的信号改变时，轴也会发生相应的角度变化。智能小车采用S3010型舵机，尺寸小，驱动齿轮能满足小车需要的扭力，消耗的能量和机械负荷成正比。

（四）视频检测模块

小车选用了MT9v034广角摄像头，有优质的画质和低照度，高动态成像等优点。MT9v034摄像头最高分辨率是752（H）x 480（V），每秒可输出60帧。MT9V034摄像头有DVP、LVDS两种接口，寄存器宽度为16bit，寄存器的数据不易丢失，写入数据后断点不会丢失数据。

摄像头拍摄的是一帧帧黑白的图像，除了白色赛道之外的其他颜色的事物都会被当成黑色像素，可以在LCD屏上显示摄像头所拍摄的图像。智能小车的摄像头就相当于人身上的“眼睛”，在安装摄像头之前要调整好摄像头的焦距和角度，能让摄像头拍摄出的画面清晰，又能最大限度的拍摄到前方赛道的情况。

（五）电磁感应模块

电磁感应模块是用电感等传感器感应赛道中心的电线的交流电产生的磁场，使智能车不偏离轨道。智能小车用了4个10mH的工字电感，用长20厘米的碳素杆做前瞻支架，其中两个工字电感垂直于碳素杆中间位置，另外两个分部在车身两侧。通过电磁感应原理接收预埋在赛道下电磁导线的电磁信号。

在白色赛道下有一根0.1-1.0mm的漆包线作为引导线，这根引导线会产生100毫安和20赫兹的交流电流。用小车前方的工字电感感应漆包线周围的电磁强度，根据电磁的强弱判断赛道的中心位置，舵机也会不断的转动角度判断小车前进的方向。小车以电磁感应模块为主，摄像头为辅对道路进行检测和方向判断。

（六）红外与超声测距模

随着自动驾驶技术的提高，人们对于传感器的精度和性能要求也越来越高。现在传感器的种类很多，普遍被大家所使用的是超声波传感器和红外传感器。小车通过安装的各类传感器采集的数据来获取赛道上的路况信息，比如直到、转弯、上坡、障碍物等，同时也通过传感器获取智能车自身的车速和电磁等。

1.红外传感器

红外传感器利用的是三角测量的方法，把红外传感器按照测量好的角度安装，发射器会以直线发射一束红外光，红外光在遇到物体的遮挡后会反射回去。检测到反射的红外线之后，会有一个偏移的值，形成了三角的关系。通过传感器接收到的返回数据，单片机做出相应的算法处理，知道前方物体的方向和距离等信息。小车会根据得到的信息做出相应的反映和动作。红外传感器原理如图所示。

红外测距相对超声波测距速度更快，精度高，受干扰性较小，检测距离较远。但太阳对红外传感器的影响很大。在白天自然光线很强的情况下，太阳光会增加光线强度，使红外传感器测距不准。红外传感器会根据不同的面返回不同的光线强度，白色面返回的数据比黑色面高很多。所以光线的强弱以及黑色障碍物返回的数据都会对红外传感器造成很大的影响。

红外传感器的限流电阻为10K，红外传输功率由不同性能的限流电阻决定。限流电阻越大，发射功率越小。当光线反射回来并且晶体管导通时，LM393的两个输入端子在同相输入端子中用正表示，在相反相输入端子中用负表示。为了比较这两种电压，将固定电压作为参考电压或阈值电平施加到任何输入端。在另一端施加比较电压。

当反相输入电压低于同相输入电压时，输出截止。否则输出端饱和，输出接地。只要LM393的两个输入电压差大于10mv，就可以确保输出从现状态可靠转换到另一状态。

使用这种比较器，不需要使用模数转换电路。通过LM393后，在主芯片的控制端口会产生高电平，最终达到检测的目的，模块的灵敏度可通过可变电阻VR1进行调节[5]。

1.1.1超声波传感器

超声波传感器每秒340米的速度在空气中发送超声波，声波碰到障碍物时会反弹回来，发射超声波时开始计数，当传感器接收到反射的超声波时结束计数，并根据超声波在空气中的速度和时间计算出物体的距离。这种超声波频率不低于20kHZ，所有这种声波频率不能被人们听见。

超声波传感器相对红外传感器检测距离较短，超声波传感器有效距离一般在5-10米之间。超声波有一定的发散性，如果测量障碍物的距离比较远时，超声波通过空气的传播速度和时间的计算会有误差，导致小车对障碍物的定位不准确。超声波测距在0.2-1.5米范围内的误差不大，但在小车与障碍物之间的距离小于0.2米时会有很大的误差。因为超声波传输的距离太小，当发射器发出声波信号时会产生一个上升时間，测距很短时单片机不能迅速处理返回的信号，会产生一个盲区影响超声波的测量。

（七）蓝牙通信模块

随着蓝牙技术的不断提高，蓝牙的应用范围也越来越广。蓝牙通信模块可实现近距离无线通信，有低功耗、成本低、支持多种配置方式、可自主通信网络等特点。蓝牙模块不用连接线缆，降低了成本的同时也提高了采集数据的效率。一对蓝牙连接成功之后犹如串口之间的通信般方便，只用UART模块就能进行发送数据，操作简单。

（八）单片机智能控制模块

智能小车采用32位单片机MK66FX1M0VLQ18系列为核心控制器，单片机共有144个引脚。MK66单片机因为有以太网加密，所有它的保密性更好。这款单片机有6个UART模块，两个16位SAR模数转换器，两个12位数模转换器与100根通用I/O引脚。Mk66主频为180M是目前M4系列主频最高的单片机。低功耗、高处理效率，该系列提供高速USB、全速无晶体USB支持、SDRAM控制器，带单精度浮点单元和8KB缓存，可以降低CPU负载，实现更快的系统吞吐，并在停止模式提供异步支持。拥有单独的闪存，能进行固件更新和代码的并发执行，既不会影响性能，也无需复杂的编码历程。

四、总结

本文以mk66单片机为系统的主控芯片，通过以电磁模块和摄像头共同对道路进行循迹方式，让智能小车在无人为的操作下也能自主平稳的在道路上驾驶。首先介绍了智能小车的背景，分析了智能小车自动驾驶在国内外的发展现状。其次从硬件方面介绍了小车所运用到的模块，主要讲解了小车的电机驱动模块，循迹检测模块、舵机与驱动电路、单片机智能控制模块等，通过多个模块的组合最终实现了小车的硬件部分。然后对小车的直流电机驱动原理和舵机原理进行了简单的阐述，以及本设计软件部分的算法分析。小车根据电磁传感器和摄像头采集的图像，通过单片机对采集的图像进行分析处理，控制小车伺服电机的角度和两个直流电机的速度，让智能小车能根据路况自动控制小车前进的速度和方向。本设计核心是自动驾驶控制技术，通过控制算法让智能小车在行进时更稳定，并且能对道路的情况做出及时的反映，更灵敏。

本文分别写了智能小车的硬件和软件两部分，硬件部分包括舵机模块、电机驱动模块、测距模块、避障模块等。软件部分包括电机驱动原理、舵机驱动原理、PID算法、图像识别等。在设计时对智能小车的基础知识不够扎实，很多理论知识了解的不够透彻。

随着大数据和AI智能技术的不断提高，智能小车的自动驾驶技术会更先进，给人们带来更方便的出行。在硬件和算法的不断优化下，汽车自动驾驶技术会更稳定和安全。