基于金属检测导航的智能车控制系统研究精要.docx

基于金属检测导航的智能车控制系统研究 朱志文 赤峰学院 摘要：现在多数以金属传感器为方向检测的智能车模型都采用ldc1000传感器为引导，但大多都是一路或两路传感器，容易在行驶过程中丢线，且由于线圈之间存在互感导致检测效率极低。本文提出在采用三路金属传感器的情况下，通过硬件克服线圈之间的互感，并采用最优控制算法，使小车能够快速平稳的沿着铝膜行驶。 关键字：ldc1000;金属检测;线圈排布;最优控制; PID算法; 一 引言 现在的金属探测技术主要应用于车站安检，硬币探测等，以金属检测为方向引导的嵌入式控制系统还未有较大的突破。多数以金属检测为方向引导的智能车主要是由单路金属传感器进行道路导航，多应用于金属探测识别领域。 智能车涉及道路感知、路径规划、小车机械、自动控制算法等多个方面的内容，是一个非常复杂的非线性控制系统，本文在现有的智能车发展基础上，通过优化三路ldc1000金属检测系统，实现以金属检测为导航的智能车控制系统设计。 二 系统设计 1．传感器设计 （1）双路检测方案 Ldc1000检测金属是利用涡流原理[1]实现。由于涡流反应的是线圈和铝膜的距离、重叠面积等变量[2]的关系，在此系统中距离d不做为系统变量考虑，另d为一固定值，即线圈距离铝膜5cm。本系统主要是通过检测线圈与金属铝膜的重叠面积来确定小车的位置。当线圈与铝膜产生不同的重叠面积时，ldc1000向控制芯片返回不同的数字量，由此反应出赛道的变化情况。 当系统采用两路金属传感器进行方向识别时，极易丢线且出现“摇头”现象。用蓝牙对数据采集，经数据拟合后发现:当小车偏离角度小于π/6时，两路差值呈线性关系，小车为线性响应，表现为在直道和小s弯道运行良好。 图1 双路线圈方向控制 但是当小车偏离角度大于π/6，两路差值开始减小，直至小车偏离角度大于π/3时，两路差值减小至0。表现为当小车通过大s或圆环赛道元素时，小车有转向动作但由于系统响应延时，导致小车偏离角度大于π/3，舵机不打角，小车丢线。 （2）三路检测方案 在两路传感器检测的基础上，通过在两路线圈中位线方向加入第三路线圈，中路线圈恰好位于铝膜正上方，通过中路线圈的值来预判小车是否完全丢线。当小车偏离角度大于π/3时，将舵机偏转角度置最大，使小车回正。 图2 三路线圈方向控制 在三路线圈的排布上要注意线圈之间的距离，减少由于线圈间互感[3]产生的信号干扰。线圈的排布可按正三角形分布，令两线圈中心距离为感应金属宽度和线圈直径之和。 图3 线圈排布 （3）谐振电容测试 如果交变电流直接加在电感线圈上，能量损耗严重。为解决这一问题，将线圈与电容并联组成LC谐振电路[4]，此时能量只损耗在初级线圈和互感的寄生电阻上。 实验发现，当左路线圈位于金属铝膜上方时，涡流效应产生的反向磁场与左路线圈形成一级耦合变压器，左路线圈和右路线圈之间形成二级耦合变压器，右路线圈通过左路线圈检测到金属的涡流效应。使得右路线圈在没有检测到金属时，却和金属涡流现象产生的耦合作用一样给MCU返回了相同的数字量。即将右路线圈缓缓从铝膜上方移开时，检测到的数字量逐渐变小，但随着左路线圈慢慢进入铝膜上方，右路线圈检测到的数字量又增大，导致小车在行驶过程中对赛道误判，极易丢线。 通过增大线圈之间的距离来消除互感有一定效果，但是当线圈距离增大时影响小车对道路的识别，小车出现“摇头”现象。通过对每路线圈焊接不同的电容，使得每路金属传感器谐振在不同的频率上，线圈之间的互感大大减小，每路产生的磁通变化均由金属涡流现象产生，不受其它线圈的干扰。另外，在硬件设计过程中应注意单片机连接到ldc1000传感器的线应尽量短，避免其他干扰（噪声、静电）对信号的影响[5]。 表1 谐振电容测试实验 左路谐振电容(pf) 右路谐振电（pf） 中路谐振电（pf） 实验结果 100 100 100 单路正常 100 200 200 单、双路正常 100 200 300 三路均正常 2．硬件电路设计 根据设计要求，该系统硬件设计如图所示。系统整体由低功耗ARM微处理器KL26、金属传感器电路、电机驱动电路、舵机驱动电路、供电模块等组成。 图4 硬件电路 舵机采用S3010型号通用伺服器，当供电为6.0V时，其动作速度为0.16+0.02[sec/60度]，反应速度快，转向灵敏。电机使用额定电压为7.2V的RS-380SH-4045 碳刷马达，单片机输出PWM通过H桥驱动电路[6]控制电机正反转