飛思卡爾智能車電磁組程序員成長(zhǎng)之路(未完待續(xù))

1、飛思卡爾智能車電磁組程序員成長(zhǎng)之路1. 飛思卡爾智能車小車入門智能汽車電磁組簡(jiǎn)介： 第五屆全國(guó)大學(xué)“飛思卡爾杯”智能汽車競(jìng)賽新增加了“電磁組”。根據(jù)比賽技術(shù)要求，電磁組競(jìng)賽，需要選手設(shè)計(jì)的智能車能夠檢測(cè)到道路中心線下電線中20KHz 交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)導(dǎo)引小車沿著道路行駛。在平時(shí)調(diào)試和比賽過(guò)程中需要能夠滿足比賽技術(shù)要求的 20KHz 的交流電源驅(qū)動(dòng)賽道中心線下的線圈。同時(shí)參賽選手需要自行設(shè)計(jì)合適的電磁傳感器來(lái)檢測(cè)賽道信息完成智能尋跡功能。 智能車制作是一個(gè)涵蓋電子、電氣、機(jī)械、控制等多個(gè)領(lǐng)域和學(xué)科的科技創(chuàng)新活動(dòng)。簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)可以將其分為硬件電路（包括電源、MUC 控制部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器）、

2、機(jī)械、算法三方面的設(shè)計(jì)。電磁組在機(jī)械方面可以參照光電組的設(shè)計(jì)方案，這里不再贅述。本設(shè)計(jì)指導(dǎo)只講述20KHZ 電源、電磁傳感器設(shè)計(jì)方案以及部分算法。 智能車對(duì)單片機(jī)模塊需求：飛思卡爾單片機(jī)資源：智能車程序框架：智能車涉及到IO模塊，中斷模塊，PWM模塊，DMA模塊，AD模塊等。在車模調(diào)試中還有必須的模塊。如SCI模塊、定時(shí)器模塊，SPI模塊等。其中還涉及到一些算法和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和搬移。一個(gè)好程序框架對(duì)智能車的制作過(guò)程中會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。但是就智能車這樣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果完全專門移植一個(gè)操作系統(tǒng)或者寫一個(gè)程序的bootload，感覺(jué)有一些本末倒置，如果有成熟的，可以借用的，那樣會(huì)比較好。2電磁傳感器

3、的使用20KHz電源參考設(shè)計(jì)方案：電源技術(shù)指標(biāo)要求：根據(jù)官網(wǎng)關(guān)于電磁組賽道說(shuō)明，20KHz 電源技術(shù)要求如下： 1. 驅(qū)動(dòng)賽道中心線下鋪設(shè)的 0.1-0.3mm 直徑的漆包線； 2. 頻率范圍：20K±2K； 3. 電流范圍：50-150mA； 圖 2.1 是賽道起跑區(qū)示意圖，在中心線鋪設(shè)有漆包線。 首先分析賽道鋪設(shè)銅線的電抗，從而得到電源輸出的電壓范圍。我們按照普通的練習(xí)賽道總長(zhǎng)度 50m，使用直徑 0.2mm 漆包線。在30 攝氏度下，銅線的電阻率大約為 0.0185 歐姆平方毫米/米。計(jì)算可以得到中心線的電阻大約為 29.4 歐姆。 按照導(dǎo)線電感量計(jì)算機(jī)公式： 其中 l, d

4、的單位均為 cm?？梢杂?jì)算出直徑為 0.2mm，長(zhǎng)度 50 米的銅線電感量為 131 微亨。對(duì)應(yīng) 20KHz 下，感抗約為 16.5 歐姆。 圖2.1 競(jìng)賽跑道起跑區(qū)示意圖可以看出，線圈的電感量小于其電阻值。由于導(dǎo)線的電感量與鋪設(shè)的形狀有關(guān)系，上述計(jì)算所得到的電感量不是準(zhǔn)確數(shù)值。另外，我們可以在輸出時(shí)串接電 容來(lái)抵消電感的感抗。所以估算電源電壓輸出范圍的時(shí)候，我們不再特別考慮線 圈的電感對(duì)于電流的影響。 為了方便設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)電源輸出電壓波形為對(duì)稱方波。由于線圈電感的影響，線圈中的電流為上升、下降沿緩變的方波波形。如圖 2.2 所示： 圖2.2 線圈驅(qū)動(dòng)電壓與電流示意圖 對(duì)于電阻為 29.4

5、歐姆的賽道導(dǎo)線，流過(guò) 100mA 的電流，電壓峰值應(yīng)該大于 3V。考慮到賽道長(zhǎng)度有可能進(jìn)一步增加、漆包線的直徑減少等原因，設(shè)計(jì)電源輸出電壓的峰值為 6V。在輸出電流為150mA 的時(shí)候，電源輸出功率大約為 0.9W。 電源組成：電源電路包括振蕩電路、功率輸出電路、恒流控制電路以及電源等組成。如圖 2.3 所示。圖2.3各分部功能可以采用不同的電路實(shí)現(xiàn)。下面分別給出官網(wǎng)電流源各模塊的參考設(shè)計(jì)方案。 圖2.3電源組成框圖 l 振蕩電路產(chǎn)生中心頻率為 20KHz 的對(duì)稱方波信號(hào)。為了滿足功率輸出電路的需要，輸出極性相反的信號(hào)，可以使用普通的 555 時(shí)基電路產(chǎn)生振蕩信號(hào)，也可以使用簡(jiǎn)易的單片機(jī)產(chǎn)生振

6、蕩信號(hào)。為了方便調(diào)試，信號(hào)頻率能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。 圖2.4 由555時(shí)基電路組成的振蕩電路 555 多諧振蕩器原理請(qǐng)大家參考數(shù)電課本，實(shí)際外圍電路電路參數(shù)需要自己設(shè)定，不一定要和官方給的一樣。1815 相當(dāng)于一個(gè)反向器，為閉環(huán)回路提供信號(hào)源。 555 電路較為簡(jiǎn)單，如果想更精確的產(chǎn)生 20KHz 當(dāng)然也可以用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生所需信號(hào)，同時(shí)還可以外部連接顯示接口顯示當(dāng)前的輸出頻率、輸出電流的大小。 l 功率輸出電路由于輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓、電流、頻率較大，需要一定輸出功率驅(qū)動(dòng)跑道線圈，因此最后需要功率輸出電路?？梢圆捎梅至⒋蠊β示w管搭建輸出電路，也可以使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋電路集成模塊。選擇時(shí)需要注

7、意電路的頻率響應(yīng)應(yīng)該大 20KHz，輸出功率大于2W。在制作時(shí)需要注意電路的散熱。圖 2.5-2.7 分別給出了三種不同的功率輸出電路，大家可以作為參考。 圖2.5 基于分立元器件的功率輸出電路 圖2.6 由 L298 組成的功率輸出電路 圖2.7 基于 VMOS/IR2153 功率輸出電路 在圖 2.7 電路中，IR2153 一方面內(nèi)部集成了類似于555 的時(shí)基振蕩電路以及 VMOS管驅(qū)動(dòng)電路。 l 恒流控制 恒流電路控制輸出電流在 100mA 左右穩(wěn)定，不隨著電源的變化而發(fā)生波動(dòng)。上述功率輸出模塊可以為負(fù)載-即賽道漆包線環(huán)路提供足夠的功率，但不能控制輸出電流的大?。ㄝ敵鲭妷阂汛_定，頻率確定

8、），所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)恒流控制電路，來(lái)調(diào)節(jié)功率輸出模塊電流的大小。 根據(jù)比賽規(guī)則的要求，恒流輸出控制不需要特別的精確。一般要求不高的情況下可以使用限流電阻控制電流的穩(wěn)定。 也可以利用晶體管的在放大區(qū)集電極的恒流特性進(jìn)行控制。如圖 2.8 所示： 圖2.8 利用晶體管進(jìn)行恒流控制晶體管可使用大功率雙極性晶體管，也可以使用功率 MOS 管。從電流設(shè)定穩(wěn)定性和恒流特性來(lái)看，使用功率雙極性晶體管更好。電源部分提供電路中所需要的各種低壓穩(wěn)壓電源。保證信號(hào)振蕩電路和恒流控制電路的穩(wěn)定性。可以使用一般穩(wěn)壓集成電路實(shí)現(xiàn)。 l 參考設(shè)計(jì)電路 實(shí)際電路圖的說(shuō)明： 設(shè)計(jì) PCB 時(shí)最好給 C2233 音頻功率管留足散

9、熱片的空間，它和 L298 一樣是電路中主要的發(fā)熱器件。 555 震蕩電路的參數(shù)也不一定要和上圖一樣，可以根據(jù)公式 計(jì)算出電阻的大小，只要便于調(diào)節(jié)的參數(shù)均可。 圖2.9 參考設(shè)計(jì)電路 震蕩電路 功率放大 恒流控制 頻率設(shè)定 恒流設(shè)定 電流表接入點(diǎn) 恒流輸出 l 電源調(diào)試 輸出電流調(diào)試：調(diào)節(jié)恒流設(shè)定電位器，使得輸出電流在 100mA 左右。外部負(fù)載電阻在 10 和 100 歐姆的時(shí)候，都應(yīng)該在 50-150mA 之內(nèi)。（注意：所接負(fù)載電阻必須要是大功率的，而且要充分考慮到它的散熱性，千萬(wàn)不能直接接上一般的直插式電阻就去測(cè)電流，會(huì)爆掉的!水泥電阻如果有較大阻值的話可以考慮用它作為恒流源負(fù)載）實(shí)際調(diào)

10、試時(shí)候可以空載下將電流表串入功率管集電極測(cè)量，效果是一樣的。 輸出頻率調(diào)試：可使用示波器或者具有頻率測(cè)量的萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓的頻率。外接 10 歐姆的負(fù)載進(jìn)行測(cè)量負(fù)載上電壓的頻率。調(diào)節(jié)頻率設(shè)定電位器使得電源頻率輸出在 2±2kHz。 調(diào)試完畢后，使得電源在接入跑道線圈之下連續(xù)工作 1 個(gè)小時(shí)，電源輸出的電流、頻率都不會(huì)漂移出要求的范圍，則所設(shè)計(jì)的電源滿足要求。 l 注意事項(xiàng) 功率管散熱：在外部負(fù)載比較小的時(shí)候，電路中功率輸出晶體管、恒流控制晶體管上的功耗比較大。特別是在整個(gè)電路的電源電壓較高（比如+12V）的時(shí)候，需要對(duì)于功耗比較大的晶體管進(jìn)行合理的散熱，以提高電源的工作熱穩(wěn)定性。

11、串接諧振電容： 當(dāng)賽道比較長(zhǎng)的時(shí)候，賽道線圈的電感較大，可以在賽道線圈連接中通過(guò)串聯(lián)電容抵消賽道線圈的感抗。具體電容的大小可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量賽道的電感進(jìn)行匹配。 電磁組傳感器及模路徑檢測(cè)設(shè)計(jì)參考方案：設(shè)計(jì)原理： 電磁組比賽競(jìng)賽車模需要能夠通過(guò)自動(dòng)識(shí)別賽道中心線位置處由通有100mA交變電流的導(dǎo)線所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行路徑檢測(cè)。除此之外在賽道的起跑線處還有永磁鐵標(biāo)志起跑線的位置。 1、導(dǎo)線周圍的電磁場(chǎng)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。智能汽車競(jìng)賽使用路徑導(dǎo)航的交流電流頻率為 20kHz，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻電磁破中間，為 3kHz

12、30kHz，波長(zhǎng)為 100km10km。如圖 2.10 所示： 圖2.10 電流周圍的電磁場(chǎng)示意圖 導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，按照一定規(guī)律分布。通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)的電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向可以反過(guò)來(lái)獲得距離導(dǎo)線的空間位置，這正是我們進(jìn)行電磁導(dǎo)航的目的。 由于賽道導(dǎo)航電線和小車尺寸 l 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)，電磁場(chǎng)輻射能量很?。ㄈ绻炀€的長(zhǎng)度 l 遠(yuǎn)小于電磁波長(zhǎng)，在施加交變電壓后，電磁波輻射功率正比于天線長(zhǎng)度的四次方），所以能夠感應(yīng)到電磁波的能量非常小。為此，我們將導(dǎo)線周圍變化的磁場(chǎng)近似緩變的磁場(chǎng)，按照檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布，從而進(jìn)行位置檢測(cè)。 由畢奧-薩伐爾定律知：通有穩(wěn)恒電流 I 長(zhǎng)度 L

13、 的直導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，距離導(dǎo)線距離為 r 處 P 點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： ) (1) 有此得： 對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)直電流來(lái)說(shuō)，上式中 圖2.11 無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度 磁場(chǎng)檢測(cè)方法：我們有很多測(cè)量磁場(chǎng)的方法，磁場(chǎng)傳感器利用了物質(zhì)與磁場(chǎng)之間的各種物理效應(yīng)：磁電效應(yīng)（電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁致電阻效應(yīng)）、磁機(jī)械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導(dǎo)體與電子自旋量子力學(xué)效應(yīng)。下面列出了一些測(cè)量原理以及相應(yīng)的傳感器： 1. 電磁感應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：電磁線磁場(chǎng)傳感器，磁通門磁場(chǎng)傳感器，磁阻抗磁場(chǎng)傳感器。 2. 霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。 3. 各向異性電阻效應(yīng)（AMR）磁場(chǎng)測(cè)量方法

14、。 4. 載流子自旋相互作用磁場(chǎng)測(cè)量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場(chǎng)傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻。 5. 超導(dǎo)量子干涉（SQUID）磁場(chǎng)測(cè)量方法：SQUID 薄膜磁敏元件。 6. 光泵磁場(chǎng)測(cè)量方法：光泵磁場(chǎng)傳感器。 7. 質(zhì)子磁進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)測(cè)量方法。 8. 光導(dǎo)纖維磁場(chǎng)測(cè)量方法。 以上各種磁場(chǎng)測(cè)量方法所依據(jù)的原理各不相同，測(cè)量的磁場(chǎng)精度和范圍相差也很大。我們需要選擇適合車模競(jìng)賽的檢測(cè)方法，除了檢測(cè)磁場(chǎng)的精度之外，還需要對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。 在下面所介紹的檢測(cè)方法中，我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈的方案。它具有原理簡(jiǎn)單、價(jià)格便

15、宜、體積小（相對(duì)?。?、頻率響應(yīng)快、電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適應(yīng)于初學(xué)者快速實(shí)現(xiàn)路經(jīng)檢測(cè)的方案。 通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，場(chǎng)的分布如圖 8.12 所示。如果在通電直導(dǎo)線兩邊的周圍豎直放置兩個(gè)軸線相互垂直并位于與導(dǎo)線相垂直平面內(nèi)的線圈，則可以感應(yīng)磁場(chǎng)向量的兩個(gè)垂直分量，進(jìn)而可以獲得磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。 圖 2.12 導(dǎo)線周圍的感應(yīng)電磁場(chǎng) 導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時(shí)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)也將發(fā)生變化，則線圈中將感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場(chǎng)傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓 E 與磁場(chǎng) B (t) 、電磁線圈的圈數(shù) N 、截面積 A 的關(guān)系有： 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可以用楞次定律來(lái)確定。由于本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線中

16、通過(guò)的電流頻率較低，為20kHz，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為 r，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布是均勻的。再根據(jù)圖 3 所示的導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為： (2)即線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。其中常量 K 為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個(gè)量，具體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常量須實(shí)際測(cè)定來(lái)確定。 雙水平線圈檢測(cè)方案 不同的線圈軸線擺放方向，可以感應(yīng)不同的磁場(chǎng)分量。我們先討論一種最簡(jiǎn)單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測(cè)方案。在車模前上方水平方向固定兩個(gè)相距 L 的線圈，兩個(gè)線圈的軸線為水平，高度為 h ，如圖 2.13 所示。 為了討

17、論方便，我們?cè)谂艿郎辖⑷缦碌淖鴺?biāo)系，假設(shè)沿著跑道前進(jìn)的方向?yàn)?z 軸，垂直跑道往上為 y 軸，在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中心線為 x 軸。xyz 軸滿足右手方向。假設(shè)在車模前方安裝兩個(gè)水平的線圈。這兩個(gè)線圈的間隔為 L，線圈的高度為 h，參見(jiàn)下圖 2.14 所示。左邊的線圈的坐標(biāo)為（x,h,z），右邊的線圈的位置(x-L,h,z)。 由于磁場(chǎng)分布是以 z 軸為中心的同心圓，所以在計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)候我們僅僅考慮坐標(biāo)(x,y)。 由于線圈的軸線是水平的，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反映了磁場(chǎng)的水平分量。根據(jù)公式（2）可以知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與成正比。 圖2.13 雙水平線圈檢測(cè)方案 圖2.14 感應(yīng)線圈的布置方案假

18、設(shè) h = 5cm, x(15,+15)cm，計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著線圈水平位置 x 的變化取值，如下圖2.15 所示： 圖8.15 線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與它距導(dǎo)線水平位置 x 的函數(shù) 如果只使用一個(gè)線圈，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 是位置 x 的偶函數(shù)，只能夠反映到水平位置的絕對(duì)值|x的大小，無(wú)法分辨左右。為此，我們可以使用相距長(zhǎng)度為 L 的兩個(gè)感應(yīng)線圈，計(jì)算兩個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值： 下面假設(shè) L =30cm，計(jì)算兩個(gè)線圈電動(dòng)勢(shì)差值 Ed 如圖 2.16 所示： 圖8.16 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值d E 與距離x 之間的函數(shù) 從上圖可以看出，當(dāng)左邊線圈的位置 x=15cm 的時(shí)候，此時(shí)兩個(gè)線圈的中心恰好處于跑道中央，

19、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值 Ed 為 0。當(dāng)線圈往左偏移，x(15,30)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值小于零；反之，當(dāng)線圈往右偏移，x(0,15)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于零。因此在位移 030cm 之間，電動(dòng)勢(shì)差值 Ed 與位移 x 是一個(gè)單調(diào)函數(shù)。可以使用這個(gè)量對(duì)于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而保證兩個(gè)線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。通過(guò)改變線圈高度 h,線圈之間距離 L 可以調(diào)整位置檢測(cè)范圍以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。 電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)部分 從上面檢測(cè)原理可以知道，測(cè)量磁場(chǎng)核心是檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 的幅值。電磁傳感器的設(shè)計(jì)主要包括：感應(yīng)線圈的選擇、信號(hào)選頻放大、整流與檢測(cè)等幾個(gè)方面，將會(huì)涉及到電磁場(chǎng)與波、高頻、模電等相關(guān)學(xué)科

20、的知識(shí)點(diǎn)，這里不再詳細(xì)的給出各個(gè)方案的具體論證過(guò)程，直接給出電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖和成熟的實(shí)際電路。檢測(cè)電路組成如圖 2.17 所示： 圖2.17 檢測(cè)電路系統(tǒng)框圖 2.17 中虛線部分可以看做另一種方案，即：信號(hào)放大以后直接通過(guò)單片機(jī) AD 采樣，而不經(jīng)過(guò)檢波環(huán)節(jié)，電路框圖如圖 2.18 所示： 圖2.18 直接采集放大信號(hào) 說(shuō)明：黑色原理圖為官網(wǎng)給出參數(shù)，具體的參數(shù)要根據(jù)線圈選型等實(shí)際情況自己設(shè)定，兩種方案各有優(yōu)勢(shì)。倍壓檢波電路可以獲得正比于交流電壓信號(hào)有效值的直流信號(hào)，處理起來(lái)很方便。缺點(diǎn)是由于電容的充放電，信號(hào)突變時(shí)有延遲，這種現(xiàn)象尤其在入彎時(shí)更明顯，使系統(tǒng)的響應(yīng)變慢。而直接采集放大信號(hào)的方

21、案則有效的克服了這一缺點(diǎn)，但信號(hào)處理起來(lái)沒(méi)有有效值檢波那種方案簡(jiǎn)單,而且對(duì) AD 性能的要求也較高。還有一種用的是檢波以后再送入 AD 處理信號(hào)的方案，事實(shí)證明也是可行的。下面給出兩種方案的實(shí)際電路圖，如圖 8.19 和圖 8.20 所示。 X方向 Y方向 Z方向 圖2.19 直接采集放大信號(hào)三維電磁傳感器電路圖 out連接到AD 圖2.20 檢波電路對(duì)于實(shí)際電路圖的說(shuō)明：電感線圈我們采用的是標(biāo)準(zhǔn)化的“工字型”電感線圈，這種線圈感應(yīng)面積大，靈敏度好，缺點(diǎn)是體積較大。實(shí)踐證明這種電感線圈綜合效果還不錯(cuò)，實(shí)際上我們只用兩個(gè)水平的線圈（即圖 6 的 x 軸方向）就可以完成尋跡功能，速度和穩(wěn)定性達(dá)到校

22、區(qū)水平。缺點(diǎn)是互感現(xiàn)象嚴(yán)重。不過(guò)也有很多參賽隊(duì)用直插式小體積的電感（外形和一般直插式電阻一樣，不過(guò)比電阻大些）。它的一個(gè)很明顯的優(yōu)點(diǎn)就是體積小，性能沒(méi)試過(guò)，鼓勵(lì)大家嘗試更多的選型方案。 去年比賽時(shí)我們只用到水平方向兩個(gè)線圈（即圖 2.14 中的 x 軸和 z 軸方向）。豎直方向的線圈可以用來(lái)檢測(cè)前方是否有彎道，也就是提高電磁組前瞻性的解決方案之一。我們當(dāng)時(shí)用單個(gè)豎直的傳感器檢測(cè)，在直道入彎處可以有 3040cm 的前瞻性，但實(shí)際跑的過(guò)程中數(shù)據(jù)無(wú)法有效地利用。加入豎直線圈以后在入彎和十字交叉時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)是相似的，因此無(wú)法區(qū)分一般彎道和十字交叉。這樣 x 軸方向的線圈用來(lái)判斷小車偏離跑道的程度，

23、信號(hào)再經(jīng)過(guò) MCU 的處理控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。 現(xiàn)在來(lái)說(shuō)明 z 軸方向線圈的作用。先看小車中心線與賽道重合時(shí)的情況：為了便于說(shuō)明原理，這里只考慮磁場(chǎng)在水平面的投影，豎直方向不予考慮。小車在直道上的示意圖如圖 2.21 所示： 圖8.21 小車中心線與賽道重合時(shí) 容易的出：磁場(chǎng)在水平方向的分量（x和z軸）全部落在 x 軸上，z軸磁場(chǎng)為 0。 再來(lái)看小車在過(guò)彎道時(shí)的示意圖，如圖 2.22 所示。 圖2.22 小車在過(guò)彎道時(shí)示意圖 大家可以看到只用兩個(gè)水平（x 軸）線圈時(shí)，過(guò)彎時(shí)兩線圈檢測(cè)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小可能很接近，而且此時(shí)不能反映所有水平方向磁場(chǎng)的信息，因?yàn)樗椒较颍▃ 軸）的磁場(chǎng)不為 0！所以這時(shí)

24、很自然的想到了利用 z 軸線圈來(lái)減小傳感器提取賽道信息不完整而使舵機(jī)誤動(dòng)作或轉(zhuǎn)向延遲。 圖8.23 有z軸線圈時(shí)過(guò)彎示意圖 圖8.24 U1位置兩水平線圈過(guò)彎時(shí)磁部 這樣通過(guò)計(jì)算 x 和 z 軸線圈的平方和就可以算出 U1 位置處磁場(chǎng)水平分量。這相當(dāng)于對(duì)信號(hào)的軟件放大，而且使信號(hào)精度更高。實(shí)際上完全可以參照杭電的傳感器布局，使用一個(gè)線圈相對(duì)于 x 軸 45°放置，就可以達(dá)到圖 15 所示傳感器布局的效果。因?yàn)椴捎玫氖窍嗤碾姼芯€圈，可以認(rèn)為它的電氣特性完全相同。用一個(gè)這樣的線圈就可以提取整個(gè)水平方向的磁場(chǎng)信息。 根據(jù)官網(wǎng)的說(shuō)明，不同方向同一位置的線圈算為一個(gè)傳感器。這個(gè)“同一個(gè)位置”

25、沒(méi)有明確的限定，靠的近一點(diǎn)、做在同一個(gè)板子上就可以了。 傳感器的設(shè)計(jì)與調(diào)試 實(shí)物如圖 2.25 所示： 圖2.25 直接放大電路實(shí)物圖（正反兩面） 說(shuō)明：大家可以看到，比賽時(shí)我們只用到兩個(gè)線圈，豎直方向的拆掉了。 放大電路如圖 8.26 所示： 圖2.26 放大電路電路焊接完畢后，只要調(diào)節(jié)圖 11 中可調(diào)電阻 R4，使得三極管集電極電壓處于 2.5V 左右即可。 將上述放大電路的感應(yīng)電感放在通有 100mA、20kHz 導(dǎo)線周圍，使用示波 器觀察電路的輸出與輸入信號(hào)，如圖 8.27 所示： 圖2.27 放大電路的輸入、輸出波形通過(guò)圖 2.27 可以看出，放大電路的放大倍數(shù)大約為：倍。所得的電壓

26、信號(hào)可以直接連入單片機(jī)的 AD 轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行采集就可以。但這種方案對(duì) AD 轉(zhuǎn)換速率要求較高。這樣 AD 輸入的交流信號(hào)的平均值在 2.5V，變化范圍在 0-5V，滿足單片機(jī) AD 轉(zhuǎn)換的需要。 檢測(cè)方案 基本思路 以直接采集放大信號(hào)的傳感器方案為例，賽道信號(hào)為 20khz 方波，在采集信號(hào)時(shí)只要保證單片機(jī)的 AD 采集速率大于 20kHz 的 5-10 倍，連續(xù)采集 5-10 個(gè)周期的電壓信號(hào)（大約 100 數(shù)據(jù)左右），就可以直接從采集的數(shù)據(jù)中最大值減去最小值獲得信號(hào)的峰峰值。假設(shè)采集了128 個(gè)數(shù)據(jù)：𝑥𝑖,𝑥 = 1,2, ,128 ,計(jì)算信

27、號(hào)的峰峰值𝑉𝑃𝑃可以有下式計(jì)算： 𝑥𝑚𝑎𝑥=max(𝑥𝑖,𝑥 = 1,2, ,128) 𝑥𝑚𝑖𝑛=min(𝑥𝑖,𝑥 = 1,2, ,128) 𝑉𝑃𝑃= 𝑥𝑚𝑎𝑥 𝑥𝑚𝑖

28、𝑛 上面計(jì)算計(jì)算方法由于只用應(yīng)用了數(shù)據(jù)的最大值、最小值，所得結(jié)果容易受到噪聲的影響，所以還可以通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)交流信號(hào)的平均值、有效值反映信號(hào)的幅值： 上面所計(jì)算得到的 , 𝑥𝑎𝑣𝑒、 𝑥𝑒等都與信號(hào)的峰峰值成單調(diào)關(guān)系，所以也可以用來(lái)進(jìn)行計(jì)算位置差值信號(hào)。 經(jīng)驗(yàn)體會(huì) 如果采用直接放大信號(hào)的傳感器方案，要滿足信號(hào)采集的需要，MUC 片內(nèi) AD 或者外部 AD 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間要能達(dá)到 5us,將近 1MSPS！傳統(tǒng)的 AVR 單片機(jī)已近遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求了（最高分辨率時(shí)采樣率 15 kSPS）

29、，msp430f149 的片內(nèi) AD 剛好 200 ksps，基本滿足需求，飛思卡爾 MC9S12XS128 轉(zhuǎn)換速率達(dá)到 3us,也可以勝任信號(hào)采集的需求，不過(guò)價(jià)格昂貴。這樣的話就需要外部 AD 來(lái)完成信號(hào)采集。而且要考慮到線圈的個(gè)數(shù)會(huì)有多個(gè)，所以外部 AD 的通道數(shù)也需考慮，串行和并行看大家自己的習(xí)慣。我們?nèi)A東賽區(qū)比賽用的是 AD 公司的 8 輸入串行 spi 通信模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7928，轉(zhuǎn)換率1MSPS，基準(zhǔn)電壓芯片用的是 AD780，總價(jià)在 40 元左右。 而如果采用放大檢波方案的話，對(duì) AD 就沒(méi)有什么那么高的要求了。不僅設(shè)計(jì)的成本大幅降低，而且軟件上的復(fù)雜度也會(huì)大大降低，直觀地看

30、只需要采一次數(shù)據(jù)就可以提取當(dāng)前磁場(chǎng)信息。所以如果條件有限，推薦大家使用放大檢波的方案，但這種方案在硬件上會(huì)復(fù)雜一些，需要的調(diào)試工作量也會(huì)大一些。從檢波二極管的選擇，到濾波電路參數(shù)的計(jì)算，都需要有較高模、高頻電基礎(chǔ)。不過(guò)這更具挑戰(zhàn)性，更能鍛煉自己的能力！為了減輕低年級(jí)同學(xué)的設(shè)計(jì)工作量，我們也給出了已經(jīng)調(diào)試過(guò)的電路，如圖 12 所示，供大家參考。 其實(shí)不管是 CCD 組、光電組還是電磁組，在軟件方面的基本思路是一致的。通過(guò)傳感器提取賽道信息，通過(guò)軟件方面的手段計(jì)算出當(dāng)前小車偏離賽道的程度記為“”，要求高的話，像“飛思卡爾杯”的話再加入速度反饋 ，綜合考慮當(dāng)前速度大小和偏離賽道程度“”，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)

31、向和電機(jī)的加減速。有了“”和速度傳感器返回的值，至于當(dāng)前“”下舵機(jī)轉(zhuǎn)多大，電機(jī)加速還是減速，加多少減多少，這就需要軟件的算法來(lái)計(jì)算了。最常見(jiàn)的就是 PID 和棒棒算法了，另外模糊控制理論在智能車控制領(lǐng)域也用得比較多。算法方面校區(qū)智能車設(shè)計(jì)指導(dǎo)書第二版會(huì)有講解，這里就不說(shuō)了。本指導(dǎo)只講從 AD 提取賽道信息到得出“”，以及在整個(gè)程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題，軟件整體的設(shè)計(jì)思路。 除了利用上述的𝑥𝑎𝑣𝑒、 𝑥𝑒做差可以計(jì)算出外，也有其他方法。大家不必拘泥于上面的方法。 起跑線檢測(cè) 關(guān)于路徑檢測(cè)方法，這里還想

32、說(shuō)說(shuō)怎樣檢測(cè)起跑線。電磁組檢測(cè)起跑線的方法與光電、CCD 組的不同，通過(guò)硬件即可完成，相對(duì)也比較簡(jiǎn)單，所以放在后面講。我們?cè)賮?lái)看看官網(wǎng)給的起跑線示意圖，如圖 2.28 所示： 圖2.28 起跑線示意圖如圖 2.28 所示，起跑線下面均勻的放置有 6 個(gè)永磁體，磁體放置極性不確定。磁體參數(shù)：直徑 7.5 - 15mm，高度 1-3mm，表面磁場(chǎng)強(qiáng)度 3000-5000Gs。磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)賽道產(chǎn)生的磁場(chǎng)非常大（經(jīng)過(guò)計(jì)算賽道磁場(chǎng)強(qiáng)度在103Gs 數(shù)量級(jí)），完全可以不考慮小車會(huì)在非起跑線區(qū)域檢測(cè)起跑線。檢測(cè)起跑線的傳感器通常選用干簧管。干簧管相當(dāng)于一個(gè)磁敏開(kāi)關(guān)，分為常開(kāi)和常閉類型。工作原理很簡(jiǎn)單

33、，干簧干里面的磁性導(dǎo)電簧片受到足夠大的磁場(chǎng)磁化以后相互吸合在一起來(lái)完成一次開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。 電磁組要檢測(cè)起跑線，只要干簧管受經(jīng)過(guò)起跑線時(shí)受到的磁場(chǎng)作用達(dá)到一定程度就可以?？紤]到磁體極性不確定，但歸納起來(lái)就三種情況： 同側(cè)三個(gè)磁體表面都為同極性 相鄰兩兩磁體極性不同 只有相鄰兩個(gè)磁體極性相同 經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)： 每個(gè)磁體表面中線處磁場(chǎng)為 0 或者很小，干簧管經(jīng)過(guò)單個(gè)磁體表面時(shí)不能發(fā)生動(dòng)作，即存在盲區(qū)。同名磁體中垂線上磁場(chǎng)為 0。 兩磁體中心相距 2.5cm，在小車左右兩側(cè)各放一個(gè)干簧管顯然是不行的，考慮最壞的情況，兩個(gè)相鄰的干簧管中心位置不能是 2.5cm 和 2.5/2cm 的整數(shù)倍。這

34、樣的話，每側(cè)各用兩個(gè)就可以了。設(shè)計(jì)時(shí)可以把干簧管并連在一起，左右共兩組，任何一路導(dǎo)通都可以向 MCU 輸送檢測(cè)起跑線的信息。實(shí)物圖如度 2.29 所示： 圖2.29 干簧管檢測(cè)起跑線實(shí)物圖軟件部分的簡(jiǎn)要流程圖 程序開(kāi)始初始化工作處理AD數(shù)據(jù)舵機(jī)反方向打死兩側(cè)做差得到偏離跑道的差值檢查每一側(cè)傳感器的值是否小于E檢測(cè)到起跑線停止運(yùn)行是否是否速度反饋的值棒棒控制PID控制舵機(jī)、電機(jī)動(dòng)作 -25- 3.MC9S12XS128單片機(jī)常用模塊3.1 PWM模塊PWM 調(diào)制波有 8 個(gè)輸出通道，每一個(gè)輸出通道都可以獨(dú)立的進(jìn)行輸出。每 一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器（計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)），一個(gè)周期控制寄存器和兩個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源。每一個(gè) PWM 輸出通道都能調(diào)制出占空比從 0100% 變化的波形。 PWM 的主要特點(diǎn)： 1、它有 8 個(gè)獨(dú)立的輸出通道，并且通過(guò)編程可控制其輸出波形的周期。 2、每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器。 3、每一