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基于K60的电磁循迹避障小车的设计 顾肖峰　杨宗良　于明亮摘 要：文中采用全国大学生智能汽车竞赛组委会认定的L车模作为载体，以NXP的MK60FX512VLQ15为核心芯片，设计一种自动避障电磁循迹智能小车系统为了提高电磁小车在室内和室外运行的稳定性和速度，增加识别坡道和横断路障的准确率，软件上运用了差比和与归一化拟合处理电感值、增量式PID控制电机、位置式PID控制舵机等算法，硬件上运用了运算放大电路放大电感型号，单片机内部模数转换模块将电感的电压转换为数字量，BTN7971B驱动电机，MVR1EB测距模块和超声波相配合越过障碍物，运用蓝牙模块远程调试或者控制小车，通过上位机获取小车具体信息，OLED显示实时参数标志位最终结果表明，该电磁寻迹智能小车系统在实际的比赛中运行平稳，性能可靠关键词：K60;PID;循迹;电磁传感循迹;避障;物联网技术;嵌入式：TP271：A：2095-1302（2020）03-0-040 引 言第十四届全国大学生智能汽车竞赛新增加室外电磁组，是为实现竞赛的“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”的指导思想[1]在电磁循迹广泛应用于生活各个场景之下，大赛新增加室外电磁组，其与以往传统组别不同，其赛道仅仅是一根电磁线，小车需通过特定的元素如：正六边形环岛、坡道、横断路障、自动停车等。

小车以32位微处理器MK60FX512VLQ15[2]作为主控芯片，利用电感电容LC谐振获取赛道位置信息位置信号经过运算放大整流后传入微处理器的ADC进行数字化，再由软件进行归一化等处理，得到具体的位置偏差避障运用了MVR1EB测距模块和超声波测距模块相结合1 整体设计方案本系统通过电机PID闭环与舵机PD控制，电磁模块获取位置信息，停车检测模块获取磁铁的变化、显示模块可用于调试与显示[3]，如图1所示2 硬件电路设计2.1 电机驱动电路电机驱动电路采用英飞凌大功率驱动芯片BTN7971B组成的全H桥驱动模块，具有过热过流保护功能双BTN7971B H桥驱动电路具有强劲的驱动和刹车效果，最大电流43 A在程序上运用PWM信号来控制每路BTN的输出，如图2所示，用编码器测定电机的转速，通过增量式PID调节PWM，进而控制电机转速单片机输出PWM通过隔离芯片74LVC245到BTN7971B，隔离芯片如图3所示2.2 电磁检测模块根据电磁学的电磁感应可知，导体中通入变化的电流（如按照正弦波规律变化的电流），相应导体的周围会产生变化的磁场，且磁场的与电流的变化具有一定的规律（即毕奥—萨伐尔定律）[4]。

在此磁场中放置一个由线圈组成的电感，则此电感就会产生感应电动势，该线圈产生的感应电动势与通过线圈的磁通量的变化率成正比，公式如下：（1）由于导体周围磁感应强度的方向和大小不同，产生的感应电动势也有所不同，因而可以确定电感所处的空间位置[5]电磁模块主要流程如图4所示图4中选频时依照进行选择，其电路如图5所示2.3 电源模块整个系统的正常工作离不开电源模块[6]所需供电电压如下：最小核心系统为3.3 V，编码器[7]为5 V，电磁模块为5 V、舵机驱动为5 V、OLED显示为3.3 V因而用LM1117-5 V和LM1117-3.3 V单独给核心板供电;舵机驱动采用DC-DC LM2596S-5.0，其最大能输3 A其余外设全由另一个LM2596-5.0和LM1117-3.3 V供应电源模块电路如图6～图8所示2.4 舵机模块由于舵机是使用的SD5舵机，其为三线舵机，包含：信号线、正极、负极PWM信号通过74LVC245隔离芯片直接与舵机信号口相接，如图9所示2.5 避障模块采用超声波测距和MVR1EB模块，前者采用普通GPIO口，后者采用UART串口获取，两者都为5 V供电，上下垂直放置。

2.6 测速模块本系统采用512线编码器，编码器自身直接输出旋转方向和脉冲由于K60自带正交解码，因而使用更方便，如图10所示3 软件设计从硬件电路可知，软件部分由三部分：電机驱动算法、舵机驱动算法、避障算法3.1 电机驱动算法本系统是一个闭环系统，采用增量式PID控制算法[8]PID中P为比例项，I为积分、D为微分增大P会缩短反应时间，过大会导致过调增大D会使得系统区域稳定，但会延时通过多次调试得到合适的PID值[9]，算法流程如图11所示3.2 舵机驱动算法舵机控制算法为开环控制，采用位置式PD控制由电磁模块获取位置信息的感应电动势，通过K60的12位A/D转换，将其转化为数字信号;再通过不同位置的电感之间进行拟合归一化处理，差比和后获得一个位置偏差值;将此位置偏差值传递给PD算法，同时和丢线算法线结合[10]，判断方向，最后输出PWM控制舵机，其流程如图12所示3.3 避障算法通过一个超声波一个MVR1EB激光测距模块，可以获取到两个距离由于超声波具有发散性，因而在遇到坡道等相似路径或者物体时，会出现测不准，而激光由于聚合性高，当倾角固定的情况下，几乎不会出现测不准所以当超声波和激光模块的距离相差非常小时，则遇上了横断障碍;当两者差距很大并且超声波的数值跳动大时，很有可能是坡道。

之后通过对速度进行积分，判断何时避过障碍物，流程如图13所示4 结 语本文主要分析第十四届“恩智浦杯”智能汽车竞赛中的室外电磁组，以电磁循迹、归一化，差比和处理电感为主，测距避障为辅，舵机PD控制和电机闭环PID控制相辅相成结果表明，本系统在实际的比赛中运行平稳，性能可靠参 考 文 献[1]卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.[2]李维康，项华珍，刘海刚，等.电磁引导小车控制系统设计[J].工业控制计算机，2014，27（5）：57-58.[3]王盼宝，樊越骁.智能车制作：从元器件、机电系统、控制算法到完整的智能车设计[M].北京：清华大学出版社，2017.[4]秦磊，王佳宇，黄名扬，等.基于单片机的电磁循迹智能车系统的设计[J].物联网技术，2018，8（7）：102-104.[5]叶选繁，常郝，陈震元，等.基于KEA微处理器两轮直立电磁智能小车设计[J].电子世界，2019（8）：145-147.[6]谭小刚，张卓然，杜鹏浩.基于电磁传感器的智能小车设计[J].湖北汽车工业学院学报，2012，26（3）：73-76.[7]高海沙，丁晓慧.基于MC9S12XS128的电磁智能小车的硬件设计[J].微型机与应用，2016，35（7）：28-29.[8]肖文健，李永科.基于增量式PID控制算法的智能车设计[J].信息技术，2012，36（10）：125-127.[9]朱里红，王定文.基于模糊PID的电磁循迹小车控制系统[J].兵工自动化，2016，35（2）：44-47.[10]谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2006. -全文完-。