智能車電磁檢測及控制算法的研究

摘要：在智能車傳統PID、PD控制的基礎上進行改進，提出了一種更為穩定快速的循跡控制方法。智能車的方向控制和速度控制都具有非線性、大滯后的特點，傳統的控制方法存在著響應時間不夠及穩態誤差大的缺點。通過電磁傳感器的合理設計，對路徑信息和車體狀態進行檢測，并在此基礎上引入基于模糊控制的變參數PD控制和變結構控制。實驗結果表明，與傳統方法相比，智能車運行的穩定性和快速性都得到了很大的提高。
關鍵詞：智能車；MC9S12XS128；模糊控制；變參數PD控制器；變結構控制器

本文是以第五屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽為背景。本屆比賽新增加了電磁組的比賽，在50 cm寬的賽道中心鋪設有直徑0．1～0．3 mm的導線，其中通有20 kHz，100 mA的交變電流。除此之外，在賽道的起跑線處還有永磁鐵標志起跑線的位置。車模要通過自動識別導線所產生的電磁場進行路徑檢測。
從道路元素來看，賽道一般可以分成直道、轉彎、S道、回環道等形式。在智能車行駛的過程中，為了選擇最佳路徑，減少行駛距離，在轉彎處最好選擇內切，小S彎甚至可以近似的走成直線。但是由于電磁傳感器的局限性，不可能像攝像頭一樣檢測到前方賽道的全貌，這就要求在算法上有所突破。

1 智能車系統的硬件組成
1．1 整體硬件結構介紹
圖1所示為智能車控制系統的硬件框圖。系統采用飛思卡爾半導體公司的16位微處理器MC9S12XS128作為核心控制芯片，設計最小系統模塊；外圍電路包括路徑檢測模塊，速度檢測模塊，舵機轉向模塊，電機驅動模塊；電源模塊為整個系統提供動力支持。其中速度檢測模塊采用光電編碼器采集信號，并通過微控制器的ECT模塊進行脈沖捕捉計數，測得速度值；電機驅動采用H橋，可實現電機的正反轉及制動。

1．2 電磁傳感器的設計
根據麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產生交變的電磁場。本智能車選用工字型10 mH電感作為磁場感應傳感器。這類電感體積小，Q值高，具有開放的磁芯，可以靈敏的感應周圍交變的磁場，產生響應感應電動勢。圖2所示為路徑檢測模塊電路圖，這里只為其中的一路。

電路中L1為10 mH電感；C4為6．8 nF的諧振電容，實現20 kHz信號的選頻電路；Vout為感應電動勢輸出端。傳感器模塊伸出車體約10 cm，距離地面8 cm。
由畢奧-薩伐爾定律知，通有穩恒電流的直導線周圍會產生磁場，感應磁場分布是以導線為軸的一系列同心圓。圓上磁場強度大小相同，并隨著距離導線的徑增加成反比下降。
通電導線周圍的磁場是一個矢量場。在本設計中，根據法拉第電磁感應定律，感應電動勢可近似為：。k為比例系數，與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關。感應電動勢的方向可用楞次定律來確定。對于放置在導線上方h處，與導線水平距離為x的線圈中產生的感應電動勢的大小與成正比。θ是傳感器所在平面與導線的夾角。