李東東， 馬添翼， 牛繼高

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

在“綠色化”發(fā)展的大背景下，智能化技術(shù)、節(jié)能技術(shù)等在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。為適應(yīng)發(fā)展趨勢，全國大學(xué)生智能汽車競賽為智能車研究與成果展示提供了平臺(tái)[1]。智能車(即智能汽車)的設(shè)計(jì)以汽車電子為基礎(chǔ)，涉及機(jī)械、傳感、電子、控制以及信號處理等學(xué)科?？傮w上可將其分為三部分，即機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、系統(tǒng)硬件部分和系統(tǒng)軟件部分。在智能車競賽中，傳統(tǒng)的電磁組別依靠電池供電，不考慮電能的消耗，而電磁節(jié)能組作為新組別，其節(jié)能及輕便的機(jī)械結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?，F(xiàn)有節(jié)能方案節(jié)能效果不佳，存在較大的改進(jìn)空間。本文針對目前智能車技術(shù)上存在的問題，提出一種較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，將超級電容用于電路供電，在智能車比賽前使用官方提供的12 V、5 A電源對超級電容充電，檢測充電電能后在預(yù)定路況的賽道上完成比賽。智能車比賽成績T(s)由其單周耗時(shí)t(s)與超級電容充電電能E(J)加權(quán)確定。智能車必須具有合理簡潔的機(jī)械結(jié)構(gòu)，且車速與耗電量達(dá)到最優(yōu)的匹配才能出色地完成比賽。

1 整車控制方案

選取飛思卡爾Kinetis汽車系列KEA128芯片作為微控制器，以超級電容為主電源對整車電路供電，并將工字電感(電磁傳感器)用于路徑識(shí)別。工字電感產(chǎn)生的感應(yīng)信號經(jīng)放大、檢波處理，輸入單片機(jī)，結(jié)合軟件算法，采用PD(比例微分)控制舵機(jī)打角，并使用PWM(Pulse Width Modulation)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能車控制。

在輔助調(diào)試模塊中加入藍(lán)牙、上位機(jī)及發(fā)光二極管(LED)等工具，用于顯示智能車在不同賽道位置的電感值，并與精確算法中的限定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)智能控制。所設(shè)計(jì)智能車的整體控制方案如圖1所示。

圖1 智能車的整體控制方案

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)是智能車的基礎(chǔ)，合理設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，對于智能車提速效果明顯，可有效避免高速狀態(tài)下彎道甩尾、舵機(jī)反應(yīng)遲滯等問題，且有利于算法優(yōu)化。

超級跑車絕大多數(shù)采用中置后驅(qū)(RR)的驅(qū)動(dòng)方式，重量分配比例多為47∶53。本方案綜合考慮各種條件，也采用RR驅(qū)動(dòng)方式，但以50∶50進(jìn)行重量分配。經(jīng)過簡單配重實(shí)驗(yàn)，智能車重心位于底盤中心偏后1 cm處最佳。整車結(jié)構(gòu)中超級電容組為最重模塊，應(yīng)采取臥式放置方式。通過3D打印的舵機(jī)套以臥式將舵機(jī)固定在底盤上。

2.1 直流電機(jī)選型

電機(jī)的選型需兼顧額定電壓、功率、轉(zhuǎn)速、質(zhì)量、尺寸和使用壽命等技術(shù)要求。通常采用的無刷電機(jī)與電子調(diào)速器(簡稱電調(diào))配合方案，電路較為復(fù)雜，加減速響應(yīng)慢；雖然空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)速高，但難以設(shè)計(jì)與之配合的齒輪和減速器，且其功率低而無法應(yīng)對坡道等路況。380型電機(jī)質(zhì)量較大，堵轉(zhuǎn)電流為2 A，低電壓供電時(shí)扭矩較??；長軸260型電機(jī)質(zhì)量較小，堵轉(zhuǎn)電流為1.76 A。在初步選擇3款直流電機(jī)后，對各款電機(jī)的部分重要參數(shù)進(jìn)行了測試(見表1)。

表1 直流電機(jī)測試數(shù)據(jù)

RN260-CN-18130(260)型電機(jī)較輕，輸出軸較長，最大效率(52.3%)時(shí)電流為0.679 A；RS380-ST(380)型電機(jī)較重，最大效率(64.6%)時(shí)電流為2.850 A，低電壓供電時(shí)扭矩??；RS-540SH-7520(540)型電機(jī)最大效率(63.2%)時(shí)電流為13.000 A?？紤]到設(shè)計(jì)的車模質(zhì)量較小，除電機(jī)外只有487.5 g，本方案選用260型電機(jī)即可滿足驅(qū)動(dòng)要求。

2.2 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

在傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)中，因電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高,多采用一級減速方案[2]。為有效避免齒面點(diǎn)蝕，可選用1010A黃銅齒輪進(jìn)行嚙合。同時(shí)，從智能車節(jié)能以及提高驅(qū)動(dòng)能力方面考慮，其驅(qū)動(dòng)使用單電機(jī)，后輪傳動(dòng)采用機(jī)械差速方式。

2.3 舵機(jī)選型

官方指定的FUTABA S3010和SD-5舵機(jī)存在體積大、重量大、耗電大等諸多弊端。在滿足額定扭矩、功率的條件下，本方案擬選擇某品牌12 g金屬型航模舵機(jī)。其重量、功率僅分別為傳統(tǒng)舵機(jī)的1/10和1/6。

對比3種型號舵機(jī)的參數(shù)(見表2)可知，某品牌舵機(jī)正常工作時(shí)電流較小，對整車壓降影響小，更有利于電壓穩(wěn)定，且質(zhì)量較小，其扭矩能夠滿足轉(zhuǎn)彎要求，符合節(jié)能設(shè)計(jì)的要求。故本方案選擇該品牌舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)智能車轉(zhuǎn)向。

表2 舵機(jī)重要參數(shù)

注：扭矩為5 V電壓下的測定值。

2.4 電感排布

電感排布與控制算法相結(jié)合，力求簡潔，且應(yīng)減少能耗，降低重心。電感排布方式如圖2所示。采用四電感算法，左右電感用于判斷路徑；中間電感用于判斷坡道，并輔助左、右電感判斷急彎丟線情況；豎直電感在圓環(huán)入口處數(shù)值變化較大，用于輔助左、右及中間電感判斷環(huán)島路徑。

圖2 電感排布方式

3 超級電容選型

3.1 超級電容參數(shù)計(jì)算

市場上超級電容單體的額定電壓一般為2.7 V，無法滿足為智能車供電的電壓要求,故需要以串聯(lián)超級電容單體的方式提高輸出電壓[3]。

串聯(lián)后超級電容組的容量為：

C=C單÷n

(1)

式中：C單為超級電容單體的電容值；n為單體個(gè)數(shù)。

串聯(lián)后超級電容組的儲(chǔ)能估值為：

E=0.5CU2

(2)

串聯(lián)后超級電容組的電壓為：

U=2.7n

(3)

串聯(lián)后超級電容組的輸出能量為：

E0=E1-E2

(4)

式中：E1為充入電能；E2為剩余電能。

本方案預(yù)選的3種超級電容組規(guī)格為：100 F×4，50 F×4， 30 F×4。當(dāng)充入電壓為10 V,剩余電壓為2.43 V時(shí)，超級電容組具體參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

3.2 電容選型分析

經(jīng)測試，智能車裝配規(guī)格為100 F×4的超級電容組，提速至1.8 m/s后，每行駛30 m約耗能170 J。經(jīng)估算，智能車行駛70 m的耗能約為350 J，行駛100 m的耗能約為500 J。實(shí)際比賽中，賽道長度為30～80 m，且智能車在運(yùn)行過程中存在能量損失。超級電容組內(nèi)阻越大，能量利用率越低，同時(shí)超級電容組本身存在充電損耗、自放電和漏電等情況。因此，結(jié)合表3，本方案選用規(guī)格為50 F×4的超級電容組為智能車供電。

表3 3種超級電容組具體參數(shù)的計(jì)算結(jié)果

注：U0為超級電容組額定電壓；ESR為其等效串聯(lián)電阻。

4 電路模塊設(shè)計(jì)

4.1 超級電容組電路模塊設(shè)計(jì)

4.1.1 超級電容組均壓電路設(shè)計(jì)

串聯(lián)的超級電容單體間參數(shù)存在差異，充電過程中因各單體電能儲(chǔ)存速率不同而經(jīng)常出現(xiàn)過壓或欠壓現(xiàn)象。從安全性和工作穩(wěn)定性考慮，本方案使用均壓技術(shù)進(jìn)行超級電容組的電路設(shè)計(jì)。

超級電容組的電壓檢測芯片選用BW6101型[4]。當(dāng)超級電容組中C1、C2、C3或C4任一單體兩端電壓達(dá)到 2.65 V時(shí)，BW6101芯片會(huì)開啟電流泄放功能，電流通過并聯(lián)電阻快速泄放，對未充滿的超級電容單體繼續(xù)充電，可避免過電壓或欠電壓的不健康狀態(tài)出現(xiàn)，從而達(dá)到對超級電容組進(jìn)行均壓保護(hù)的目的。超級電容組均壓電路如圖3所示。

圖3 超級電容組均壓電路圖

4.1.2 超級電容組穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

超級電容組的放電較快，其電壓隨著放電時(shí)間延長而迅速降低。因一般穩(wěn)壓方案的穩(wěn)壓范圍較窄，所以如何最大限度地利用超級電容組內(nèi)的電能并維持7.2 V的恒定供壓，是一個(gè)亟待解決的問題。通過多次實(shí)驗(yàn)，本方案最終采用buck-boost型TPS63070芯片對超級電容組進(jìn)行穩(wěn)壓。其開關(guān)電流為3.6 A，升壓范圍為2～16 V，升壓效率高達(dá)95%，靜態(tài)電流僅為 50 μA。TPS63070芯片的電路如圖4所示。

4.2 單片機(jī)外圍電路模塊設(shè)計(jì)

在KEA128單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)(見圖5)中，微處理器復(fù)位電路連接上拉電阻R7，在按鍵斷開時(shí)將其電平拉高，以防止復(fù)位電路的電壓浮動(dòng)[5-6]。為讓微處理器能夠行使初始狀態(tài)的復(fù)位功能，在單片機(jī)外圍電路上加設(shè)一個(gè)復(fù)位電容C4。在接通電源時(shí)，直流電壓通過電阻R7對電容C4進(jìn)行充電，在復(fù)位引腳處產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間常數(shù)為0.2 s的復(fù)位脈沖，此后，CPU進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在圖5中VDD+3 V輸入電壓上加裝一去耦電容，可降低電源對地的交流阻抗，防止輸入電壓產(chǎn)生的振蕩。

圖4 TPS63070芯片的電路圖

圖5 KEA128單片機(jī)的外圍電路圖

為濾去較寬頻率范圍的交流成分，本方案將容值分別為0.1 μF和10 μF的兩個(gè)電容并聯(lián)，以降低電源對地的阻抗。同時(shí)，在晶振兩端加裝振蕩電容，以構(gòu)成振蕩回路?？蛇x晶振的頻率為4 ～ 24 MHz，本方案選用16 MHz。針對KEA128單片機(jī)的外圍電路，有經(jīng)驗(yàn)公式：

Fx=F0×[1+C1÷(C0+CL)]1/2

(5)

CL=Cg×Cd÷(Cg+Cd)+Cs

(6)

式中：Cs為雜散電容；Cg、Cd均為外部電容；CL為晶振負(fù)載電容；Fx為實(shí)際頻率；F0為標(biāo)稱頻率；C0、C1均為所選外部電容。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取C1=C2= 22 pF，反饋電阻RF=1 MΩ。單片機(jī)的穩(wěn)定工作要求供壓模塊輸出電壓的紋波小、噪聲低。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)篩選，選用低壓差線性MAX604型穩(wěn)壓器[7]，為單片機(jī)提供3.3 V的穩(wěn)定電壓。

4.3 電磁傳感器電路模塊設(shè)計(jì)

4.3.1 電磁傳感器放大電路設(shè)計(jì)

本方案選用10 mH工字電感器，檢測賽道下通有20 kHz、100 mA交流電的導(dǎo)線所產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度與方向。該路徑傳感器的感應(yīng)信號微弱，故需用INA128雙電源儀表放大器來直接放大差分信號[8]。電磁傳感器信號放大電路如圖6所示。

4.3.2 電磁傳感器檢波電路設(shè)計(jì)

儀表放大器的輸出信號近似于正弦波信號，不能直接使用，需將其轉(zhuǎn)化為直流電平。本方案選用TLE2024AC

芯片進(jìn)行檢波。電磁傳感器檢波電路如圖7所示。

圖6 電磁傳感器信號放大電路圖

圖7 電磁傳感器檢波電路圖

對儀表放大器輸出信號進(jìn)行放大、 檢波和濾波處理，即可得到穩(wěn)定的直流信號。

4.4 其他電路模塊設(shè)計(jì)

在提供足夠驅(qū)動(dòng)能力的前提下，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)簡潔、可靠且省電。對比多種驅(qū)動(dòng)形式后，本方案選用MC33886芯片來搭建驅(qū)動(dòng)電路[9]，通過MAX889芯片為放大、檢波電路提供VCC-5 V電壓[10]，使用3個(gè)TPS7350芯片分別為放大和檢波電路、舵機(jī)及外圍輔助模塊提供+5 V電壓[11]。

5 智能車的軟件算法

軟件算法應(yīng)盡可能簡潔、有效，以降低單片機(jī)的功耗。本方案采用定速開環(huán)控制方式[12-14]，避免電機(jī)頻繁調(diào)速，從而達(dá)到降低能耗的目的。預(yù)先設(shè)定的智能車低、中、高3個(gè)速度檔位，可通過撥碼開關(guān)調(diào)用，以節(jié)省場上調(diào)車時(shí)間，適應(yīng)不同難度的賽道。通過“差比和”算法，可獲得巡線電感值的偏差。依據(jù)該偏差，通過PD控制算法即可控制舵機(jī)打角。

取偏差的部分程序如下：

piancha=(My_FinalADValue[0]-My_FinalADValue[1])/(My_FinalADValue[0]+My_FinalADValue[1]);

error=piancha;

PD控制算法的部分程序如下：

DUOJPIDSC=(word)(Duo_P*error+Duo_D*(error-pre_error));

pre_error=error.

算法中的具體限定方法和限定值因車而異。通過實(shí)際測試，將車推過賽道各道路元素，即可觀察其轉(zhuǎn)向姿態(tài)并進(jìn)行限定值的調(diào)整。

智能車的軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

6 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)后期，在獲得大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對本方案進(jìn)一步優(yōu)化，使用OPA2350型(以+5 V供電)精密放大器代替原方案中TLE2024AC型運(yùn)算放大器。OPA2350精密放大器的外圍電路更少，符合設(shè)計(jì)的簡潔和有效性要求。通過模擬示波器，可采集車模偏離賽道中心時(shí)左右電感器的電壓波動(dòng)(見圖9)。

圖9 左右電感器的電壓波動(dòng)曲線

為了精簡整車結(jié)構(gòu)，采用四層印制電路板制作其整體電路，并以160 g競速輕型蚊車為基礎(chǔ)車模進(jìn)行整車改裝，使用功率更小、質(zhì)量更輕的130型電機(jī)和6 g航模舵機(jī)。整車的基本裝配完成后，質(zhì)量為260 g。對160 g競速型蚊車改裝后，整車極限速度接近5 m/s，可滿足電磁節(jié)能組競賽要求。整理大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后繪制的智能車速度與耗電量關(guān)系曲線如圖10所示。

注：粗實(shí)線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線，細(xì)實(shí)線為趨勢線圖10 智能車速度與耗電量關(guān)系曲線

7 優(yōu)化方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按比賽規(guī)則，比賽前使用官方提供的12 V、5 A電源對超級電容充電，并檢測充電電能，在指定賽道完成比賽。智能車比賽成績T(s)由其單周耗時(shí)t(s)與超級電容充電電能E(J)加權(quán)確定。其計(jì)算式如下：

T=t+E×K

(7)

式中，系數(shù)K=0.05 s/J。

經(jīng)實(shí)驗(yàn),優(yōu)化方案的車速為2.3 m/s時(shí)，智能車速度與耗電量達(dá)到最優(yōu)匹配，且與所用時(shí)間加權(quán)后T(s)最小，能夠出色完成比賽。

8 結(jié) 語

超級電容儲(chǔ)能式智能車節(jié)能設(shè)計(jì)方案經(jīng)過多次優(yōu)化，把握了各部分參數(shù)相互影響的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的，取得了出色的比賽成績。該設(shè)計(jì)方案在第十二屆“恩智浦”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽中取得了華北賽區(qū)電磁節(jié)能組一等獎(jiǎng)。