高 文，陳 佩

（1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710000；2.西安智容傳動(dòng)技術(shù)有限公司，西安710000）

近些年隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，無人自動(dòng)駕駛技術(shù)也變得越來越炙手可熱[1]。同時(shí)，隨著人們?nèi)粘Ｉ钪悄芑潭鹊脑鰪?qiáng)，具有智能控制系統(tǒng)的小車、機(jī)器人層出不窮?，F(xiàn)在具有巡線、避障、遠(yuǎn)程操控等功能的智能小車，能夠在人類無法工作的環(huán)境下進(jìn)行工作，如排雷、偵查、救援及生命探測(cè)等；在生活中也有較廣的應(yīng)用領(lǐng)域，比如作為餐廳的送餐服務(wù)員、家庭的掃地機(jī)器人；在科學(xué)研究領(lǐng)域可作為外星球科研探索使用[2-5]。

本文設(shè)計(jì)一種基于STM32的智能無線充電循跡小車，在傳統(tǒng)的小車上增加了無線充電的功能，能夠解決傳統(tǒng)小車充電不方便的問題，并且進(jìn)行電能的智能管理，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車充電，充電后的自動(dòng)運(yùn)行，具有快捷、方便及高效運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場前景。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)智能移動(dòng)小車的功能需求分析[6]，搭建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中包括控制器模塊（STM32F103C8T6）、循跡電路模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊（OLED）、無線充電發(fā)射模塊、無線充電接收模塊、超級(jí)電容以及電機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，有利于后續(xù)的開發(fā)升級(jí)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system structure

整個(gè)系統(tǒng)工作原理：①初始狀態(tài)小車處于充電站位置，當(dāng)開關(guān)打開，如果系統(tǒng)電壓過低或徹底無電，小車將停止運(yùn)行，停留在充電站自行進(jìn)行充電；②經(jīng)過充電，當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到工作電壓，則控制器STM32F103C8T6 開始工作，檢測(cè)系統(tǒng)電壓，并啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)充電時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)電壓和充電時(shí)間都滿足預(yù)設(shè)條件后，小車開始運(yùn)行；③運(yùn)行過程中循跡電路將檢測(cè)的結(jié)果反饋給控制器，控制器根據(jù)反饋結(jié)果決定小車的運(yùn)行狀態(tài)，輸出2組PWM 脈寬調(diào)制波分別控制小車的轉(zhuǎn)向和直流電機(jī)的速度來實(shí)現(xiàn)小車的按軌跡運(yùn)行。在行進(jìn)過程中，控制器一直監(jiān)控系統(tǒng)電壓（超級(jí)電容電壓）并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；④在運(yùn)行過程中，控制器進(jìn)行整個(gè)電量的智能管理，當(dāng)電壓值低于設(shè)定的預(yù)警值時(shí)，小車?yán)^續(xù)運(yùn)行至檢測(cè)到的第一個(gè)充電站，自動(dòng)停止進(jìn)行充電，然后根據(jù)充電的情況再?zèng)Q定下一步的運(yùn)行。在整個(gè)過程中，不僅要實(shí)現(xiàn)循跡的運(yùn)行，包含速度、方向及轉(zhuǎn)彎燈處理，還要通過電源檢測(cè)達(dá)到小車的智能化管理。

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6 作為系統(tǒng)的主控芯片，STM32F103 相較于其他類型主控芯片如STC51、MPS430 等具有外設(shè)資源豐富、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)的穩(wěn)定工作是整個(gè)小車正常運(yùn)行的基本保證。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分配合核心控制芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)各電機(jī)啟動(dòng)、停止、運(yùn)行速率以及運(yùn)行方向的控制。設(shè)計(jì)選用TOSHIBA 半導(dǎo)體公司研發(fā)生產(chǎn)的TB6612FNG芯片作為電機(jī)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片能夠雙通道輸出，功耗也較其他相同規(guī)格的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片更小，在小型電機(jī)的控制系統(tǒng)電路中廣泛使用[7]。

TB6612FNG是基于MOSFET的H 橋集成電路，與晶體管H 橋驅(qū)動(dòng)器相比，效率大大提高。TB6612FNG可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，并可提供啟動(dòng)峰值電流高達(dá)2 A的連續(xù)脈沖，同時(shí)無需外加散熱片，外圍電路簡單。TB6612FNG的PWM 信號(hào)輸出頻率可至100 kHz，電機(jī)的調(diào)速范圍較大。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Motor drive circuit

2.2 循跡電路

循跡電路是小車的“眼睛”，可保證小車按照預(yù)定軌跡行進(jìn)。設(shè)計(jì)通過4組紅外傳感器的檢測(cè)結(jié)果作為控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的判斷條件，通過算法處理達(dá)到穩(wěn)定循跡運(yùn)行的功能。具體使用TCRT5000 紅外傳感器加LM393 比較器構(gòu)成，當(dāng)電路檢測(cè)到黑色軌跡部分則輸出高電平，反之輸出低電平。具體電路如圖3所示。

圖3 循跡電路Fig.3 Tracking circuit

2.3 電源電路

本系統(tǒng)采用超級(jí)電容作為小車的主要儲(chǔ)能部件，經(jīng)處理后為控制系統(tǒng)以及電機(jī)提供所需電源。小車系統(tǒng)需要穩(wěn)定的3.3 V 供電，考慮到電容放電時(shí)的電壓是隨時(shí)間變化的，對(duì)電容電壓進(jìn)行變換，使用TPS63020 芯片構(gòu)成的Buck-Boost 升降壓電路，保證將1.8 V～5.5 V的電容電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V。具體電路如圖4所示。

圖4 Buck-Boost 升降壓電路Fig.4 Buck-Boost circuit

2.4 無線充電電路

無線充電運(yùn)用電磁感應(yīng)原理為小車的超級(jí)電容進(jìn)行充電[8]，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無線充電電路Fig.5 Wireless charging circuit

具體原理：首先發(fā)射端接入直流電源，通過全橋電路生成方波交流電壓，控制開關(guān)管的頻率改變方波的周期[9-10]，當(dāng)電壓加載到LC 諧振電路上會(huì)生成交流電，經(jīng)過線圈的作用會(huì)產(chǎn)生高頻變化的磁場。其次將二次側(cè)線圈放入，會(huì)在二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓經(jīng)過整流、穩(wěn)壓、變壓后給超級(jí)電容充電。發(fā)射端的電路如圖6所示。接收端電路如圖7所示。

圖6 發(fā)射端電路Fig.6 Transmitter circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 算法設(shè)計(jì)

控制算法是智能小車的靈魂，決定了智能小車的穩(wěn)定性和快速性[11]。本系統(tǒng)從控制角度分析，小車有5 路輸入（紅外循跡返回值）2個(gè)輸出（電機(jī)的PWM），而5 路紅外循跡返回值組合決定了小車的位置值，小車系統(tǒng)控制即轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)輸入量2個(gè)輸出量。為保證小車循跡運(yùn)行過程中的平穩(wěn)，采用閉環(huán)的PID控制算法，PID算法具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定可靠及結(jié)構(gòu)改變靈活等優(yōu)點(diǎn)，具體在本系統(tǒng)的控制模型如圖8所示。

圖7 接收端電路Fig.7 Receiver circuit

圖8 PID控制系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of PID control system

PID控制算法是以比例、微分、積分來進(jìn)行控制的?？煞譃槲恢檬胶驮隽渴?種。位置式PID的輸出與過去的所有狀態(tài)有關(guān)，對(duì)每一次的誤差進(jìn)行累加，計(jì)算量較大，當(dāng)控制器出現(xiàn)問題時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響太大。和位置式PID控制不同，增量式PID控制將當(dāng)前時(shí)刻的控制量和上一時(shí)刻的控制量做差，以差值為新的控制量，是一種遞推式的算法，針對(duì)智能小車系統(tǒng)采用增量式PID控制更加適合，增量式PID控制算法的理論基礎(chǔ)為

將其離散化后：

前后項(xiàng)相減：

式中：KP為比例控制參數(shù)；Ki為積分控制參數(shù)；KD為微分控制參數(shù)。

在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)用中，將紅外傳感器返回值作為誤差項(xiàng)，經(jīng)PID 程序運(yùn)算后，改變電機(jī)PWM的占空比參數(shù)，調(diào)整小車的轉(zhuǎn)向。具體如表1所示。

表1 返回值及誤差Tab.1 Return value and error

從表1可以看出當(dāng)返回值為00100時(shí)，誤差值為0，認(rèn)為小車處于循跡線的正中央運(yùn)行，當(dāng)偏左或偏右時(shí)返回變?yōu)?1000 或00010，根據(jù)此返回值判定對(duì)應(yīng)的誤差值進(jìn)行控制。需注意當(dāng)返回值為00000時(shí)，意味著上一次返回值可能是10000，也可能是00001；如果返回值是10000，則小車運(yùn)行第一個(gè)傳感器和第二個(gè)傳感器之間或者是在第一個(gè)傳感器右邊；如果是00001 則小車在最后一個(gè)傳感器的左邊。

根據(jù)式（3）可以寫出PID算法代碼：

3.2 主程序設(shè)計(jì)

智能小車上電后，各傳感器和功能電路采集相關(guān)信息送至STM32 單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采集的相應(yīng)信息調(diào)用相關(guān)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后控制相應(yīng)的模塊進(jìn)行執(zhí)行。智能小車系統(tǒng)的主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程Fig.9 Main program flow chart

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 無線充電時(shí)間測(cè)試

將超級(jí)電容的殘余電量放至0 V，在充電電壓/電流（5 V/1 A）的情況下，選用不同限流電阻進(jìn)行充電測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 充電時(shí)長測(cè)試Tab.2 Charging duration test

4.2 電源監(jiān)控及OLED 測(cè)試

在整個(gè)智能無線充電循跡小車的運(yùn)行過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控小車的總電量（超級(jí)電容電壓）。同時(shí)將超級(jí)電容電壓顯示在OLED 屏上利于小車和使用人員的信息交互。實(shí)際是通過電源檢測(cè)監(jiān)控電路檢測(cè)超級(jí)電容兩端的電壓值，經(jīng)處理后進(jìn)入STM32的ADC端口，通過內(nèi)部的換算和程序處理最終顯示在OLED 屏上。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖10所示。OLED顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的電壓值，萬用表的數(shù)值為直接在超級(jí)電容兩端測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)。

圖10 顯示電壓值與實(shí)測(cè)值Fig.10 Display voltage value and measured value

實(shí)測(cè)結(jié)果表明ADC 讀取與OLED 顯示的電壓與實(shí)測(cè)誤差在0.01 V，符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 PID 參數(shù)整定

整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法基本可分為理論計(jì)算整定法和工程整定法。工程整定法無需知道系統(tǒng)過程的數(shù)學(xué)模型，直接進(jìn)行現(xiàn)場整定，方法簡單、計(jì)算簡便、易于操作[12]。本文采用工程整定法的湊試法確定PID的比例、積分及微分參數(shù)。首先確定KP值，將Ki、KD的參數(shù)設(shè)置為0。將KP從0 逐漸增大，直到小車出現(xiàn)振蕩，再反向從振蕩開始減小到小車停止振蕩，運(yùn)行平穩(wěn)。確定KP后則依照上述原理確定Ki、KD。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試當(dāng)KP＝10；Ki=0.5；KD=0.1，采用循跡難度較大的圓形跑道，小車能夠平穩(wěn)的循跡運(yùn)行，實(shí)際循跡運(yùn)行照片如圖11所示。

5 結(jié)語

圖11 小車循跡運(yùn)行照片F(xiàn)ig.11 Photo of the car tracking

本文介紹了一種基于STM32的智能無線充電循跡小車，系統(tǒng)采用無線充電技術(shù)，運(yùn)行中通過實(shí)時(shí)電量的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)智能管理，可自動(dòng)停車充電。在行進(jìn)過程中根據(jù)循跡傳感器的返回?cái)?shù)值經(jīng)增量式PID算法后控制小車左右驅(qū)動(dòng)輪的PWM 信號(hào)輸出。經(jīng)多次測(cè)試，小車能夠較平穩(wěn)地循跡高速行駛，具有較高的應(yīng)用前景和研究價(jià)值。