10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.010
基于KEA128的电磁直立智能车控制系统设计
叶身村，周庆，于振浩
（山东理工大学，山东 淄博 255049）
摘 要：设计了一种以S9KEAZ128AMLK微控制器为核心控制单元，集环境感知、规划决策、智能行驶于一体的直立智能车系统。在硬件系统设计方面，设计并实现了电源稳压电路、电机H桥驱动电路和电磁检测电路来保障智能车的稳定行驶。在软件系统设计方面，使用卡尔曼滤波对陀螺仪和加速度计的数据进行融合得到精确的姿态倾角来进行智能车的平衡控制和速度控制，同时电磁检测电路采集道路信息实现导航。 关键词：S9KEAZ128AMLK；直立智能车；电磁检测电路；卡尔曼滤波 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2018)21-27-02
Design of Electromagnetic Vertical Intelligent Vehicle Control System
Based on KEA128
Ye Shencun , Zhou Qing, Yu Zhenhao
( Shandong University of Technology, Shandong Zibo 255049 )
Abstract: An upright smart car system with S9KEAZ128AMLK microcontroller as the core control unit and integrating environment awareness, planning decision and intelligent driving is designed. In the hardware system design, the power supply voltage regulator circuit, the motor H-bridge drive circuit and the electromagnetic detection circuit are designed and implemented to ensure the stable driving of the smart car. In the aspect of software system design, the Kalman filter is used to fuse the data of the gyroscope and the accelerometer to obtain the precise attitude tilt angle for the balance control and speed control of the smart car, and the electromagnetic detection circuit collects the road information to realize navigation. Keywords: S9KEAZ128AMLK; Upright smart car; Electromagnetic detection circuit; Kalman filter CLC NO.: TP242 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2018)21-27-02
制器S9KEAZ128AMLK作为核心控制芯片，通过电磁检测电路采集道路信息；通过电机PWM控制实现两轮差速以进行转向；借助于512线mini编码器测速，通过PID控制算法对电机实行闭环控制，各个模块经单片机的规划和决策后，使智能车以平稳的速度行驶。
引言
随着科学技术的迅速发展，智能化和自动化技术越来越普及，智能化作为现代社会的新产物，是未来的发展方向，而智能车作为一门新兴的综合技术，在汽车电子领域有着广阔的前景，它是一种交叉和融合了多门学科的高新技术综合体，知识涉及面广。其设计具体涉及到了计算机，控制，机械及车辆工程等多个领域。
本文所述的智能车系统是采用恩智浦公司的32位微控
作者简介：叶身村，就读于山东理工大学。
1 智能车硬件系统设计
系统硬件架构图如图1所示，整车的硬件电路主要由以下几部分构成：电源管理、控制模块、电机驱动模块、速度检测模块和电磁检测模块等。使用小车7.2V、2000mAh的电池供电，通过降压电路后得到3.3V和5V电压，其中5V电压
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汽车实用技术
给加速度计和陀螺仪一体模块、编码器、蓝牙和电磁检测模块供电，3.3V电压给单片机和OLED显示屏供电[1]
。
图1 系统硬件架构图
加速度计和陀螺仪我们选择使用数字信号输出的型号以提高其抗干扰能力，另外加速度计和陀螺仪应尽可能地刚性连接以保证其测量的准确性。速度检测模块我们使用512线mini编码器，因为KEA不具有正交解码功能，所以我们通过I/O口读取方向输出端的电平获取方向；电机驱动模块我们使用IR2104S芯片和MOSFET组成的全桥驱动电路，通过利用MOSFET的通断来控制两个电机的转动方向。干簧管用于停车，当车模到达终点时，管内的两个簧片被终点处的磁铁磁化而互相吸引接触，使两个引脚所接电路相通，干簧管一端接地，一端接I/O口。另外蓝牙用于显示加速度计和陀螺仪的数据波形以及电感波形，OLED显示屏用于显示电感值和一些变量。
2 智能车软件系统设计
软件运行首先需要配置单片机各个模块寄存器数值，使单片机各个模块正常工作，初始化中包括：单片机时钟配置、I/O口配置、PWM模块配置、A/D模块配置、PIT定时中断配置和脉冲捕捉模块配置等[2]
。软件系统设计在时序上应用PIT定时中断触发机制实现实时控制，在每个控制周期里完成对各传感器的数据采集获取各个状态量数值，然后根据处理后的数据进行运动控制。直立智能车的控制主要分为三个部分：直立控制、速度控制和方向控制。具体的车模控制框图如图2所示。 2.1 直立控制
直立控制是直立智能车正常行驶过程中最为重要的控制。由于会受到各种扰动、空气阻力和摩擦力等因素的影响，智能车的平衡状态很容易被打破，所以直立控制的目标是实现并保持直立智能车的动态受力平衡状态。采用噪声低体积小的MMA8451+MPU3050一体模块获取加速度和角速度，
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经卡尔曼滤波后，应用PD控制器即可实现对智能车的直立控制[3]。
图2 车模控制总框图
2.2 速度控制
假设车模在直立控制作用下稳定站立时所检测到的最终姿态倾角为Angle，而实时检测到的姿态倾角为Car_Angle,这就会导致车模在行驶过程中存在一个角度偏差，为消除这偏差车模就会向倾斜的一侧加速运动，所以控制车模速度实际上就是控制车模倾角[4]。 2.3 方向控制
为了使智能车能够在指定的道路上行驶，本系统选择20kHz的交变电磁场作为路径导航信号，使用电感作为检测导线的传感器，但是由于其感应信号较微弱，而且混有杂波，所以一般需经滤波、放大和检波后才能作为真正的道路信息。对于一般的道路，我们采用2个水平放置的电感按一字排布，且关于车模中轴线对称，当车模偏离直导线时，两个电感中线圈的磁通量是不一样的。根据这两个不对称的电感信号的差值，应用PID控制器，引导其沿直线行驶。
3 结束语
经过实践验证，依据本文所述控制系统设计出的直立智能车经参数整定后，能够在赛道上快速运行，并且稳定性好。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:
北航出版社,2007.
[2] 王日明,廖锦松,申柏华.轻松玩转ARMCortex-M4微控制器——
基于KinetisK60[M].北京:北京航空大学出版社,2014.
[3] 沙志豪,刘璐璐,张洪等.两轮直立车控制系统设计[J].电子技术与
软件工程,2016,(06):149.
[4] 王玲玲,施建洪.直立车平衡控制的研究[J].机械与电子,2016,34
(10):72-75.
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