自动循迹电动小车的设计与实践

崔国璇

（巴斯大学，英国 巴斯BA2 7AY）

0 引言

智能小车已广泛应用于生产、生活的各个方面，提高了生产自动化水平，自动循迹电动小车是智能小车的一种，它可以按照预定轨道行驶，不需要人为干预，可用于自动巡视、生产监控等多种场合。

本文介绍的自动循迹电动小车是一个由电池供电的小车，能在不借助外力的条件下沿敷设载流导线的轨道行驶。该小车采用差速驱动转向法能够使其在转弯时产生的弧度更小，更有利于沿轨道运行而不至于脱离轨道，这种模式控制灵活、可靠，精度高。

1 自动循迹电动小车总体设计思路

自动循迹电动小车整个电路系统主要由检测模块、控制模块、驱动模块等部分组成，总体结构框图如图1所示。

检测模块由左右两个传感器和峰值检测器构成。传感器用于对路面信号进行检测，采集路径信息，信号经过处理之后，送到控制模块。控制模块根据路径信息和小车当前状态利用差分放大器和控制器等进行实时控制，输出信号送到驱动模块驱动电动机转动，从而控制电动小车的运动，实现自动循迹行驶。

2 检测模块电路设计

2.1 传感器

由于轨道是载流导线，传感器需要通过检测周围的电磁场来确定小车相对于道路的位置。由电磁感应原理可知，导线周围空间充满了交变的电磁场，如果在里面放置一个电感线圈，电磁感应会使线圈中产生交变电流。在导线位置和导线中电流一定的条件下，线圈中感应电动势是空间位置的函数。因此，可以用电感线圈作为传感器。

传感器用于感应导引线中的信号，本设计采用两个传感器，在小车上对称放置，利用左右两个传感线圈接收交流信号。由于电感感应出的电动势很小，采用电感和电容谐振电路放大感应电动势。导引线中的信号频率为20 kHz，根据相关公式可以得出，传感器的电感为220 μH时，滤波器电容的理论计算值为288 nF，电路中选择将220 nF的电容器和68 nF的电容器并联使用，这样利用这个电路可以较好地检出频率为20 kHz的信号，且电容上的电压会比较大。

2.2 峰值检测器

传感器检测到并输出的信号是一个正弦波信号。峰值检测器用于将交流正弦波信号转换为直流电压信号，它的输出信号为输入信号的峰值，当输入信号的峰值改变时，输出信号将随之增大或减小，这样传感器放置在不同的位置，所感应到的信号的大小可以利用峰值检测器输出电压的大小来反映。峰值检测器由二极管、电容器和反相器组成［1］。峰值检测器电路如图2所示。

图2 峰值检测器电路

3 控制模块电路设计

3.1 控制系统总体设计

自动循迹电动小车控制系统是整个设计的核心部分，它由差分放大器、控制器、反相器、加法器等器件组成。

电动小车是由两个轮子中的电动机驱动的，理想情况下，小车的车速正比于电动机的转速，直流电动机的转动状态取决于加在电枢上的电压，两端电压的极性决定电动机的转向，电压的大小影响电动机的转速［2］，小车在直线行驶时，电动机电压应能驱动两个电动机以基本速度转动，参考电压以此为依据来选择。

小车位置控制通过改变小车两个轮子中电动机电压的大小来实现。在检测模块中选用左右两个传感器，所感应到的两路交流信号转换为直流信号后，送到差分放大器。利用差分放大器比较两个输入电压，得到电压差值并经控制器放大，其输出称为差值电压。这个电压经加法器进一步处理后送到驱动模块。

当小车沿直线行驶时，如果导线位于两个传感器的中间，则差值电压为零，在参考电压作用下驱动电动机转动。小车通过检测导线中的交流信号来计算车体与导线的偏差［3］，例如右侧传感器离导线太近时，差值电压将变大，如果小车想要沿轨道行驶，则小车必须向右转以纠正自己的位置，此时左轮加入的驱动电压要比右轮大以获得较大的转速，使小车右转，从而将导线的位置始终保持在两个传感器的中间［4］。

当小车弯道行驶时，输入信号将发生变化，两个车轮的速度随之改变以校正小车的位置，使它可以沿轨道运行。此后新的位置会进一步影响输入信号，因此该系统是一个闭环控制系统，可以始终保持小车在轨道上快速行驶。小车控制系统框图如图3所示。

图3 电动小车的控制系统框图

3.2 差分放大电路

由差分放大器和控制器构成的差分放大电路如图4所示。左右两个峰值检测器的输出电压接入差分放大器，为简化差分放大器的设计，电路中选用四个100 kΩ的电阻，差分放大器在该系统中作为单位增益放大器使用，其输出电压等于两输入电压之差。当导线位于两个传感器的中间时，两个峰值检测器的输出电压相等，差分放大器的输出电压为零。当导线靠近左传感器时，差分放大器的输出电压为正值；当导线靠近右传感器时，差分放大器的输出电压为负值。由于差分放大器的输出信号较小，为了提高增益，在输出端加了一个控制器，增加控制器后的输出电压变大。

图4 差分放大电路

3.3 加法器

加法器有两个输入端，一端接入差值电压（其中一个加法器的输入信号将差值电压反相后加入），一端接入参考电压，差值电压来自前一级电路中差分放大器经控制器后的输出，参考电压由9 V蓄电池经变阻器分压后提供。由于选择差速驱动法进行方向控制，两直流电动机应分别供电，差分放大电路的输出电压无论是正值还是负值，经加法器后，电压都可以被偏置到正值，为两个直流电动机提供正向电压。两个加法器中一正一负两个差值电压分别与参考电压求和，使最终加在左右两个电动机上的电压中一个升高使车轮加速，另一个电压则降低使车轮减速，轮速差使小车向左或向右偏转，沿着轨道修正行驶路径。带反相器的加法器电路如图5所示。

4 驱动模块电路设计

在驱动模块中，用功率放大器将信号放大后驱动电动机工作。加法器的输出电流相当小，功率放大器用来提高输出电流，本设计使用了运算放大器和一个三极管。此外，增加一个100 nF电容器并联在电动机的两端用来消除电动机产生的噪声。功率放大器电路如图6所示。

图5 带反相器的加法器电路

图6 功率放大器电路

5 自动循迹电动小车的组装和测试

自动循迹电动小车的车身设计了两层，每个子电路焊接在不同的电路板上，并考虑抗干扰性，每个电路板稳定地放置在小车上，小车顶层放置有两个电位计分别用于调节差值电压和参考电压。在车身的前端设置了一个塑料斜坡，用于支撑并放置检测模块。传感线圈的位置不固定，可以随时进行调整。将小车的检测、控制、驱动模块及配件安装完毕后，小车组装完成。

为了验证电动小车测控系统的有效性，将小车放在轨道上进行测试。小车第一次测试时，它的速度相对较快，运行不稳定，有时会偏离轨道。为此，根据小车行进情况进行了改进，将传感器两个感应线圈间的间距增大，将参考电压改为较低的值，改进后小车运行较稳定。如果要提高速度，小车在转弯时两个电动机的电压差应该更大，使小车能进行急转弯，这样就要增大差分放大器的增益。通过改变安装在小车上的两个变阻器的阻值并进行大量测试后，找到了合适的平衡点，使小车能够以较快的速度和可靠的性能按照规定的路线行驶。

6 结语

本文阐述了自动循迹电动小车的设计思路和整体架构，进行了检测、控制、驱动三大模块的设计，选择出元件参数，测试了电路特性，采用差速驱动转向法控制小车，通过对系统进行完善，成功实现了电动小车直线和曲线自动循迹快速行驶，达到预期效果。

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