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1、2 0 1 4年 第 2 3卷 第 3期 h t t p ： ww w c S - a o r g c n 计 算 机 系 统 应 朋 一种基于电磁传感器的智能车循线算法 林 生生，孟泽 民 ( 浙江工业大学 信息工程学院，杭州 3 1 0 0 2 3 ) 摘 要：以飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛为背景， 研究了电磁式智能车如何从有限的道路信息中提取车身 与实际跑道中心的偏差 传统的计算方法是根据左右两个 电感的电压值进行差值计算或者是归一化计算以此得 到一个数值表示车体中心偏离跑道中心的程度但是这些算法计算出来偏差都存在不够线性的弊端，对于需要 依靠偏差来进行车体舵机转角和电机加减速的智能车
2、控制系统来讲这是一个很大的问题本文提出一种新的计 算 方法， 从理论上通过 Ma p l e 仿真证 明了能够解决 归一化算法和差值算法 的弊端通过实验证实算法 的可行性 关键词：电磁式智能车； 循线算法； Ma p l e 仿真；归一化算法：电磁传感器 Fo l l o w l i ne Al g o r i t hm f o r Sma r t Ca r Ba s e d o n El e c t r o ma g ne t i c Se ns or s LI N S h e n g Sh e n g ， M ENG Ze - M i n ( I n f o r ma t i o n E
3、n g i n e e r i n g C o l l e g e ， Z h i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e F r e e s c a l e Cu p Na t i o na l Un d e r g r a d ua t e Sma r t Ca r Co mpe t i t i o n f o r t he b a c k g r o u n d ，h o w e l e c t r o
4、 ma g n e t i c s ma rt c a r r o a d i n f o r ma t i o n f r o m t h e l i mi t e d bo d y t o e x t r a c t t h e d e v i a t i o n fro m t h e a c t u a l c e n t e r o f t h e r u n wa y Tr a d i t i o n a l me t ho d i s b a s e d a r o u n d t wo i n d uc t i ve v o l t a g e v a l u e o r t
5、h e di f f e r e n c e c a l c u l a t i n g a n o r ma l i z e d v a l u e c a l c u l a t e d i n o r d e r t o o bt a i n a de v i a t i o n f r o m t h e t r a c k c e n t e r o f s a i d b o d y c e n t e r l e v e 1 Ho we v e r , t h e s e a l g o r i t h ms a r e p r e s e n t e no u g h d e
6、vi a t i o n c a l c ul a t e d f r o m l i n e a r d e f e c t s ， t h e n e e d t o r e l y o n s t e e r i n g a n g l e d e vi a t i o n for t h e b o d y a n d t he mo t o r a c c e l e r a t i on a n d d e c e l e r a t i o n o f t h e i n t e l l i g e n t ve h i c l e c o n t r o l s y s t e
7、 m i s c o n c e r n e d t h i s i s a b i g p r o b l e mTh i s p a p e r p r e s e n t s a n e w me t h o d o f c a l c u l a t i n g t h e o r e t i c a l l y p r o v e d t h r o u g h s i mu l a t i o n M a p l e n o r ma l i z a t i o n a l g o r i t h m t o s o l v e t h e d i ffe r e nc e a l
8、 g o r i t h m a n d d r a wb a c k s By a p p l y i n g t hi s a l g o r i t hm t o t h e a c t ua l c o mp e t i t i o n， whi c h va l i d a t e t h e a l g or i t h m Ke y wo r ds ： e l e c t r o ma g n e t i c s ma rt c a r ； f o l l o w l i n e a l g o r i t h m； M a pl e s i mu l a t i o n ； n
9、 o rm a l i z a t i o n a l g o r i t h m ； e l e c t r o ma g n e t i c s e n s o r 本文是以飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛为 背景电磁式智能车的比赛在 4 5 c m 宽的赛道中心铺 设有直径 0 1 - 0 3 mm的导线，导线通有 2 0 k H z 。 1 0 0 mA 的交变电流电磁式智能车通过计算前方导线偏离车 体 中心 的距离来 做 出相应 的方 向速度 控制策 略 但 是 由于电磁传感器的局限性，电磁式智能车不能做到还 原赛道全貌从而得到完整的赛道信息在高速情况下 如果系统计算出来的偏差与实际
10、偏差出入很大那么赛 车就很可能采取错误的控制策略而冲 出赛道 所以我 们需要一种有效地计算方法能够在有限的已知条件里 收稿时间：2 0 1 3 0 7 2 5 ； 收到修改稿时间： 2 0 1 3 0 8 1 9 提取道路信息 孙书 咏 6 】 提 出的一种 基于三 电感 的检 测方法 该 方法能够做到正确循线，但该方法需要添加额外的硬 件开销来识别归一化衰减的部分而且该方法存在检测 范围狭窄，信号在零点附近容易产生抖动等缺点刘 源l 7 】 等提出的一种基于六个电感的检测方法同样也存 在检测范围窄，硬件开销大，软件设计过于冗余的缺 点本文提出一种新的循线算法，该算法基于车体前 方两个横 向安
11、放的电感，在硬件结构上做到最简化， 减轻了系统维护负担 通过对传统的归一化算法的改 S o f t w a r e T e c h n i q u e A l g o r i t h m 软件技术 算法 1 1 9 计 算 机 系 统 应 用 h t t p ： w ww c s - a o r g c n 2 0 1 4 年 第 2 3卷 第 3期 进避免 了 以往程 序设计上对特 殊情况 的过多考虑 ， 使 得整个软件系统做 到最 大限度精 简 1 检测原理概述 电磁智能车通过检测跑道中心的交流信号来计算 车 体和跑道 中 tl , 的偏差 如 图 1所 示，我们把两个水 平电感固定在支架
12、上伸 出车体前方探测导线的走向 = 水平电感2 图 1 车体与传感器布局 示意图 忽略传感器 自身产生的磁通量的影响，传感器中 的磁通为： ：Tu sc o sU _ COSCOt 4 2 n r 据此我们根据法拉第电磁感应定理可以得 出感应 磁场变化的电感将产生电动势 E E ：一 ：TNu s c o c o s 0I s i n d t 4 2 n r 上式推 导出的感应 电动势是理想 电动势的一个方 向的分量在本文中假设垂直导线且平行地面的为 x 轴分量，即我们所需的 电动势分量 B x 如下 图 2所示 、 、 1 I导线横截面 图 2 电动势分量示意 图 为了简化式子我们 令： K
13、 ：N1u：sc o_ s i n 4 2 r c 则电动势 E的表达式可以写为： 1 2 0软件技术 算法 S o f t w a r e T e c h n i q u e A l g o r i t h m = 南 根据 以上推 导我 们可 知传 感器 的输 出和 h X 成正 比 2 算法原理 2 1归一化算法和差值算法 由此我们设水平 电感 1的感应 电动势 E1 = h h + x ， 水平 电感 2的感应 电动势 E 2 = h ( h + ( 1 x ) ) ， 利用数学工 具 Ma p l e画出两个 电感 电势 的差值 如下 图 3中 的绿 色部分所 示从 图中我 么可 以
14、直观地 看 出差值 算法存 在很严重 的非线性 问题，当车 的中心偏离道路 中心 时， 差值的趋势是先增大后急剧减小 所 以差值算法不能 反映车身相对道路中心真实的情况因此，有人引入 了归 一化的方法在两 个 电感 电动 势差值 的基 础上再 除 以两个 电感 的和值，即 Y = ( E 1 E 2 ) ( E I + E 2 ) 其 中和 值 的趋势如下 图 3中黑色部分所示对于归一化 的结 果我们 同样进行仿真 一和值 差值 一 归一化 戚 )0 50 0 20- 一 40- 一60一 图 3 两个电感电动势的差值和和值 图 3的红色部分就是我们对归一化算法仿真的结 果从图 中我们 可 以
15、看 出归一化后计 算 出来 的偏 差在 一定程度 上缓和 了衰 减但是归 一化后 的偏 差仍然存 在非线性不单调的缺点，对于非单调的部分必须在后 续的程序里进行单独 的特殊处理，这样做会给系统的 软件 设计带 来负担 所 以，我们 亟需 - e e 输 出结 果单 2 0 1 4年 第 2 3卷 第 3期 h t t p ： ww w c S a o r g c n 计 算 机 系 统 应 用 调 的计算方法 2 2 归一化算法改进 事实上我们通过观察图 3中差值与和值 曲线的变 化趋势不难发现他们都随着与导线的距离变大而衰减， 只 是衰减 的快 慢不一样 而 己归一化 的计算方法 实 际 上 是利用和值 的衰减来 补偿差值 衰减 的一种 做法如 果我们能找到另一种更有效的方法来补偿差值的衰减， 那么我们就有可能得到一个理想的计算结果 按照 这个 思路 我们先 对 归一化 的式子进 行 求导 为 了直观 的查看结 果便 于分析 ， 我们 对求导 结果进行 绘图，如图 4 所示图 中的黑色部分就 是归
