基于磁场导航智能车控制器的设计讲解

基于磁场导航智能车控制器的设计学校:专业：电气工程及其自动化带队教师:参赛队员:第一章前言 (3)第二章方案论证 (4)第三章整体设计思路 (5)1）、磁场检测原理2)、系统整体结构3)、定磁场放大电路4）、交变磁场放大电路第四章单元电路 (10)1)、单片机最小统2)、速度传感器模块3)、磁场检测模块4)、电机驱动模块5)、舵机驱动模块6)、LCD显示模块第五章软件设计 (18)第七章结论 (21)附页在智能导航系统中，如无人驾驶飞机、无人驾驶汽车，目前较为常用的导航方式为GPS导航。

而地球磁场的大小和方向是任何人改变不了的，因此如何利用磁场导航具有很高的研究价值。

磁导航智能车根据多给交变的磁场信息或是根据无法人为改变的地球磁场来判断方向及大小，自行达到预期的目标并完成导航任务。

当今机器人技术发展如火如荼，其应用已涉及包括国防等众多领域，工业自动化，神五、神六升天，无人探月飞船……无不得益于机器人技术的飞速发展。

智能小车应该说是最基本的机器人雏形，智能小车控制系统的研制将有助于推动智能机器人等智能控制系统的发展。

实时采集传感器信号，智能分析外部环境、路径信息，自动实现方向控制及速度调节，是智能小车控制的主要特点，其设计内容涵盖机械、汽车、电子、自动控制、计算机、传感器技术等多个学科的知识领域。

作为一门新兴的综合技术，可广泛应用于工厂自动料车、固定场地搬运车等技术领域，具有良好的应用前景。

本文设计一智能车,能够检测有磁引导的轨迹识别,及自行检测当前地磁场.在有磁导航线路时,可跟踪线路磁场,自动寻找轨迹,并迅速或按照规定速度前进.在水平面内确定方位角,当接受到位置坐标和速度等命令后,智能车可再不受人干预的情况下,自行到达目标位置.实现对特定磁导航的智能循迹和地磁场的方位角的测定,以实现水平面内的定位,用以实现导航.第二章方案论证该项目的研究内容为首先对磁场导航相关的理论进行分析，根据所分析的理论设计导航模型。

利用单片机对磁场强度和方向进行测量。

在磁场测量方面主要分为恒定磁场和变化的磁场，对于恒定磁场的测量，可以采用霍尔元件进行测量；对于变化的磁场可以利用电磁感应原理进行测量。

不管是恒定的还是变化的磁场，其产生的电信号都是很微弱的，因此要采取相应的措施进行放大，如利用放大电路进行放大。

放大之后的信号经过单片机采集分析，最终确定磁场的大小，然后可以通过磁场的大小来判断磁场的方向，进而进行导航。

（1）控制器选择（A）At89s52是以款普及性很强的控制器，控制简单，入手容易，易于操作，但此单片机结构较为简单，功能较少，速度相对也慢，很难完成本项任务（B）Stc单片机继承了51的诸多优点，同样含有多种功能模块运算速度较快，能顺利完成CPU的数据处理。

（C）飞思卡尔mc9s12xs128单片机是是基于速度更快的CPU12内核的单片机系列，自身具有多个功能模块，其运行速度快，功能模块性能强，对完成本课题设计可以说可以完全胜任，只是价格较高，需要购买专门下载器和编程软件，在此性价比不高。

综上所述，我们选择方案C（2）交变磁场信号放大电路（A）集成电路组成的交流放大器（B）分立式元器件组成放大电路综上所述，我们选择方案B（3）定磁场检测第一级放大电路（A）采用差动放大电路，运用三个分立运放LM324组成的差动放大电路组成高输入阻抗完成微弱电信号的（B）单片集成芯片AD620，电路结构简单：一个AD620，一个增益设置电阻Rg，外加工作电源就可以使电路工作，设计周期短，电路可靠性强。

综上所述，我们选择方案B第三章整体设计思路1）、磁场检测原理3.1.1：交变磁场检测原理本设计我们设计电磁车要检测的赛道环境是由通有 20kHz、100mA 左右交变电流的导线所产生的电磁场。

电磁场检测是课题要解决的第一个关键技术，需要首先对电磁场的特性进行分析，然后根据分析的结果选择合适的检测原理，而后再选择相应的电磁传感器。

通有 20kHz、100mA 左右交变电流的导线，其周围的电磁场如下图：导线周围磁场强度与距离的关系由上图，很容易看到导线周围磁场的强度分布图。

上图磁场强度分布图为垂直方向上距导线5cm高度的强度分布，圆上的磁场强度大小相同，并随着距离导线的半径r 增加成反比下降。

此时也是两者之间较线性的高度值。

因此，我们的传感器就安装在距导线垂直高度5-10cm处。

导线周围的磁场强度一般为10-11Gs左右，我们选用工字线圈来做磁场强度检测元件，其检测的范围可以达到10-11Gs的数量级，同时它还具有原理简单、价格便宜、体积相对较小、频率响应快等优点。

实际选用电感值为10mH、磁芯为镍锌材料的工字线圈作为电磁传感器，其Q值较高，具有开放的磁芯，输出信号幅值大。

3.1.2：地磁场检测原理地磁场的检测，我们在这认为其强度的恒定的，即方向和大小都不变。

：上图左侧长条就是一个磁阻传感器的测量原理，右图为整体的测量原理。

2）、系统整体结构定系统组成框图中，我们能够看到系统的硬件单元主要有CPU 、磁检测电路、人机界面、舵机控制、电机驱动、测速单元等组成。

本设计主要涉及磁传感器模块的设计及制作，其他模块较常见，只做简单理论描述，详细模块在下文都将涉及到。

铝合金带玻莫合金薄膜外加磁场电流θＩＭ外加磁场–+Vout偏置磁场R +△RR +△RR-△RR -△RVb3）、磁场放大电路3.3.1一级放大电路定磁场一级放大本级放大电路将AD620微弱的差动信号进行放大，使幅值在+2V―-2V 之间，在1脚和8脚之间的电阻决定了精密放大器的放大倍数，放大大小为49.4/R+1，当前电路的放大倍数为100倍3.3.2二级放大电路二级电位拉升电路本电路的主要功能为上级电信号的的电位提升，使检测信号又正负信号变成正电源信号，利于下一级模数转换。

4）、交变磁场放大电路此上电路为交变信号放大电路以及后面的整流滤波电路，它决定了所需放大信号的大小，左侧的电感电容并联决定了放大信号的通过频率，即带通滤波电路根据电感值，电容值的大小即可决定当前所要检测磁场的频率大小，对有用磁场进行选择。

电感线圈外形第四章单元电路1）、单片机最小系统2）、速度传感器模块MC9S12XS128最小系统原理图单片机最小系统板2）、速度传感器我们用的是3000线编码器，驱动电路电路由比较强完成放大、整形，然后将处理后的脉冲直接送人单片机模数转换口。

3）、磁场检测模块4.3.1首先是定磁场检测：所选器件为Kmz52如下图:图１是KMZ52的内部结构框图和引脚排列。

图中,Z1和Z4为翻转线圈,Ｚ２和Ｚ３为补偿线圈。

由于环境温度可能会影响系统精度,因此,在高精度系统中,可以通过补偿线圈对其进行补偿。

KMZ52内部有两个正交的磁场传感器分别对应二维平面的Ｘ轴和Ｙ轴。

磁场传感器的原理是利用磁阻（ＭＲ）组成磁式结构,这样可改变电磁物质在外部磁场中的电阻系数。

以便在磁场传感器的翻转线圈Z1和Z4上加载翻转电信号后使之能够产生变化的磁场。

由于该变化磁场会造成磁阻变化（ΔR）并将其转化成变化的差动电压输出,这样,就能根据磁场大小正比于输出差动电压的原理,分别读取对应的两轴信号,然后再进行处理计算即可得到偏转角度。

复位/置位电路使用置位/复位电流带需要施加置位/复位脉冲，简称S/R脉冲。

需要注意的是，S脉冲与R脉冲对传感器的影响相同，唯一不同的是传感器输出信号的改变。

这是因为磁阻传感器有两种工作方式。

其中，工作方式1输出电压与磁场强度成正比，而工作方式2输出电压与磁场强度成反比。

对于置位/复位电流带输入正向的脉冲电流磁阻传感器为工作方式1；反之则是工作方式2。

产生S/R脉冲电路称为置位/复位脉冲电路，是采用磁阻传感器作为磁场传感器所特有的。

A）第一级放大电路:差动放大电路ad620ad620的接线图中表明了各个引脚的功能，及引脚排布B）第二级放大电路:在第二章中已经介绍了第二级放大电路的原理图以及功能。

在这里说明一下程序对采到的AD信号做的处理：由于转换后的信号理论上是0到5V之间，传感器输出的是正负电压，所以还要先还原到正负信号，然后根据下图中的方法确定偏转角度。

由于干扰磁场的影响，传感器输出具有固定偏差，设地磁场磁感应强度为G，传感器输出为Vn，则传感器工作在方式1时，V1=G+A；工作在方式2时，V2=-G+A。

由此可得：G=(V1-V2)／2；C）角度处理:在上图中可分析出其判断水平面内360°角的大小。

值得一提的是，接收到的检测信号是0—5V之间的电压值，在程序中我们都要对每次接收到数据做减2.5V的预处理，完成于上图的配合。

4.3.2交变磁场检测1）交变磁场的检测电路较容易，在此主要注意几个问题：A）本电路所选三极管为C1815，其放大倍数为80-700，带宽为80MH，完全可以担任放大任务。

三极管的性能直接决定了放大后的效果，放大倍数太小直接影响输出电压的复制；B）在设置基极偏置电压时，对基极电阻的调节和选三极管有恨大关系，调节此电阻使集电极静态工作点在电源电压一半稍高即可，防止波形严重失真，导致无有效电压值；C）在最后整形滤波出，采用二极管1819，其压降仅为0.2V可尽量减小电压的损失；D）电阻于电容的选择关系到采集电路信息的时效性，准确性。

2）电感线圈的排布分析：通电导线周围磁场的分布如图3.1.1导线周围磁场强度与距离的关系，根据通电导线周围的磁场分布可知，当线圈偏离导线较远时，感应电压值很小，传感器感应的电势太小，不利于信号的处理。

所以距车头同一距离处设置两对电感线圈。

为加大前沿性，我们在最前设置一对传感器，这样共两排传感器，能够较好地完成寻迹。

4）、电机驱动模块用场效应管搭建H桥来驱动电机。

场效应管具有内阻极小、开关速度快等诸多优点。

并且方便加散热片。

场效应管是电压驱动器件，只要栅极电压稍高一点就能使管子导通，单片机直接输出的电压不太够，所以还要增加栅极驱动电路，可以用cmos与非门CD4011，场效应管P管用IRF4905，N管用IRF3205，受到P管电流限制，最大电流为74A。

实际电路我们想用两管子并联，提高本驱动的驱动电流，最终为提高使用时间和寿命，我们四片并联实现电机驱动。

5）、舵机驱动模块所选舵机外形：舵机工作原理：原理介绍：舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。

也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。

舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。