十天学会智能车第五讲检测技术

1、第五讲：智能车检测技术一、概述在这一讲中，为大家智能车的眼睛 赛道传感器。赛道传感器的与处理是整个智能车制作调试中的一环，赛道上的奔跑可就靠它指路了，赛道传感器调试不话再厉害的算法也起不到作用。在第一讲中简单过智能车的传感器，用于检测赛道的传感器主要有线阵摄像头、面阵摄像头、电磁传感器等。线阵摄像头的图像传感器采用的是 CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合组件），是应用在摄像、图像扫描方面的高端技术组件；面阵摄像头的图像传感器采用的是 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，附加金属氧化物半导体组件），大多应用在一些低端中。

2、但是这样的定位并不表示在具体的摄像头使用时，两者有很大区别。事实上经过技术改造，目前 CCD 和 CMOS 的实际效果的差距已经大大减小了。而 CMOS 的成本和功耗都要低于 CCD 不少，所以很多摄像头生产厂商采用的都是 CMOS 镜头。用于智能车比赛的线阵摄像头通常使用 TSL1401，它可以一次成像 1281 的图像。线阵型 CCD 成本较低，如果加以机构，也可以扫描面阵图像，例如：复印机中实际上就是一个线阵型 CCD，通过机构和线阵型 CCD 相互配合，就可以把整个图片扫描下来，不过需要一定的时间。用于智能车比赛的面阵摄像头分为数字摄像头与模拟摄像头。最主要的区别在于摄像头提供给我们的

3、数据是数字信号还是模拟信号。数字摄像头的信号线最少需要 8 根，再加上行中断，场中断，像素中断，电源和地线，使得接线变得比较复杂，摄像头体积也偏大，但由于可以直接得到数字信号，在一定程度上降低了使用难度；模拟摄像头只有三根线：电源线、地线、信号线，而且体积相对较小，可以有效的降低车体的重心，但需要进行解码。电磁赛道传感器采用电感和电容并联产生相应的特定频率谐振，其频率的设定为跑道谐振频率的附近，再通过谐振选频、放大，获取跑道上由变化的电生的变化的磁场，从而产生相应的交流电压，再将相应的交流电压进行放大、整流和滤波，从而得到单片机可以采集的电压。下面对电磁传感器的原理及运用作详细的。二、电磁检测

4、的电路原理电磁检测电路的组成如图 1 所示，下面我会对这四部分依次讲解。图1电磁信号处理电路的组成1.LC 谐振电路智能车电磁组赛铺设了一条 0.1mm1.0mm 的漆包线，其中通有 20KHZ、100MA的交变电流，在赛产生磁场。大家仔细观察智能车上的传感器电路板，会发现从左到右共有 4 组图 2 所示的电感与电容的组合，这个组合就形成了一个电感电容并联谐振电路。电感采用 10mH 的工字电感，电容采用精度性较高的校正电容，为 6.8nF，根据以下公式计算得到并联谐振电路谐振频率：12LCf0计算得到 10mH 电感与 6.8nF 电容的谐振频率为 19.3kHz，这是使用市面上容易获取的电

5、容、电感所得到的最接近 20kHz 的谐振频率。单片机ADCRC滤波电路放大电路LC谐振电路OUT1L1C1字字字字字字10mH6.8nFGND图 2 电感与电容的组合这个电路会与赛道产生的磁场发生电磁感应，在电感两端产生感应电动势，在一个水平面上电感与赛漆包线距离越近产生的感应电动势就会越大，呈现图 3 的曲线变化。所以，假如将电磁传感器垂直对称放置于赛道漆包线上方并且水平的话，到的数据也会对称分布。图3水平电感感应电动势与位置2.运算放大电路下图图 4 是 U-STM32-F101 主控电路板上，对谐振电路输出的震荡波形进行放大滤波的电路，是不是整体看起来很复杂的样子？其实这是 4 路信号

6、处理的电路，我们只需要弄明白其中就可以了，其他三路都是一样的。第的信号处理电路被红色方框框起来了，这里我们就研究一下。R710K 5%U2R810K5%C8R1 01 00K 5%RP147KRP247 KR1110 0K 5%C 90.1uF10%1OU T 1 O U T 4140.1uF10%NA L 1 R121K5%AG N D213R131K 5%SIGN A L 4R141K 5 % 3IN1 +IN 4+12 R151K5 %IN1 -IN 4-AGNDNA L 2 A V C C-5V4VCC G N D11SIGAR181K5%AG N D6IN2 -IN 3-9R191K

7、 5%AGNDR2010 0K 5% RP 34 7K 7OU T 2 O UT38RP447 K0.1uF10 %C10R2210K5 %R2110 0K 5%C11TLV 2464C0.1uF10%R2310 K 5 %AD _ IN 3图 4 电 磁 信 号 放 大 滤 波 电 路将通道一的信号处理电路单独拿出来并换成放大器的画法就是下面的图5。是不是清晰多了？这样和大学课程中模拟电子技术基础里的同向比例放大器一致了。可能有的同学 还没有学到这门课程，这里就讲解一下运算放大器的分析方法。运算放大器一般用“虚短”与“虚断”来分析，看到这两个名词，已经学过模拟电子技术基础的同学肯定特别的亲切

8、。V CCSIN GN A L1R1 4R7A D _ I N 11A1KC8R1 0G N D10 0 KRP 1G N DR1 2G N D图 5 通 道 一 的 放 大 滤 波 电 路“虚短”的概念：由于 运放的电 压放大倍 数很大 ，一般通 用型运算 放大器 的开环电 压放大倍 数都在80 dB以上。而 运放的输出 电压是有限的 ，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1mV。两输 入端 近 似等 电 位 ，相 当 于 “短 路 ” 。 开环 电 压 放大 倍 数越 大 ，两 输 入端 的 电 位越 接 近相等。“虚断”的概念：84由于运放的差模输入电阻也很大，一般通用型运

9、算放大器的输入电阻都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。 通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性 状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。说了这么多的概念，根据图6总结一下就是这样的：由“虚短”可得：UU，即两输入端等电位；由“虚断”可得：II0，即两输入端视为等效开路，流入两输入端的电流为0。再看一下图6，我们将图5中标号为SINGNAL1这个点的电压设为Ui，运算放大器输出端引脚标号为1的电压设为UO， 流 经R12的电 流设 为IO

10、。V CCR1 4U iU + 31KU -2AG N DR1 0Io10 0 KRP 150 KR1 21KG N D图 6 同 向 比 例 放 大 电 路根 据I0可以推出UiU，根据UU又可以得出UiU；由于I0,则可推出：UiIOR12UOUiIO(R10RP1),两个式子联立将IO消去，可以得到：84Uo1R10 RP1UiR12放大倍数 A 为UO与Ui的比值，这样可得到同向比例放大器放大倍数的计算公式：A 1R10 RP1R12根据上面放大倍数的计算公式我们可以计算出这个同向比例放大电路的放大倍数在100150 倍之间，也就是说将 LC 谐振电路输出的感应电动势放大了一百多倍，通

11、过图 7 我们可以看到实际的输入输出波形：图7同向比例放大电路的输入与输出波形看到图 7 大家是不是会感到有点不太对劲？为什么放大器输入是有正负两个半波的，怎么输出就只有正半波了？就在我们的放大器的使用上。大家可以看到图 6 的放大器使用的是单电源，引脚 4 并没有使用负电压的电源而是直接接地了，这就导致我们的输出波形的负半轴没有了。那这样是不是就错了？当然是没错的，因为我们使用的 STM32 单片机的ADC 可输入电压范围为 03.6V，不能将负电压输入 ADC 引脚；其次，正半波的波形就已经可以反映出磁场强度的大小了。通过图 7 可以知道输入波形的峰峰值大约 53mV，输出波形的峰峰值大约

12、 6V（峰峰值指的是波形最高点与最低点的电压差，输出波形只有半波，这里的放大倍数要用全波来算，因为这里的半波是由于只有正电源造成的），算一下实际的放大倍数大约是 113 倍，在我们计算出的放大倍数范围之内。实际的运算放大器应用中，我们还有可能用到反向比例放大电路，如图 8 所示：V C CU +3G N DR 11U oA2iU -G N DR 2Io图8反相比例放大电路与同相比例放大器是一样的：分析U； I 0；由“虚短”可得：U由“虚断”可得：I则:UU 0UiU IOR1UUO IOR2三式联立，可得：Uo R2UiR1看到这个公式大家应该就明白为什么图 8 叫做反相比例放大器了，因为它

13、的输入波形与输出波形是反相的，如图 9 所示。图9反相比例放大电路的输入与输出波形3.RC 滤波电路84由于最终我们 需要的是电感两端感应电 动势的大小，虽然图7半波波形的幅 值也能用单片机采集它的峰值，来反应电感两端的电动势，但这样增大了单片机的运算量和代码复杂程度。所以在放大器电路后面加了一阶低通滤波电路，将信号中的高频成分滤除，直接将低频直流信号送入单片机的ADC引脚进行采集。这样单片机直接采集直流电压信号是非常简单的，并且信号中的直流信号也同样能反应出电感两端的电动势。R7A D _ I N 110 KC801 u FG N D图 10RC 一阶低通滤波电路图4与图5绿色框里的电阻与电

14、容组成了RC一阶低通滤波电路，图10将绿色框里的电路单独拿了出来。低通滤波，顾名思义就是只能通过低频率的信号，而将高频率的信号滤除掉。RC一阶低通滤波的截止频率计算公式为：f 1C2RC可以计算得截止频率Fc为1KHZ，这样高于1KHZ的高频信号会被滤除，只剩下低频的直流信号。当然，高频信号并不是完全滤除，只是被衰减到了我们可以接受的程度。图11是RC 一阶低通滤波的幅频特性曲线，显示了不同频率下的波形幅值衰减程度。图 11 一阶 RC 低通滤波器的幅频曲线通过图 11 我们可以看到当 F=20KHZ，Fc=1KHZ 时高频成分已经衰减到了之前的大约0.05 倍以下。图 12 就是滤波完成后的

15、波形，可以看到波形几乎就是一条直线。图 12RC 一阶低通滤波电路输出波形但放大后还是可以看到 20KHZ 的波形（如图 13）,峰峰值只有大约 40mV，不过波形已经变成了三角波。这是由于电容不停的充电放电，并且充电与放电周期不同导致了一个斜三角波形的产生。图 13RC 一阶低通滤波电路输出波形的交流成分波形（交流耦合下）总结一下，整个电磁信号的处理过程如下图图 14：图 14 电磁信号处理电路三、电磁信号的 ADC与数据处理经过滤波后的信号已经变成了一个基本平稳的电压信号，这个电压信号会随着对应的电感靠近赛而变大，而单片机只需要出这个电压信号的幅值就可以知道传感器偏离赛道的。1.电磁信号的

16、 ADC第三讲我们讲过了 ADC 的与 OLED 的使用，那下面我们就将 ADC到的数据在OLED 上显示出来。1）、首先进行 ADC 与 OLED 的初始化。将 BSP_Initializes()函数中对应的函数解除注释就可以了。图 15 ADC 与 OLED 的初始化2）、调用 OLED_ShowNum 函数，关于这个函数的讲解在第三讲已经讲到了。g_ADC1_ConvertedValues 数组里了当前的四路 ADC 数据，这里将四个数据逐一显示出来。图 16 显示 ADC 数据3）、程序编译通过后下入单片机后屏幕上就会出现四个数据了。传感器出来之后，其实就可以进行下一讲，用算法来让车跑

17、起来了。但是这样处理的数据可能跑的不够理想。大家先耐着性子看完下面两节，加上这两个算法后传感器的数据马上就能改头换面。2. 将传感器数据化举个例子：当引导线电流为 100mA 时，单片机到处于引导线正上方 1 号线圈 AD 值为 500，这时假设我们程序根据这个 AD 值等于 500 来判定车模处于赛道中间位置，当在环境（电流值、线圈规格、温度等）不变的情况下，这样处理是没有问题的。当我们换一个赛道电流源时，由于两个电流源之间差异，同样设定为 100mA，但是引导线实际电流变为110mA。此时处于引导线正上方 1 号线圈 AD 值为变为 600，而在偏离赛道一定距离时 AD值才为 500，而我

18、们还是通过 1 号线圈 AD 值为 500 来判定车模处于中间位置，这时就出现了问题！为了解决上述例子里的问题，我们引入化的思想。数据化的目的是将所有电感转化的结果化到了一个同一的量纲，其值只与传感器的高度和小车的偏移位置有AD关，与电流的大小和传感器内部差异无关。化传感器标定与数据化。传感器的标定就是获取传感器的转换结果的最值过程，主要是为了数值化做准备，在单片机上电之后左右晃动车模，每个电感的最大值和最小值。化公式为：AD MINvalue KMAX MIN其中 AD 为传感器实时的值，MAX 是标定时到的最大值，MIN 是标定时到的最小值，K 为后，输出的最大值，value 是经过化之后

19、的，代表磁场强度的值。还是上面的例子，我们设 1 号线圈在偏离赛道最大时 AD 值为 0，即 MIN=0；当处于电流为 100mA 的引导线正上方时 AD 值为 500，即 MAX=500。设 K=100,则化后value15000100 100，当换电流源后value2 6000100 100。这样我们可以5000600 0利用 1 号线圈 AD 值为 100 判定车模处于赛道中间位置，可以看出化后的值不受赛道电流的影响了！在外界环境变化时，我们只需最值就可以实现对赛道的适应。下面给出化 C 代码：for(i=0;i4;i+)sensor_to_onei=(float)(AD_valui-m

20、in_vi)/(float)(max_vi-min_vi);if(sensor_to_onei1.0)sensor_to_onei=1.0;/ADi化后的值，0-100 之间ADi=100*sensor_to_onei;上面是对四个线圈 AD 值的。注意：max_vi 和 min_vi是在车模起跑前采的。调试中由于谐振电路电容与电感的差异导致四路传感器某几路信号过弱，通过电位器调大对应的放大倍数也没用时，使用化算法也可以有效实现某路 AD 值的对应比例放大。3. 电磁传感器对应的偏差计算偏差计算是电磁车的一个步骤，想要车模沿着赛道中心线运行，首先要提取出车模与赛道的偏移量得到一个误差，然后将这

21、个误差送给器处理，最后器输出信号舵机和电机来纠正车模的姿态和车子的速度。如果连器的输入都是错误的，怎让器给出正确的输出呢？E1E2E3E4图 17 线圈布局图线圈布局如图 17 所示，设 E2 与 E3 中点垂直于通电导线的横向坐标为 X，线圈支架距离引导线垂直高度 h=20cm。根据传统的 E2- E3 做差来确定偏差，如图 18 所示。图 18 作差曲线可以看到在（-10cm,10cm）区间内曲线是线性的，即一个偏差可以唯一确定一个 X，在这个区间内作差法是可取的。但是在此区间外由于 E2 和 E3 都下降所以偏差也会下降，实际上偏差应该“增大”！因此作差法计算得到的偏差量在一定范围内是可行的，一旦车模偏离中心线的距离超出这个范