本發(fā)明涉及一種基于檢測通電軌道的節(jié)能電軌車控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前市面上的尋跡小車大多采用紅外反射光或者由通電導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場來進(jìn)行導(dǎo)航，這類紅外或電磁檢測傳感器對進(jìn)道路進(jìn)行信息采集，引導(dǎo)尋跡小車行駛。但該類技術(shù)能耗高而且容易受到其他電磁場或其他光線的干擾，另外車子還需要使用電池單獨供電，無法長時間得行駛。在此領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)背景，設(shè)計一輛功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高，并且能以一定速度尋跡行駛的智能車系統(tǒng)為目前本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于檢測通電軌道的節(jié)能電軌車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不需要獨立的電池和舵機(jī)，所需的車體結(jié)構(gòu)也極其簡單；其不但功耗低抗干擾能力強(qiáng)，而且準(zhǔn)確度高，控制中心運算速度也快。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種基于檢測通電軌道的節(jié)能電軌車控制系統(tǒng)，主要包括：

取電模塊，所述取電模塊主要用于向帶電金屬導(dǎo)軌進(jìn)行電平采集以及電流取電，該取電模塊主要包括電平采集模塊、整流模塊和取電傳感器，所述電平采集模塊、整流模塊分別與取電傳感器連接，該取電傳感器與帶電金屬導(dǎo)軌電連接；

驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊主要用于控制電機(jī)以驅(qū)動電軌車的左輪和右輪進(jìn)行速度和方向的控制；

編碼器測速模塊，所述編碼器測速模塊主要用于讀取電軌車的左輪和右輪的脈沖數(shù)，以將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為車速進(jìn)而把電軌車的實際速度反饋給MCU主控芯片，從而MCU主控芯片再通過驅(qū)動模塊實現(xiàn)車的速度、方向的閉環(huán)控制；

MCU主控芯片，所述MCU主控芯片主要用于控制分別與其連接的取電模塊、驅(qū)動模塊和編碼器測速模塊。

優(yōu)選地，所述帶電金屬導(dǎo)軌為鋁箔材料結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述取電傳感器為銅片材料結(jié)構(gòu)。

在實際的使用過程中，我們需要考慮兩點問題。一是車需要正向運行與反向運行，這就造成了在車運行時電源的正負(fù)極是不確定的；二是車必須能夠從帶電金屬導(dǎo)軌快速準(zhǔn)確地獲取直流電源?；谶@兩點，本發(fā)明設(shè)計了整流模塊，這樣就能通過這個整流模塊讓電源正極觸點采到正極電源，讓負(fù)極的電源觸點采到負(fù)極電源，從而有效地解決了電源正負(fù)極不確定性的問題，使小車能夠在正反方向都能準(zhǔn)確地運行。為了減小電能損耗和摩擦力，與鋁箔材料的帶電金屬導(dǎo)軌接觸的材料必須輕軟，內(nèi)阻小；于是選取薄的銅片為取電傳感器。

優(yōu)選地，所述取電傳感器與帶電金屬導(dǎo)軌之間串聯(lián)有一電阻?？紤]到取電模塊的單片機(jī)的耐受性，如果將IO口直接與鋁箔帶電金屬導(dǎo)軌接觸，單片機(jī)會被損壞，故用一個電阻與銅片結(jié)構(gòu)的取電傳感器串聯(lián)，然后再接到單片機(jī)的I/O口上。在讀取電平時，先上拉I/O口，讀取電平，再下拉I/O口，讀取電平，兩次讀取的電平組成一個兩位二進(jìn)制數(shù)。通過這種方法，可以準(zhǔn)確地得知電軌車的具體位置，再同過軟件算法策略來控制對左輪和右輪輸出動力的兩個電機(jī)的占空比的輸出，使電軌車正確地沿著鋁箔材料的帶電金屬導(dǎo)軌的軌跡行駛。

本發(fā)明不需要獨立的電池和舵機(jī)，所需的車體結(jié)構(gòu)也極其簡單；其不但功耗低抗干擾能力強(qiáng)，而且準(zhǔn)確度高，控制中心運算速度也快。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的整體框圖；

圖2為電軌車轉(zhuǎn)彎示意圖；

圖3為整流模塊的整流電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為取電傳感器的取電接觸點的設(shè)計示意圖；

圖5為matlab擬合曲線圖。

1為MCU主控芯片，2為編碼器測速模塊，3為驅(qū)動模塊，4為取電模塊，41為電平采集模塊，42為整流模塊，43為取電傳感器，5為電軌車，51為左輪，52為右輪，6為帶電金屬導(dǎo)軌。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

參照圖1～5，本發(fā)明實施例一種基于檢測通電軌道的節(jié)能電軌車控制系統(tǒng)，主要包括：

取電模塊4，所述取電模塊4主要用于向帶電金屬導(dǎo)軌進(jìn)行電平采集以及電流取電，該取電模塊4主要包括電平采集模塊41、整流模塊42和取電傳感器43，所述電平采集模塊41、整流模塊42分別與取電傳感器43連接，該取電傳感器43與帶電金屬導(dǎo)軌6電連接；

驅(qū)動模塊3，所述驅(qū)動模塊3主要用于控制電機(jī)以驅(qū)動電軌車5的左輪51和右輪52進(jìn)行速度和方向的控制；

編碼器測速模塊2，所述編碼器測速模塊2主要用于讀取電軌車5的左輪51和右輪52的脈沖數(shù)，以將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為車速進(jìn)而把電軌車5的實際速度反饋給MCU主控芯片1，從而MCU主控芯片1再通過驅(qū)動模塊3實現(xiàn)車的速度、方向的閉環(huán)控制；

MCU主控芯片1，所述MCU主控芯片1主要用于控制分別與其連接的取電模塊4、驅(qū)動模塊3和編碼器測速模塊2。

所述帶電金屬導(dǎo)軌6為鋁箔材料結(jié)構(gòu)，所述取電傳感器43為銅片材料結(jié)構(gòu)。

參照圖2、圖3和圖4，在實際的使用過程中，我們需要考慮兩點問題。一是車需要正向運行與反向運行，這就造成了在車運行時電源的正負(fù)極是不確定的；二是車必須能夠從帶電金屬導(dǎo)軌6快速準(zhǔn)確地獲取直流電源。基于這兩點，本發(fā)明設(shè)計了整流模塊42，整流模塊的整流電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，這樣就能通過這個整流模塊42讓電源正極觸點采到正極電源，讓負(fù)極的電源觸點采到負(fù)極電源，從而有效地解決了電源正負(fù)極不確定性的問題，使車能夠在正反方向都能準(zhǔn)確地運行。為了減小電能損耗和摩擦力，與鋁箔材料的帶電金屬導(dǎo)軌6接觸的材料必須輕軟，內(nèi)阻??；于是選取薄的銅片為取電傳感器。

參照圖1～5，所述取電傳感器43與帶電金屬導(dǎo)軌6之間串聯(lián)有一電阻?？紤]到取電模塊4的單片機(jī)的耐受性，如果將IO口直接與鋁箔材質(zhì)的帶電金屬導(dǎo)軌6接觸，單片機(jī)會被損壞，故用一個10k的電阻與銅片結(jié)構(gòu)的取電傳感器43串聯(lián)，然后再接到單片機(jī)的I/O口上。在讀取電平時，先上拉I/O口，讀取電平，再下拉I/O口，讀取電平，兩次讀取的電平組成一個兩位二進(jìn)制數(shù)。圖2為電軌車轉(zhuǎn)彎示意圖，參照圖2，若出現(xiàn)標(biāo)記為h這樣的黑點則是取電傳感器43的薄銅片在正極或者負(fù)極，即接觸到了鋁箔材料的帶電金屬導(dǎo)軌6；若出現(xiàn)標(biāo)記為b這樣的白點則是取電傳感器43的薄銅片在正極或負(fù)極之外的位置，即沒有接觸到鋁箔材料的帶電金屬導(dǎo)軌6。通過這種方法，可以準(zhǔn)確地得知電軌車5的具體位置，再同過軟件算法策略來控制對左輪51和右輪52輸出動力的兩個電機(jī)的占空比的輸出，使電軌車5正確地沿著鋁箔材料的帶電金屬導(dǎo)軌6的軌跡行駛。參照圖2，當(dāng)電軌車5需要右轉(zhuǎn)彎時，左輪51的速度會大于右輪52的速度，這樣一來就可以實現(xiàn)差速右轉(zhuǎn)彎了。左轉(zhuǎn)彎亦是如此。與此同時取電傳感器43的制作是沒加其他元件的，完全是在整流模塊42上實現(xiàn)，這樣我們又節(jié)省了在取電傳感器上的能量消耗，進(jìn)一步地體現(xiàn)了節(jié)能高效的特點。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)有效節(jié)能，本發(fā)明舍棄了傳統(tǒng)的舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向的方法，轉(zhuǎn)而使用兩輪差速轉(zhuǎn)向的策略，并且通過編碼器測速模塊2讀取的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為車的速度，進(jìn)而將車的實際速度反饋給MCU主控芯片1，從而實現(xiàn)反饋閉環(huán)控制。

公式(1)為pid的公式，首先先記錄在正負(fù)極的取電模塊4的情況，然后算出與中心位置的偏差error。如圖2所示，這里我們采用增量式pid，即記錄這一次的偏差error，上一次的偏差p_error，上上次的偏差p_p_error，則電機(jī)可以得到一個占空比增量的表達(dá)式：

increas_duty＝P*(error-p_error)+I*error+D*(p_p_error-2*p_error+error)。

增量式PID的三個參數(shù)P、I、D可多次測量得到。最后電機(jī)占空比的輸出是：speed_duty＝speed_duty+increase_duty。

為了能夠使車在盡可能短的時間內(nèi)到達(dá)指定的目的地，我們對車的速度進(jìn)行了優(yōu)化，即當(dāng)車在直道時，車的速度對應(yīng)的占空比speed_duty盡可能大，當(dāng)車處于彎道時，車的速度要相應(yīng)減少，我們用error來反應(yīng)鋁箔材料的帶電金屬導(dǎo)軌的曲率大小。圖5為matlab擬合曲線圖，參照圖5，那么車的速度speed_duty與帶電金屬導(dǎo)軌的曲率error成二次曲線關(guān)系，即：

speed_duty＝a*error*error+b*error+c。

具體的a、b、c的值可以采取多組(error，speed_duty)數(shù)據(jù)，再用矩陣實驗室matlab擬合出二次曲線，最后得出參數(shù)a、b、c的值。

本發(fā)明不需要獨立的電池和舵機(jī)，所需的車體結(jié)構(gòu)也極其簡單；其不但功耗低抗干擾能力強(qiáng)，而且準(zhǔn)確度高，控制中心運算速度也快。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。