摘 要： 設計了基于藍牙傳輸的電磁導航智能車磁場信號檢測系統。采用工字型電感線圈作為傳感器，通過MATLAB對電感線圈在磁場中的特性進行了仿真分析，優化了傳感器的排布方案。系統下位機以MC9S12XS128單片機作為信號采集的核心控制器，選用藍牙模塊作為無線發送與接收設備，利用LabVIEW 2012圖形化編程集成開發環境編寫上位機程序，最終實現了單片機與PC的無線數據互傳。實驗結果表明，該系統能夠實時檢測出智能車與導航線的相對位置，并可方便快捷地進行導航路況判斷與速度給定。
關鍵詞： 電磁導航智能車；藍牙傳輸；LabVIEW；信號檢測
電磁導航智能車輛，是一個集環境感知、信息處理和速度控制等功能于一體的綜合系統，它集中運用了計算機、現代傳感器、信息融合、通信及自動控制等技術，具有道路障礙自動識別、自動控制、自動保持安全距離和車速以及巡航控制等功能。以往的電磁導航智能車程序調試都采用BDM調試器有線調試，且智能車在行駛時導航線與車體的相對位置不能實時顯示出來，智能車很難根據采集的路況信息進行速度分配，不便于尋找速度給定的最優解。本文設計了基于藍牙傳輸的信號檢測系統，可以通過LabVIEW編程實現PC與單片機無線通信，避免了程序調試員每改變一次參數都要進行智能車與PC的有線連接，減少了參數整定的工作量，并可以將電磁傳感器采集的信息實時顯示出來，為路徑磁場信號的檢測與智能車速度的給定提出了一種更加便捷的方法。
1 系統整體方案設計
基于藍牙傳輸的智能車信號檢測系統由下位機系統和上位機系統構成，系統總體結構框圖如圖1所示。
圖1的上半部分是系統的下位機結構框圖，整個硬件系統使用模塊化的設計思想。下位機系統以Freescale公司的MC9S12XS128單片機為核心控制器，系統由電源模塊、電機驅動模塊、起跑線檢測模塊、信號檢測模塊、測速模塊、舵機控制模塊、LED狀態顯示模塊、藍牙發射模塊A和藍牙接收模塊B 9大模塊構成。圖1的下半部分是系統的上位機結構框圖，也是數據的接收、分析、顯示和發送終端，系統上位機應用LabVIEW 2012虛擬儀器設計軟件開發系統上位機程序。
即電磁感應線圈中感應電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于電磁感應線圈中心到銅導線的距離。其中，常量K為與電磁感應線圈擺放方法、電磁感應線圈面積有關的一個量，具體感應電動勢常量須實際測定來確定。
2.2 傳感器的選擇
由于電感線圈測量范圍廣，理論上只要加上合適的諧振電容和放大電路，不但能夠篩選出特定頻段進行放大，而且有較強的抗干擾能力，因此選取工字型電感傳感器。它具有價格便宜、原理簡單、頻率響應快、體積小和電路實現簡單等特點[2]，并且能在100 mA直導線電流旁檢測到峰峰值為40 mV的電壓值，能夠滿足磁場信號檢測的要求。
根據對圖4、圖5分析得出，豎直線圈的感應電壓是x的偶函數，在Y軸兩側單調，且在0點處，h越大，感應電壓E越小；水平線圈的感應電壓E是x的奇函數，在Y軸兩側無單調關系；水平線圈適合做x的正負判斷，豎直線圈適合算x的具體數值，水平線圈比豎直線圈衰減慢得多，說明水平線圈對遠處道路狀況比較敏感，可以用來預測前方的彎道。
2.5 傳感器排布的設計
根據電磁感應線圈在磁場中的特性可知，豎直線圈可以容易得出智能車與銅導線的相對位置，理論上采用雙垂直線圈就可以判斷出銅導線的位置，然而為了提高檢測的精度，精確地控制小車，可以適當增加傳感器的個數與合理調試傳感器安放的高度來實現。檢測發現，電感線圈的排布不能太密，傳感器太多則相互間干擾較大，太少則降低了檢測的精度。初步選定了用4只傳感器來對導線進行位置測量，4個垂直線圈平均間隔一字排開，分別是左右各兩個對稱分布。由圖5可知，傳感器安放得越高，感應電壓越小，又由于路徑中設有5 mm高的障礙，智能車在經過障礙時會產生抖動，從智能車的穩定性考慮，選取6 cm高度時，智能車經過障礙路徑時產生的抖動在0.8 mm內，傳感器所測得的感應電壓變化很小，抖動對傳感器正確識別路徑不會產生太大影響，因此，在布置傳感器時選用6 cm的高度。
經過實際車模運行時發現，這種布置方案車模從進彎道到出彎道，舵機做了兩次擺角，最后一次擺角是在傳感器出彎9 cm時才做出的，這時，垂直放置傳感器的中心線與導線的夾角為65°，與導線的偏差比較大，若車模以2.5 m/s的速度在小彎道運行，很容易沖出賽道，即一旦傳感器轉彎出外時，由于信號較弱小車出現亂擺，那么小車將失去控制。分析得出這種布置方案使得智能車的前瞻性太小，導致入彎時速度減得過多，出彎時舵機的反應又太慢，舵機不能及時偏轉，不宜采納。
由圖5可知，水平線圈對遠方路況比較敏感，可以感知路況的變化趨勢，通過對彎道處磁場的分析，在以上傳感器布置方案的兩端再各放置一個水平線圈，用來對彎道進行前瞻。經實際車模驗證，變更傳感器擺放的方向和角度，可以在原來傳感器位置的基礎上前瞻15 cm～20 cm，如果電感線圈的直徑加大一倍，則可以做到前瞻35 cm，下稱“大前瞻”。盡管放置水平線圈可以增大小車的前瞻性，但隨之也帶來了新的問題，那就是在大前瞻的布局下，智能車在通過十字交叉賽道時出現了嚴重的抖動，智能車的穩定性受到影響。通過對十字交叉路徑處場強分析，得出抖動原因就在于十字交叉點出現了場強疊加，場強的水平分量與豎直分量都增大了很多，使得原場強的大小與方向都發生了變化，這種抖動對大前瞻來說是一個嚴重的干擾。雖然經過軟件處理之后小車能夠順利通過十字交叉口，但不可避免會有少許抖動。這樣既影響小車的穩定性，也使行進速度有一定下降，速度過慢，從而大大影響了智能車的平均速度。從智能車的穩定性考慮，將兩個水平線圈采用軸線與小車前進方向一致的擺法，這樣小車在十字交叉處幾乎不受干擾，但這樣的前瞻在10 cm以內，前瞻性非常小，滿足不了小車高速運行時對彎道的判斷，因此此種布局方案還需進一步改進。
由于單排傳感器檢測的磁場信息單一，而雙排傳感器檢測的信息很豐富，既可以通過判斷導線的斜率來彌補前瞻的不足，消除抖動，也可以合理利用其采集的信息作轉角以及速度控制。最終采用了雙排傳感器布置方案，即在小車前輪前方再增加一組軸線與導線垂直的傳感器，傳感器垂直高度為8 cm，左右各一個對稱排放。
實際車模運行發現，此種方案具有更加精確的位置解算能力，并且利于速度控制。
3 磁場信號數據的藍牙傳輸
3.1 藍牙與上位機和下位機接口設計
智能車信號檢測系統選用的藍牙模塊是HH-W公司的BT10-04，單片機選用Freescale公司的MC9S12XS128。BT10-04藍牙模塊采用CSR藍牙芯片，其為藍牙V2.0協議標準；1位數據起始位，8位數據位，1位停止位，無檢驗位；頻率為2.4 GHz；內置USB轉串口模塊，可以直接與電腦USB連接，數據以串行傳輸方式發送和接收，收發模塊自動發送尋求信號進行配對鏈接，鏈接成功后主機和分機的功能完全相同；配對密碼為1234；RXD與TXD分別為5 V數據接收端和數據發送端，可直接與單片機連接。藍牙傳輸模塊接口電路如圖6所示。
上位機與下位機無線通信的基本過程是：首先打開藍牙轉換開關，選擇藍牙通信，下位機通過藍牙發射模塊A將傳感器采集的數據進行發送，上位機藍牙接收模塊A接收到下位機發出的數據后，轉化為符合RS-232協議的電平信號并輸出，利用計算機標準的RS-232串行通信口及Windows操作系統中集成的串口驅動程序，便可與上位機建立通信鏈接，然后利用LabVIEW 2012集成開發環境設計串口控制程序，并在串口配置中設置“停止位”為1.0，“波特率”為19 200 b/s，“數據比特”為8，“采樣點數”為300。當需要將程序燒寫到單片機時，首先在PC上插上藍牙主機模塊B，等待連接成功后，先發送一個指令給單片機，使智能車停止運行，然后再發送程序文件，這樣就實現了程序的無線燒寫。
3.2 磁場信號的檢測與處理
信號采集包括硬件部分和軟件部分。硬件部分由傳感器、信號調理電路、藍牙傳輸模塊和單片機硬件系統構成。軟件部分使用LabVIEW 2012開發上位機程序，其功能主要是實現信號接收、存儲、顯示、處理和提供人機交互界面。系統整體界面設計如圖7所示。
運行“基于藍牙傳輸的電磁導航智能車路徑信號采集與分析平臺.EXE”程序，在程序主界面中選擇“信號采集”選項卡，在“串口名稱”下拉列表中選擇與藍牙接收模塊對應的串口號，分別輸入采集者姓名、性別、年齡信息和時間信息。單擊工具欄上的“運行”按鈕，此時采集設備處于連接狀態，單擊“采集”按鈕，系統開始采集電磁傳感器信息并將8個傳感器的感應電動勢與導線的相對位置實時顯示出來。
信號檢測的目的就是要判斷導線的位置以及根據路況信息對智能車進行速度分配。由于模擬檢測法空間分辨率可達3 mm，而且當導線電流不穩定時，抗干擾能力強，因此采用模擬檢測法，即將采集回來的A/D值進行合理運算之后來判斷智能車和導線之間的位置。
圖7所示的圖形是8個傳感器在5 s時間內分別采集回來的A/D值，由圖7可以看出，經過藍牙無線傳輸采集的磁場數據信號與圖5，圖6 MATLAB仿真磁場信號波形一致，1號、3號、4號、6號、7號、8號圖為豎直安置的傳感器采集的感應電動勢與水平偏移量之間的關系圖，2號與5號圖為軸線與小車前進方向一致安置的傳感器采集的感應電動勢與水平偏移量之間的關系圖。
A/D值的具體處理如圖8所示。
由圖8流程圖得出有效的控制序列后，將兩個最大的A/D值取出來對10取余得到它們對應的序號，這樣就確定了哪兩個傳感器離導線近，然后根據這兩個傳感器A/D值的差值再與之前預先設定的A/D值比較，同時，乘以設定的距離值就得到了x的坐標。
提取智能車和導線之間的位置關系后，可以確定小車的速度給定策略。當智能車偏離導線較少時，給定一個較小的回正速度，智能車可以加速行駛；當智能車偏離導線較大時，應該給定較大的回正角度和減慢車速。本系統速度的給定使用二次曲線擬合速度的方法。根據二次曲線的頂點式：
y=a（x-h）2+k （6）
只要輸入3個坐標，就可以得到二次函數的3個系數，進而可算得曲線的解析式。利用二次函數的圖像性質來分配速度，即直道速度為3 m/s，大弧彎道為2.8 m/s，小弧彎道為2.5 m/s。
本文研究的基于藍牙傳輸的智能車信號檢測系統將智能車路徑信號檢測系統和藍牙技術相結合，通過對電磁信號的分析，自行設計了采集感應電動勢的信號調理電路，經過改進對傳感器的布局進行了合理的設計，最終實現了PC與單片機之間數據的無線互傳，完成了磁場數據的實時采集與處理。經過實驗測試，該系統在露天普通條件下，最大的通信速率為56 kb/s，最大傳輸距離為10 m，若此距離滿足不了調試要求，可通過外接射頻功率放大模塊使藍牙通信距離達到100 m。該系統性能穩定，界面友好，簡單實用，能有效減少程序調試者的工作量，為智能車根據路況信息進行速度給定設計了一種更加便捷有效的方法。
參考文獻
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