基于光電傳感和路徑記憶的智能車導(dǎo)航系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

　　雙排排列與前瞻設(shè)計(jì)

　　本文開(kāi)發(fā)了智能車性能仿真平臺(tái)[2]，對(duì)傳感器的布局進(jìn)行了深入研究[3]。由于轉(zhuǎn)向舵機(jī)、電機(jī)和車都是高階慣性延遲環(huán)節(jié)，從輸入到輸出需要一定的時(shí)間， 越早知道前方道路的信息，就越能減小從輸入到輸出的滯后。檢測(cè)車前方一定距離的賽道就叫前瞻，在一定的前瞻范圍內(nèi)，前瞻越大的傳感器方案，其極限速度就會(huì) 越高，其高速行駛過(guò)程中對(duì)引導(dǎo)線的跟隨精度也相對(duì)較高，系統(tǒng)的整體響應(yīng)性能較好。因此路徑識(shí)別模塊設(shè)計(jì)成抬起與地面形成一個(gè)夾角，前排傳感器用于前瞻，后 排傳感器對(duì)賽道始點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別、計(jì)算車身縱軸線與賽道中心線的偏差斜率，以利于更好地調(diào)整車輛的姿態(tài)。

　　為了保證在離地間隙盡可能大的情況下光電傳感器仍然有足夠大的發(fā)光強(qiáng)度，本文采用了大電流脈沖觸發(fā)發(fā)光的控制方式。

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)光管在發(fā)光時(shí)，經(jīng)過(guò)的電流約為0.5A。如果用15個(gè)傳感器，則瞬時(shí)電流為7.5A。這樣大的電流肯定會(huì)對(duì)電池電壓造成一定的 沖擊，不利于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此將前后排傳感器的發(fā)光時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，通過(guò)兩套觸發(fā)電路來(lái)控制發(fā)光。這樣就有效減小了紅外發(fā)光管發(fā)光時(shí)對(duì)電池電壓的沖擊。

　　轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)控制與路徑記憶算法

　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制

　　本文在電機(jī)輸出軸上加一齒盤(pán)，電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。將對(duì)射光偶發(fā)光和接受管放在碼盤(pán)兩側(cè)。碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于碼盤(pán)上的齒經(jīng)過(guò)發(fā)光管發(fā)出的光線時(shí)，會(huì)阻礙光線傳播。所以接收管兩端的電阻會(huì)有很大的變化，這樣，在電路中采樣電阻兩端的電壓就會(huì)有很大的變化。

　　用處理器上的脈沖捕捉端口采集電壓脈沖單位時(shí)間內(nèi)的個(gè)數(shù)，就會(huì)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而獲得車速。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是飛思卡爾公司的MC33886。所不同的是本文采用了三片MC33886 并聯(lián)，一方面可以減小導(dǎo)通電阻，提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力，并且MC33886的發(fā)熱情況也有了很大的好轉(zhuǎn);另一方面減小MC33886 內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路對(duì)電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的影響。

　　電機(jī)采用PID閉環(huán)控制，可以根據(jù)不同負(fù)載狀況及時(shí)調(diào)整PWM的占空比，使車輛迅速地跟蹤目標(biāo)速度。

　　為了盡量提高車速，采用在直道上設(shè)定最高目標(biāo)車速，定速控制，接近彎道處開(kāi)始降速，正式轉(zhuǎn)入彎道時(shí)，將車速調(diào)整到過(guò)彎極限車速，將要出彎道時(shí)提前加速。

　　轉(zhuǎn)向控制

　　根據(jù)目前采用的雙排模擬式光電傳感器布局，可以得到車身縱軸線距離賽道中心線的偏移量，還可以得到中心線相對(duì)于車身縱軸線的斜率，從而得知當(dāng)前狀態(tài)下車身的姿態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

　　這里設(shè)定根據(jù)前排傳感器信號(hào)得到的轉(zhuǎn)角為θ1，根據(jù)前后排傳感器信號(hào)得到的縱軸線斜率信息而得到的轉(zhuǎn)角為θ2，最終的轉(zhuǎn)向角度的確定公式為：

　　θ=k1θ1+k2θ2

　　采用這樣的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車實(shí)際姿態(tài)的加權(quán)控制，大大提高過(guò)彎速度，減少由于探測(cè)精度問(wèn)題帶來(lái)的決策累積誤差。另外，大前瞻與雙排的雙重組合，達(dá)到了對(duì)正常彎道提前轉(zhuǎn)彎，對(duì)于S彎道遲滯轉(zhuǎn)向的特性。

　　為了使舵機(jī)更好地對(duì)給定的轉(zhuǎn)角值做出響應(yīng)，采用了PID調(diào)節(jié)，通過(guò)道路試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)整定，使得車輛在高速時(shí)保持了很高的穩(wěn)定性。

　　路徑記憶算法

　　由于比賽規(guī)則要求車輛在跑道上行駛兩圈，因此車輛第一圈時(shí)通過(guò)記錄轉(zhuǎn)速傳感器采集到的脈沖數(shù)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)的轉(zhuǎn)角等信息，來(lái)判斷區(qū)分直道、彎道、S 彎道以及轉(zhuǎn)彎的方向與轉(zhuǎn)彎半徑等等信息。根據(jù)第一圈記錄的數(shù)據(jù)信息，可以對(duì)第二圈的各個(gè)道路點(diǎn)進(jìn)行分段處理。直道上采用最高速加速，在進(jìn)入彎道之前提前進(jìn) 行減速，減至過(guò)彎的極限最高車速，對(duì)于不同半徑的彎道，選擇不同的車速。路徑記憶算法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)于復(fù)雜的S彎道，可以實(shí)現(xiàn)類似CCD探測(cè)頭達(dá)到的效果， 選用小的轉(zhuǎn)向角度通過(guò)，這樣可以大大縮短時(shí)間。具體算法請(qǐng)見(jiàn)[4]。

　　經(jīng)驗(yàn)及結(jié)論

　　本文的智能車開(kāi)發(fā)工作經(jīng)過(guò)6輪開(kāi)發(fā)迭代，從最初的小前瞻單排數(shù)字式傳感器，發(fā)展成脈沖發(fā)光、大前瞻、雙排排列、模擬式傳感器方案;控制策略從單純的PID控制升級(jí)到路徑記憶控制，使得車輛的導(dǎo)航性能有了很大提高。通過(guò)智能車開(kāi)發(fā)過(guò)程，得出一些經(jīng)驗(yàn)。

　　*開(kāi)發(fā)之初需要對(duì)光電傳感器特性、轉(zhuǎn)向舵機(jī)特性、驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性、車輛機(jī)械性能、轉(zhuǎn)向側(cè)滑特性、電池特性等進(jìn)行實(shí)際的檢測(cè)。

　　*根據(jù)汽車?yán)碚搶?duì)車輛進(jìn)行規(guī)則容許范圍之內(nèi)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，使之達(dá)到較佳的機(jī)械性能。

　　*組委會(huì)開(kāi)發(fā)了仿真平臺(tái)，應(yīng)該充分利用該仿真工具對(duì)基于光電傳感器的路徑識(shí)別方案進(jìn)行研究，結(jié)合硬件的選型和自身在控制及電子方面的經(jīng)驗(yàn)，確定路徑識(shí)別方案。前瞻距離較遠(yuǎn)的方案有助于提高車輛的通過(guò)速度。

　　*車輛的控制采用PID即可滿足要求，參數(shù)的整定需要結(jié)合道路試驗(yàn)進(jìn)行。車速的加快和減慢不要太劇烈，平穩(wěn)的控制也可以取得很好的效果。

　　過(guò)大的加速度會(huì)導(dǎo)致電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片的過(guò)熱以致驅(qū)動(dòng)性能下降。

　　本文介紹了第一屆大學(xué)生智能車比賽冠軍車的總體方案、路徑識(shí)別方案選擇、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)控制及路徑記憶算法等內(nèi)容。由于采用大前瞻光電傳感器，需要 較大的電流，使得電池電能的消耗較大，跑道距離較長(zhǎng)時(shí)，車輛電池電量下降較快，使得車輛競(jìng)速性能下降。路徑記憶算法的模糊尋跡算法也有待改進(jìn)。而攝像頭路 徑識(shí)別方案既可以實(shí)現(xiàn)大的前瞻，電能消耗又較低，這些是今后努力的方向。