朱 宇，屈 路，邱增凱，王天皓，賈少華，高印寒

(吉林大學(xué) a.儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院;b.汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春130025)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，汽車已趨于普及。然而，每天都有汽車事故發(fā)生，追尾事故極其頻繁，追尾事故就占汽車事故的30% ～40%，而追尾事故造成的損失和傷亡又占總損失的60%。因此智能交通系統(tǒng)的研究在各國(guó)越來越被重視，智能車的控制技術(shù)也成為一項(xiàng)新興技術(shù)。智能車控制系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)［1-2］。智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以大大降低追尾事故的發(fā)生，也可以為無人駕駛汽車等技術(shù)領(lǐng)域的研究提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

本文對(duì)智能車的避障及速度控制等進(jìn)行了研究［3-5］，設(shè)計(jì)了具備避障功能的智能小車，該小車搭建了基于單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用大電流、脈沖驅(qū)動(dòng)的超聲波傳感器組作為探測(cè)傳感器，探測(cè)道路情況，采用平均分布模型以及精確的算法完成對(duì)電機(jī)的控制，利用脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了智能車的快速、平穩(wěn)運(yùn)行。

1 超聲波探測(cè)模型

1.1 超聲波特性

超聲波是一種人耳聽不見的機(jī)械波，頻率在20 kHz 以上，超聲波的波長(zhǎng)短、繞射小，它可作為聲波射線并定向傳播，移動(dòng)智能小車的超聲波傳感器主要用于對(duì)周圍物體的探測(cè)與測(cè)距。超聲測(cè)距一般采用渡越時(shí)間法，即

式中;D 為移動(dòng)智能小車與被測(cè)障礙物之間的距離;C為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率;t 為從超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間隔，即傳播時(shí)間或“渡越時(shí)間”。聲波的速度與溫度T 有關(guān)。如果環(huán)境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補(bǔ)償問題［6-7］。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可表示為

超聲波傳感器作為一種測(cè)距傳感器，能夠得到傳感器和障礙物之間的距離信息，但由于超聲波發(fā)散角較大，從而導(dǎo)致了辨析率較低。鑒于單個(gè)超聲波傳感器的信息量少且存在固有誤差，因此需要使用多個(gè)超聲波束來感知環(huán)境，以獲得更大空間范圍內(nèi)的障礙物信息［8-9］。根據(jù)超聲波傳感器的特性，為其建立一個(gè)模型，常用的模型有中線模型、正態(tài)分布模型、平均分布模型。本系統(tǒng)選用應(yīng)用較廣泛的平均分布法模型。

1.2 空間區(qū)域的模糊劃分

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的超聲波傳感器的發(fā)散角為30°，因此前方8 個(gè)傳感器能探測(cè)的角度范圍為－67.5° ～+67.5°，且該范圍內(nèi)的每個(gè)區(qū)域都被2 個(gè)超聲波傳感器的發(fā)散角覆蓋，超聲波傳感器陣列位置如圖1 所示［10］。

圖1 超聲波傳感器陣列位置圖

為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理并充分利用超聲波傳感器的信息，將智能車輛前方探測(cè)空間劃分為如圖2 所示的5個(gè)區(qū)域。

圖2 空間方向的劃分

由圖2 可知，根據(jù)平均分布法，每個(gè)超聲波傳感器的探測(cè)信息在這5 個(gè)區(qū)域中存在障礙物的概率分別可以計(jì)算。由于超聲波傳感器陣列是左右對(duì)稱的，表1僅列出1 ～4 號(hào)超聲傳感器的信號(hào)概率數(shù)據(jù)。

表1 劃分空間中傳感器信號(hào)的概率

2 智能小車總體方案

2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能小車采用超聲波探測(cè)方式，通過比較布置在車身前側(cè)上的具有不同朝向的超聲波探測(cè)器完成目標(biāo)的探測(cè)，然后通過單片機(jī)整合各路超聲波信號(hào)的強(qiáng)度以及溫度信息，最后輸出控制左右2 個(gè)電機(jī)，完成5 種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)中，硬件方面主要包括車型智能小車、傳感接收電路、主控電路板和無線發(fā)射裝置。通過單片機(jī)產(chǎn)生的20 kHz 方波，經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射頭，從而發(fā)出超聲波，遇到前方物體反射后由接收端捕捉。經(jīng)過對(duì)2 個(gè)接收頭捕捉時(shí)間的計(jì)算以及加入溫度補(bǔ)償，判斷最終前方小車的方向與距離，再通過與前次數(shù)據(jù)差分計(jì)算出其相對(duì)前車的速度，最后通過速度距離以及位置3 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能控制，控制小車轉(zhuǎn)彎或減速慢行等［11-13］。

具體的硬件主要有:采用MSP430 單片機(jī)作為小車的微處理器;超聲波傳感器采用TCT40-16F/S(收/發(fā));測(cè)溫部分使用18B20 測(cè)出當(dāng)前的環(huán)境溫度用以判斷出超聲波傳播的速度;電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298 芯片，用施加其Enable 腳的PWM 波實(shí)現(xiàn)智能小車的速度控制。

2.2 直流電機(jī)的伺服控制

智能小車的控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是控制智能小車上的2 個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。智能小車的任務(wù)是接收來自傳感器的信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)預(yù)先編好的程序向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令。因?yàn)橹悄苄≤囀且罁?jù)傳感器所得信息，經(jīng)過單片機(jī)處理，即時(shí)作出反應(yīng)，要求智能小車具有實(shí)時(shí)性和機(jī)動(dòng)性，所以直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制必須是伺服控制。

本環(huán)節(jié)以PWM 功放電路為驅(qū)動(dòng)器，以光電編碼器為反饋元件來構(gòu)成電機(jī)伺服系統(tǒng)。其中位置、速度、電流等調(diào)節(jié)器的功能由微處理器來完成，速度反饋由計(jì)算機(jī)編程根據(jù)位置反饋量計(jì)算出來。全數(shù)字伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 全數(shù)字伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛的就是H 型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路可以 很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的4象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。它的基本原理圖如圖5 所示。

圖5 H 型橋式驅(qū)動(dòng)電路

2.3 H 型橋式驅(qū)動(dòng)電路

全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4 只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S4 為一組，S2、S3 為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S4 導(dǎo)通時(shí)，S2、S3關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng);當(dāng)S2、S3 導(dǎo)通時(shí)，S1、S4 關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。

2.4 智能小車系統(tǒng)主程序框圖

智能車的運(yùn)行控制是根據(jù)路徑識(shí)別和車速檢測(cè)所獲得的當(dāng)前路徑和車速信息，控制舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，從而調(diào)整智能車的行駛方向和速度［14］?？刂?系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于keil 3.0 編程環(huán)境，使用C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。圖6 為控制系統(tǒng)軟件流程圖。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

在多障礙物環(huán)境中避障行駛的軌跡如圖7 所示，圖中虛線表示智能車輛運(yùn)行軌跡，方塊表示障礙物(15 cm×30 cm)。智能車的參數(shù)為輪距d =15 cm，前輪最大轉(zhuǎn)角αmax=360°，最大速度vmax=4.5 m/s，最小速度vmin=0.1 m/s，采樣間隔為0.02 s。

智能車輛同時(shí)探測(cè)到多個(gè)障礙物，根據(jù)距離判斷是否對(duì)自身運(yùn)行構(gòu)成影響，障礙物間的距離是否可以通過，啟動(dòng)避障程序，避過多個(gè)障礙物，安全通過了障礙區(qū)，達(dá)到了預(yù)期效果［15］。智能車結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。

圖6 主程序框圖

圖7 多障礙物環(huán)境行駛軌跡

圖8 智能車結(jié)構(gòu)圖照片

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合了超聲波傳感器可以使智能車輛實(shí)現(xiàn)避障功能，提高在不確定環(huán)境中行駛的可靠性。本文給出了超聲波探測(cè)模型以及智能小車的總體設(shè)計(jì)，能夠在未知障礙物環(huán)境中準(zhǔn)確探測(cè)，并及時(shí)避障。經(jīng)過實(shí)際的測(cè)試，智能小車實(shí)現(xiàn)了避障要求，并且在行駛中具有較高的可靠性。

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