劉晉澤，朱燕紅

(1.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，湖南 長沙 410073)

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電磁導(dǎo)引智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)

劉晉澤1，朱燕紅2

(1.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，湖南 長沙 410073)

以全國大學(xué)生飛思卡爾杯智能汽車競賽為背景，介紹了一種基于電磁導(dǎo)引的自主尋跡智能小車系統(tǒng)。綜合考慮電磁組的各種復(fù)雜賽道元素，設(shè)計了“四橫兩斜”的混合線圈排布方案，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于分段擬合建模與動態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法。試驗結(jié)果表明，該方法具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，電磁小車可針對不同路徑高速穩(wěn)定地運行。

智能車；電磁導(dǎo)引；賽道識別；自主尋跡

0 引言

全國大學(xué)生智能汽車競賽以汽車電子為背景，設(shè)計內(nèi)容涵蓋了自動控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、計算機、機械、能源等多個學(xué)科知識，其研究對培養(yǎng)學(xué)生的知識融合與實踐動手能力、創(chuàng)新意識與挑戰(zhàn)精神具有良好的推動作用[1]。

一個完整的智能車系統(tǒng)包括環(huán)境感知、規(guī)劃決策和運動控制三大部分，其功能分別相當于人類的眼睛、大腦和四肢。其中環(huán)境感知的可靠性和準確性對智能車的整體控制起著關(guān)鍵作用，其感知檢測結(jié)果是實現(xiàn)智能車運動控制的前提。

根據(jù)智能車競賽規(guī)則，電磁組的賽道中心敷設(shè)有一根通有20 kHz、100 mA交變電流的電磁導(dǎo)引線，智能車利用電磁感應(yīng)原理檢測其產(chǎn)生的交變磁場，以此來判斷路徑并控制小車沿著賽道行駛[2]?？紤]到20 kHz交變電流所產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻電磁波，通常選用10 mH的工字電感線圈作為電磁傳感器，并將導(dǎo)線周圍變化的磁場近似為緩變磁場，按照檢測靜態(tài)磁場的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場分布。

為敘述方便，本文建立了如圖1所示車體坐標系：假設(shè)以小車前進方向為z軸，平行于賽道且與z軸垂直向左為x軸，垂直于xz平面向上為y軸，xyz軸滿足右手定則。同時約定文中提到的“小車與賽道中心線的偏離距離d”均表示車模前上方排布的左右兩組線圈的中心與電磁導(dǎo)引線的距離。

圖1 車體坐標系、電感布局與賽道三者關(guān)系示意圖

根據(jù)畢奧-薩法爾定律和法拉第電磁感應(yīng)定律，在車模前上方水平排布的線圈，其檢測的感應(yīng)電動勢經(jīng)放大和檢波后，可得到一個直流信號E與水平距離x的關(guān)系，據(jù)此可解算出小車當前的位置偏差。然而采用單水平電感檢測只能反映位置偏差絕對值的大小，無法分辨偏離方向。為了彌補單電感無法分辨左右的問題，可采用雙水平線圈檢測方案[2]，即在車模前上方高度為h的水平方向?qū)ΨQ排布兩個相距L的水平線圈(如圖1所示)，并對兩線圈的感應(yīng)電動勢作差值(簡稱差值法)，據(jù)此可判斷小車的偏離方向和位置偏差。該方法計算簡單，直觀形象，但由于其兩端線性度不高，誤差較大，在復(fù)雜道路環(huán)境下經(jīng)常會出現(xiàn)誤判[3]。究其原因，主要是因為小車在不同賽道元素上行駛時，電感線圈在賽道上的投影與電磁導(dǎo)引線存在夾角θ，從而導(dǎo)致由線圈檢測的感應(yīng)電動勢計算得到的偏離距離與實際存在偏差[4]，尤其是在直角彎等復(fù)雜賽道上容易引起誤判。

為了解決上述問題，在綜合考慮電磁組各種復(fù)雜賽道元素[5]的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于分段擬合建模與動態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法，最終實現(xiàn)了可針對不同路徑、穩(wěn)定快速運行的電磁導(dǎo)引智能小車的制作，并通過大量的實車試驗驗證了本設(shè)計的可行性和有效性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

電磁導(dǎo)引小車總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由主控模塊、傳感器模塊、底層控制模塊、電源管理模塊和人機交互模塊等幾部分組成。主控模塊以MC9S12XS128單片機為核心控制部件，主要負責(zé)完成各種傳感器信息的采集、小車的賽道識別、速度規(guī)劃與運動控制，以及必要的人機交互功能；傳感器模塊主要負責(zé)感知外部世界的環(huán)境信息與小車自身的狀態(tài)信息，如利用電磁傳感器獲取賽道信息、干簧管檢測起始線位置、光電編碼器檢測車模速度等；底層控制模塊負責(zé)執(zhí)行主控模塊發(fā)出的PWM運動控制指令，實現(xiàn)小車的前進與轉(zhuǎn)向；電源管理模塊采用7.2 V/2 000 mAh的鎳鎘電池供電，并通過DC-DC穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換模塊向系統(tǒng)中各功能模塊提供所需的電源電壓；人機交互模塊主要包括撥碼開關(guān)、LED燈、蜂鳴器、鍵盤、液晶顯示器、SD卡、無線通信模塊和BDM調(diào)試模塊等，以方便用戶調(diào)試和監(jiān)控。

圖2 電磁導(dǎo)引智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)軟件如圖3所示，其核心部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)獲取、賽道提取、舵機控制、電機控制等。其中賽道提取是軟件設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是根據(jù)電感線圈檢測信號確定當前賽道的類型和車—路關(guān)系，為小車的方向控制和速度控制提供依據(jù)。而舵機控制就是指賽車的方向控制，它以賽車車體為參考系，通過小車與賽道中心線的位置偏差來設(shè)計增量式PD控制器，以此得到控制舵機的PWM波占空比；舵機驅(qū)動車模前輪轉(zhuǎn)向，使賽車中心線始終逼近電磁導(dǎo)引線。電機控制就是指賽車的速度控制，其期望速度來源于速度規(guī)劃環(huán)節(jié)，實際轉(zhuǎn)速采用光電編碼器檢測，通過設(shè)計增量式的PI控制和BANG-BANG控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)對賽車速度的閉環(huán)控制。

圖3 系統(tǒng)軟件總體框架

3 基于分段擬合與動態(tài)加權(quán)的賽道位置解算

綜合考慮電磁組中的小S彎、大S彎、十字交叉、大回環(huán)、坡道，以及直角彎等各種復(fù)雜賽道元素[5]，本文提出了一種基于分段擬合與動態(tài)加權(quán)的賽道位置解算方法。該方法采用“四橫兩斜”的混合線圈排布方案，具體如圖4所示。圖中，4個水平線圈1～4分別排布在車模前上方左右對稱的-10 cm、-5 cm、5 cm、10 cm處；最外側(cè)對稱排布著傾斜角度為45°的線圈5和線圈6；各線圈檢測到的感應(yīng)電動勢分別用E1、E2、E3、E4、E5、E6表示。

圖4 “四橫兩斜”混合線圈排布方案示意圖(前視圖)

如圖5所示，基于分段擬合與動態(tài)加權(quán)的賽道位置解算方法的基本思想為：首先采集6個線圈的感應(yīng)電動勢(E1～E6)并對其進行比較，當E2或E3最大時，表明小車與賽道的偏離距離d∈[-10 cm,10 cm]區(qū)間，此時將采用四水平線圈檢測的感應(yīng)電動勢E1～E4進行三次多項式擬合，并通過求極值的方法來解算賽道偏移位置d1；而當E1最大時，表明小車與賽道的偏離距離d∈[-20 cm,-10 cm)區(qū)間，此時將利用感應(yīng)電動勢E1，通過離線擬合的線性函數(shù)來解算賽道偏移位置d1；同理，當E4最大時，表明小車與賽道的偏離距離d∈(10 cm,20 cm]區(qū)間，此時也將利用感應(yīng)電動勢E4,通過離線擬合的線性函數(shù)來解算賽道偏移位置d1；與此同時，還要根據(jù)兩側(cè)內(nèi)八字斜電感的感應(yīng)電動勢E5和E6，利用差值法來解算賽道偏移位置，并將其記為d2；最后將d1與d2加權(quán)求和，即可得到最終的賽道偏移位置為:

d≈α·d1+(1-α)·d2

(1)

其中，α為權(quán)重系數(shù)，α∈[0,1]。α的計算公式為：

(2)

式中，T為閾值，其值需根據(jù)實際制作的車模以及賽道的復(fù)雜程度進行確定。為了兼顧直角彎、大回環(huán)等特殊賽道元素，經(jīng)過反復(fù)試驗，本文取T=160。

圖5 基于分段擬合與動態(tài)加權(quán)相結(jié)合的賽道位置解算示意圖

4 實車試驗結(jié)果及分析

為了驗證本文工作的有效性，筆者搭建了一臺實驗用電磁小車,并進行了大量的實車測試。

試驗結(jié)果表明，當小車在直道上行駛時，由于線圈2和線圈3距離導(dǎo)引線較近，感應(yīng)電動勢E2+E3大約在170以上，此時主要由三次多項式擬合來解算賽道位置偏差；而當小車在彎道行駛時，由于線圈2和線圈3偏離導(dǎo)引線，偏離程度越大其感應(yīng)電動勢之和越小，相應(yīng)地α值越小，此時三次多項式擬合的權(quán)重逐漸減小，雙斜電感差值法的權(quán)重逐漸加大。由于雙斜電感差值法對彎道的檢測更為敏感，所以增加了轉(zhuǎn)彎的靈敏性。特別地，當小車行駛至直角彎時，中間兩個線圈的感應(yīng)電動勢之和連續(xù)遞減，相應(yīng)地其權(quán)重也線性遞減，很好地解決了直角彎的連續(xù)性問題。圖6給出了小車在經(jīng)過直角彎的過程中，采用未加權(quán)求和進行賽道位置解算與采用加權(quán)求和進行賽道位置解算的直角彎位置偏差變化對比圖。由圖6可知，采用加權(quán)算法求得的直角位置偏差連續(xù)性增強，有效地減弱了由直道進入直角彎的突變性，從而可以利用位置以及位置偏差的變化量判斷出賽道類型，據(jù)此進行速度規(guī)劃和運動控制。另外還可以避免彎道與直角判斷條件的沖突，增強了算法的環(huán)境適應(yīng)性。

5 結(jié)論

本文以電磁導(dǎo)引智能車為研究對象，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和軟件框架。針對復(fù)雜賽道元素識別問題，提出了一種基于分段擬合建模與動態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法。試驗結(jié)果表明，該方法具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，以此制作的電磁小車可以針對不同路徑快速穩(wěn)定地運行。

圖6 經(jīng)過直角彎道的位置偏差變化圖

[1] 蔡述庭.“飛思卡爾”杯智能汽車競賽設(shè)計與實踐—基于S12XS和Kinetis K10[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[2] 競賽秘書處.電磁組競賽車模路經(jīng)檢測設(shè)計參考方案[EB/OL].(2010-01-10)[2014-11-18].http://www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn/upload_files/atta/1383549442041_32.pdf.

[3] 孫書詠.電磁軌道智能車賽道檢測方法研究[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報，2011,16(6):39-41.

[4] 陳國定,張曉峰,柳正楊.電磁智能車電感排布方案[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016,44(2):124-128.

[5] 競賽秘書處.第十屆全國大學(xué)生智能車競賽競速比賽規(guī)則[EB/OL].(2014-11-13)[2014-11-18].http://www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn/upload_files/file/20141113/1415849436019034624.pdf.

Design and inplementation of the electromagnetic guided smart car

Liu Jinze1，Zhu Yanhong2

(1.School of Information Science & Engineering,Central South University,Changsha 410083,China; 2.College of Mechatronics Engineering and Automation,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

Based on the Freescale smart car competition,a smart car system with the autonomous tracking ability based on the electromagnetic guidance was introduced.Considering of all kinds of complicated road elements in electromagnetic group,the “four horizontal two oblique” mixed coil allocation scheme was designed,and the track position calculating method was proposed,which based on subsection modeling and dynamic weighted fusion.The test results show that the method has a good environmental adaptability,and the electromagnetic smart car can steadily run on high speed for different paths.

smart car; electromagnetic guidance; road detection; autonomous tracking

TP273

A DOI：10.19358/j.issn.1674-7720.2016.19.016

劉晉澤，朱燕紅.電磁導(dǎo)引智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(19)：53-55.

2016-07-12)

劉晉澤(1995-)，通信作者，男，本科生，主要研究方向：通信工程、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。E-mail:464894537@qq.com.

朱燕紅(1985-)，女，碩士，助理實驗師，主要研究方向：控制學(xué)科實驗教學(xué)。