摘 要：基于恩智浦MK60微處理器、綜合多種傳感器（電磁傳感器、編碼器、nrf24l01、超聲波、干簧管等）對賽道獲取的信息以及雙車本身的狀態(tài)，在賽道上的完成超車以及平穩(wěn)、高速地跑完賽道，也對將來的汽車行業(yè)無人駕駛提出一些寶貴的建議。

關(guān)鍵詞：電磁雙車；通信；模糊控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.122

1 前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的快速發(fā)展，人們的生活要求日益提高，對于汽車的要求也自然越來越高，尤其是無人駕駛這塊，谷歌公司推出的無人駕駛汽車也于2016年發(fā)生車禍，說明谷歌的無人駕駛?cè)匀淮嬖谌毕?，但是汽車的智能控制是未來的一種趨勢。

本文是基于恩智浦Kinetis系列MK60FN1M0VLQ15微處理器的電磁導(dǎo)航智能車雙車通信控制系統(tǒng)的研究。該系統(tǒng)涉及道路識(shí)別、硬件制作、電源管理、算法控制等方面。智能車控制系統(tǒng)是通過傳感器進(jìn)行路徑識(shí)別及路徑規(guī)劃、角色識(shí)別、多等級(jí)輔助駕駛等多功能于一體的綜合控制系統(tǒng)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

（1）核心板模塊：采用恩智浦Kinetis系列MK60FN1M0VLQ15微控制器，以下簡稱K60。我們團(tuán)隊(duì)并沒有把芯片直接嵌入在主板上，而是采用的山外科技提供的最小系統(tǒng)板，這樣的好處就是如果芯片燒了可以及時(shí)更換系統(tǒng)板而不至于更換整個(gè)主板，最終根據(jù)B車模大小確定了主板大小是12cm*5cm的圓角矩形。

（2）電源模塊：K60芯片、電磁傳感器、和電機(jī)模塊等需要5V供電，采用TPS76850芯片來提供穩(wěn)定的電壓。它在壓降非常低的情況下都能工作并且與輸出電流成正比，故十分穩(wěn)定。為保證電機(jī)和主板供電穩(wěn)定，采取兩片TPS76850分別供電的解決方案。采用LM2941芯片給舵機(jī)供電，以LM2941構(gòu)成的供電電路可以提供可調(diào)節(jié)的電壓輸出，保證舵機(jī)在賽道上靈活轉(zhuǎn)向。

（3）舵機(jī)模塊：車模舵機(jī)是SD5舵機(jī)，此款舵機(jī)是特制的品種，工作電壓只能在5.5V以下，有堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，舵機(jī)在堵轉(zhuǎn)后3秒后開始保護(hù)，降低電流，保護(hù)馬達(dá)以及主板正常工作電流200mA，堵轉(zhuǎn)電流800mA，頻率是300HZ。

（4）電機(jī)模塊：車模電機(jī)是RS540電機(jī)，采用四個(gè)mos管（LR7843芯片）組成的“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”來驅(qū)動(dòng)。其中的HIP4082驅(qū)動(dòng)芯片所需的12V電壓通過mc34063芯片升壓得到，理論上是升到12V，但是實(shí)際測試13.8V左右。

（5）電磁傳感器模塊：電磁賽道中間鋪的是通20kHz、50mA的交變電流的銅線，作為車模的引導(dǎo)線。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，變化的電流周圍能產(chǎn)生變化的磁場，再根據(jù)畢奧-薩伐爾定理，電流元在磁場中能激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢。因此車模前瞻采用電感和電容的組合作為傳感器來采集細(xì)銅線上的信號(hào)，電感的作用類似電流元，電容的作用保持信號(hào)穩(wěn)定。信號(hào)的處理是采用AD0832芯片，并將采集的信號(hào)經(jīng)放大后再發(fā)送給MK60處理。

（6）人機(jī)交互模塊：采用撥碼開關(guān)、按鍵和OLED。由于各個(gè)場地的賽道摩擦系數(shù)不一樣，可以將撥碼開發(fā)和四個(gè)按鍵可以形成不同的檔位以適應(yīng)不同的環(huán)境。OLED則可以顯示調(diào)試車模的一些基本輸出，比如采集信號(hào)的輸出、按鍵檔位和PID參數(shù)，和按鍵組合可以實(shí)現(xiàn)微調(diào)，從而使小車的參數(shù)更加精確。

（7）通信模塊：采用NRF24L01作為通信方式和鴛鴦超聲波作為檢測兩車模間距這兩種傳感器來完成雙車之間的超車。賽道內(nèi)有圓環(huán)、十字路口等多種路段來模擬真實(shí)環(huán)境的路況，當(dāng)前面的車模檢測到十字或者圓環(huán)時(shí)，NRF24L01發(fā)出超車信號(hào)的請求，后面的車接收到信號(hào)之后，便選擇超車并完成響應(yīng)標(biāo)志信號(hào)。當(dāng)兩車在直道時(shí)，鴛鴦超聲波測距模塊可以檢測兩車模之間的距離，并調(diào)節(jié)兩車之間的最優(yōu)距離。

3 道路檢測及PID控制算法

電磁傳感器（通常說的是前瞻）垂直離地是25厘米，離車頭水平是30厘米。前瞻是由六路傳感器排成一列而成，最旁邊兩個(gè)是傾斜45度的10mH電感，最內(nèi)的兩個(gè)是水平的電感，還有兩個(gè)分別處于傾斜和水平之間的豎直電感，標(biāo)號(hào)0 4 1 2 5 3。豎直電感檢測十字，其他四路每一路的電感如果在引導(dǎo)線的正上方，則此路的電感值最大，所以根據(jù)這個(gè)來找電感值最大的傳感器，從而判斷小車在賽道上的位置。

小車的位置有5種，0的左側(cè)、0 1之間、1 2之間、2 3之間、3的右側(cè)，這五個(gè)位置的不同就體現(xiàn)在中間兩路電感值的差值，讓舵機(jī)根據(jù)差值的不同來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，經(jīng)過測試，采用位置式PD的控制方法可以得到更好的效果。

PID的思想就是利用真實(shí)反饋的值和期望值之差來精確地穩(wěn)定某個(gè)量。這個(gè)用在電機(jī)上的應(yīng)用很廣泛。在電機(jī)PID調(diào)節(jié)中，根據(jù)編碼器測得真實(shí)速度和你想讓車達(dá)到速度的偏差值來迅速穩(wěn)定系統(tǒng)，再通過藍(lán)牙傳輸?shù)乃俣惹€，根據(jù)這個(gè)曲線的斜率就能判斷系統(tǒng)是否快速達(dá)到穩(wěn)定。

4 模糊控制算法及“點(diǎn)剎”思想

小車的轉(zhuǎn)向以及與電機(jī)配合的實(shí)時(shí)性，用精確的數(shù)學(xué)的模型將其描述出來是一個(gè)非常繁瑣的任務(wù)?？偟膩碚f小車在賽道上只需要三點(diǎn)配合好——電磁傳感器檢測、舵機(jī)轉(zhuǎn)向、電機(jī)動(dòng)力。硬件連接不能有問題。那么就是舵機(jī)的位置式PD和電機(jī)的增量式PI需要適當(dāng)配合。為什么需要模糊PID控制？因?yàn)樾≤囋谫惖郎喜煌恢檬切枰煌腜ID達(dá)到最佳狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候可以根據(jù)位置的不同選取不同的PID，比如直道、大S彎、小S彎、圓環(huán)，調(diào)試出適合這些位置的PID，這個(gè)時(shí)候就叫分段式PID，但是比如在大S彎和小S彎銜接處、直道與彎道的銜接處突然變換PID就會(huì)產(chǎn)生一些意想不到的問題，這個(gè)時(shí)候才引入模糊PID控制。

模糊控制器由模糊化接口、規(guī)則庫、模糊推理、清晰化接口組成。

模糊化接口就是將得到偏差模糊化進(jìn)入一個(gè)論域。

規(guī)則庫包括模糊控制器參數(shù)庫和模糊控制規(guī)則庫。模糊控制規(guī)則建立在語言變數(shù)的基礎(chǔ)上。語言變數(shù)取值為“大”、“中”、“小”等這樣的模糊子集，各模糊子集以隸屬函數(shù)表明基本論域上的精確值屬于該模糊子集的程度。因此，為建立模糊控制規(guī)則，需要將基本論域上的精確值依據(jù)隸屬函數(shù)歸并到各模糊子集中，從而用語言變數(shù)值（大、中、小等）代替精確值。

模糊推理就是將精確的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量有兩種方法：將精確量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)論域上的模糊單點(diǎn)集，精確量X經(jīng)對應(yīng)關(guān)系G轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)論域X上的基本元素?；蛘邔⒕_量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)論域上的模糊子集，精確量經(jīng)對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)論域上的基本元素，在該元素上具有最大隸屬度的模糊子集，即為該精確度對應(yīng)的模糊子集。

清晰化接口推理得到的模糊子集要轉(zhuǎn)換為精確值，以得到最終控制量輸出Y。目前常用兩種精確化方法。最大隸屬度法：在推理得到的模糊子集中，選取隸屬度最大的標(biāo)準(zhǔn)論域元素的平均值作為精確化

（下轉(zhuǎn)第143頁）

（上接第135頁）

結(jié)果。重心法：將推理得到的模糊子集的隸屬函數(shù)與橫坐標(biāo)所圍面積的重心所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)論域元素作為精確化結(jié)果。在得到推理結(jié)果精確值之后，還應(yīng)按對應(yīng)關(guān)系，得到最終控制量輸出Y。

“點(diǎn)剎”思想：首先小車的速度控制必須閉環(huán)控制。上文道路檢測的五個(gè)位置，如果一直檢測位置在12之間，說明小車一直在賽道中間，這時(shí)小車想達(dá)到的速度就是你設(shè)定的的最大速度，小車就在不停的加速，因?yàn)镻ID就是總想達(dá)到算法里的期望速度并維持穩(wěn)定。但是直道之后突然遇到急彎，這時(shí)道路檢測的位置肯定不是直道，是0的左側(cè)或者是3的右側(cè)，這時(shí)開一個(gè)計(jì)數(shù)器，不停的自加反饋的速度，當(dāng)自加的速度累加到算法里設(shè)定的一個(gè)值，然后把這個(gè)計(jì)數(shù)器的值清零，這樣就能明顯地看到一段剎車距離，這個(gè)距離跟設(shè)定的值有關(guān)系，跟急彎的長度也有關(guān)系，需要慢慢調(diào)試。

5 超車停車算法

超車是指在圓環(huán)或者十字的時(shí)候，后面的車超過前面的車，并且不相撞，超車之后依然能安全行駛在賽道上，稱之為超車。

圓環(huán)分兩種，一種是左部分圓環(huán)與右部分圓環(huán)是1：1，另一種是左部分圓環(huán)右部分是3：1。小車入1：1的環(huán)時(shí)的引導(dǎo)線是類似于“T形”，前面的車檢測后必然會(huì)進(jìn)入左邊圓環(huán)或者右邊圓環(huán)，假設(shè)進(jìn)入右邊圓環(huán)，進(jìn)入右邊圓環(huán)就會(huì)停下并通過NRF24L01發(fā)送信號(hào)給后面的車告訴它進(jìn)入了右邊圓環(huán)，后面的車就會(huì)走左邊圓環(huán)。上文的檢測算法中，當(dāng)檢測到“T字形”時(shí)，四路中最大的值是兩邊的電感。當(dāng)后面的車收到信號(hào)，如果它檢測到最左邊的電感最大，自然就會(huì)走左邊，但是如果檢測到最右邊的電感值最大呢，代碼里面就會(huì)強(qiáng)制將左右兩邊的電感值交換，交換后左邊的電感值就是最大的，所以車子仍然會(huì)走左邊圓環(huán)。同理如果前面的車先入左圓環(huán)，后面的車就會(huì)入右圓環(huán)。3：1的圓環(huán)經(jīng)過測試，由于電磁車車身較長，幾乎不能在3：1的圓環(huán)處超車，所以就沒有設(shè)計(jì)。

再說說十字路口超車，道路檢測中的45兩路就是用來檢測十字的，檢測到十字之后會(huì)拐進(jìn)彎道從而讓出賽道并發(fā)送信號(hào)給后面的車，當(dāng)后面的車接收信號(hào)完成超車并發(fā)送完成信號(hào)，這時(shí)之前拐進(jìn)彎道的車接收信號(hào)并回到賽道再發(fā)送完成信號(hào)。經(jīng)過測試，可以實(shí)現(xiàn)兩車在十字路口穩(wěn)定超車。

鴛鴦模塊可實(shí)現(xiàn)測量兩車在直道的車距，兩車車頭和車尾都配備一套鴛鴦模塊，實(shí)現(xiàn)可控距離的解決方案。

6 結(jié)語

本文以恩智浦智能汽車競賽為背景，設(shè)計(jì)了涉及硬件規(guī)劃、電路制作、自動(dòng)測速、算法控制分析等以及機(jī)電、通信等多學(xué)科與一體的的綜合系統(tǒng)，并且鍛煉大學(xué)生的動(dòng)手能力、思考能力、以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

基金項(xiàng)目：2017年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（編號(hào)：201710378252）

作者簡介：陳磊（1995-），男，安徽銅陵人，本科，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。