許芝龍

摘 要：本文利用電磁原理對(duì)基于電磁傳感器自識(shí)別道路的智能汽車尋跡檢測(cè)裝置進(jìn)行理論研究，在MC9S12系列單片機(jī)控制核心基礎(chǔ)上對(duì)智能汽車的控制系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行分析，完成了可以自識(shí)別路徑的控制原理方案、包括信號(hào)控制電路的設(shè)計(jì)和制作在內(nèi)的硬件設(shè)計(jì)。最后以嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具軟件Codewarrior為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以增量式PID控制與模糊控制相結(jié)合，完成微縮智能車模型控制系統(tǒng)的程序算法的實(shí)現(xiàn)。本文為電磁在道路自識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和工程實(shí)現(xiàn)方法，也為同類電氣自動(dòng)化產(chǎn)品在自識(shí)別路徑與尋跡中提供了分析方法和思路。

關(guān)鍵詞：微縮智能車模型；模糊控制；硬件實(shí)現(xiàn)；軟件實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

智能汽車指的是利用多種傳感器和智能公路技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的汽車，通常具有自動(dòng)駕駛、自動(dòng)變速和自動(dòng)識(shí)別道路的功能。車內(nèi)的各種輔助設(shè)施也實(shí)現(xiàn)電腦自控化。世界上許多研究機(jī)構(gòu)早已關(guān)注智能交通系統(tǒng)（ITS）方面的研究工作，同時(shí)已經(jīng)研發(fā)出了一些智能化車輛的原型，并進(jìn)行了一些路面測(cè)試。智能化原型車研發(fā)過(guò)程得益于機(jī)械、電子、現(xiàn)代傳感器、信號(hào)處理技術(shù)、現(xiàn)代控制及人工智能等交叉學(xué)科的相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的綜合運(yùn)用，并從交叉學(xué)科中得到許多新觀點(diǎn)、新思路、新方法。智能小車是未來(lái)智能車輛的縮微模型。除機(jī)械結(jié)構(gòu)外，其控制系統(tǒng)、控制原理和控制方法的實(shí)現(xiàn)是一致的。

本文基于電磁傳感器原理對(duì)路徑自識(shí)別智能車微縮模型中的電源電氣、信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和制作。

1 智能汽車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與構(gòu)成

微縮智能車的自識(shí)別路徑為道路中心線下的漆包線，該漆包線電線中通有20kHz交變電流，由交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)導(dǎo)引智能車沿著道路行駛。漆包線的直徑為0.1mm～0.3mm，交流電流的頻率范圍：20kHz±2kHz；交流電流大小范圍：50mA～150mA。其交流電頻率確定依據(jù)主要為：在頻譜上可以有效地避開(kāi)周圍通用的其他磁場(chǎng)的干擾。

1.1 微縮智能車模型硬件系統(tǒng)

微縮智能車模型系統(tǒng)由一系列的硬件組成，包括組成車體的底盤、輪胎、舵機(jī)裝置、道路檢測(cè)裝置、馬達(dá)裝置、測(cè)速裝置和控制電路板等。微縮智能車模型的尺寸360mm×400mm，舵機(jī)型號(hào)為Futaba S3010；智能車為后輪驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為RS380-ST/3545。

1.1.1 微縮智能車模型道路檢測(cè)裝置計(jì)算

鑒于其信號(hào)特點(diǎn)，本文所選擇的道路檢測(cè)裝置是安裝在汽車前方20cm、距地面20cm處的一組電感，并根據(jù)電流的大小確定出智能車模型距離該漆包線的距離。本文選取8個(gè)傳感器水平布置?，F(xiàn)取左右兩端最外處的電感傳感器研究計(jì)算。

假定兩個(gè)線圈的距離為L(zhǎng)，兩個(gè)線圈的軸線為水平，高度為h，并定義坐標(biāo)系：沿著智能車的前進(jìn)方向?yàn)閆軸，在路徑平面內(nèi)垂直于道路的中心線為X軸，垂直道路往上為Y軸，且X、Y、Z軸滿足右手法則，如圖1所示。左邊的線圈的坐標(biāo)為（x，h，z），右邊的線圈的位置（x-L，h，z）。由于磁場(chǎng)分布是以Z軸為中心的同心圓，所以在計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)候僅需考慮坐標(biāo)（x，y）。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E是位置x的偶函數(shù)。如圖2所示，從該關(guān)系中只能夠反映到水平位置的絕對(duì)值x的大小，無(wú)法分辨?zhèn)鞲衅髟趯?dǎo)線的左側(cè)還是右側(cè)。為此本文使用相距長(zhǎng)度為L(zhǎng)的兩個(gè)感應(yīng)線圈，計(jì)算兩個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值：

（1）

為此，可以通過(guò)差值Ed對(duì)于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而確保兩個(gè)線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。通過(guò)改變線圈高度h、線圈之間距離L可以調(diào)整感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小以及位置檢測(cè)范圍。

1.1.2 信號(hào)選頻放大及電路的實(shí)現(xiàn)

使用電感線圈對(duì)路徑中電磁場(chǎng)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)外，其周圍的交變磁場(chǎng)同樣也會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。為此需要進(jìn)行選頻，以去除其他干擾信號(hào)的影響，確保智能車輸入準(zhǔn)確信號(hào)。

實(shí)現(xiàn)選頻電路，本文采用單管共射交流放大電路。同時(shí)，通過(guò)對(duì)有無(wú)諧振電容的電路輸出感應(yīng)電壓進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)：增加有諧振電容之后，感應(yīng)線圈兩端輸出感應(yīng)20kHz電壓信號(hào)不僅幅度增加，而且有效排除了其他干擾信號(hào)。這樣無(wú)論導(dǎo)線中的電流波形是否為正弦波，由于本身增加了諧振電容，所以除了基波信號(hào)之外的高次諧波均被濾波除掉，只有基波20kHz信號(hào)能夠發(fā)生諧振，輸出為20kHz的正弦波。其對(duì)比波形圖如3所示。

1.2 控制核心及控制信號(hào)輸入

本課題中的微縮智能汽車模型使用微控制器（MCU）是Freescale飛思卡爾公司推出的S12系列單片機(jī)MC9S12XSl28。該微控制器有PWM（脈沖寬度調(diào)制）模塊、ECT模塊、SCI模塊、SPI模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、EEPROM模塊和FLASH模塊共7個(gè)模塊。其中PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)制波有8個(gè)輸出通道，每一個(gè)輸出通道都可以獨(dú)立地進(jìn)行輸出。

在該微縮智能車中，基本的輸入控制信號(hào)有路徑檢測(cè)信號(hào)裝置、速度反饋裝置、啟停自動(dòng)識(shí)別裝置。這些微縮智能汽車傳感器再加上電源模塊就構(gòu)成了控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入，在這些輸入信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制算法就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能汽車的控制，其輸出表現(xiàn)形式為智能汽車的路徑識(shí)別、車速、啟動(dòng)與停止。這樣就構(gòu)成一個(gè)控制回路圖，其控制系統(tǒng)的模塊框圖如圖4所示。

2 道路自識(shí)別智能汽車控制方法研究

2.1 電磁傳感器采集信號(hào)的處理

該微縮智能車使用電磁傳感器獲取的感應(yīng)電流為路徑自識(shí)別信號(hào)。該信號(hào)由電感傳感器直接輸入微控制器的A/D接口，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將感應(yīng)交變電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。為有效避免信號(hào)中的干擾信號(hào)，準(zhǔn)確地從電感傳感器中獲取真實(shí)信號(hào)的最好辦法是多路采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

有一個(gè)可為微縮智能汽車速度和方向提供控制的可使用數(shù)據(jù)為：連續(xù)采集5個(gè)～10個(gè)周期的電流信號(hào)（由于該智能車采用8個(gè)傳感器，如果采集10個(gè)周期，則有80個(gè)數(shù)據(jù)），獲取信號(hào)的峰值就可以直接在采集的80個(gè)數(shù)據(jù)中用信號(hào)最大值減去最小值。公式表達(dá)為：假定80個(gè)數(shù)據(jù)為xi，i=1，2，…80，則信號(hào)的峰值Vp按下式計(jì)算：

（2）

但該方法獲取的峰值僅考慮了一組數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。僅通過(guò)這兩個(gè)值并不能準(zhǔn)確反映車輛偏離軌道的準(zhǔn)確位置，而且該最大值和最小值如果收到干擾信號(hào)的干擾，則會(huì)發(fā)生控制偏離。因此，還可以將獲取的一組交流信號(hào)的平均值、有效值綜合考慮信號(hào)的幅值。

2.2 控制方法簡(jiǎn)述

鑒于信號(hào)的特征、軌跡的隨機(jī)性，本文采用將PID控制和模糊控制方法相結(jié)合的辦法來(lái)對(duì)智能汽車進(jìn)行控制。

在微縮智能車中，整個(gè)控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制，滿足PID控制的基本條件。雖然感應(yīng)磁場(chǎng)為連續(xù)信號(hào)，但由于電感傳感器采集并傳輸至微控制器的信號(hào)為離散信號(hào)（定時(shí)對(duì)連續(xù)信號(hào)感應(yīng)電流采集），所以在該智能車中只能采用增量型的PID控制方法。

同時(shí)，本文采用模糊控制方法，根據(jù)智能車所行駛的軌跡推斷下一個(gè)路徑特點(diǎn)。比如在彎道中，當(dāng)智能車已經(jīng)識(shí)別當(dāng)前在彎道中行駛時(shí)，則會(huì)采用模糊控制理論，對(duì)舵機(jī)的方向控制增大輸出PWM（脈沖寬度調(diào)制）值，從而進(jìn)行自識(shí)別彎道處理。再如，當(dāng)智能車自識(shí)別當(dāng)前所行駛的路段彎曲度較小，則會(huì)對(duì)速度的控制增大PWM值，以提高智能車的行駛速度。

當(dāng)模糊控制獲得智能車已經(jīng)處于彎道行駛信息時(shí)，此時(shí)，就需要對(duì)其進(jìn)行減速控制，其減速控制通過(guò)調(diào)整目標(biāo)速度Vm達(dá)到。具體的減速情況隨智能車的調(diào)試和彎道的劇烈程度不同而不同，這些計(jì)算值的獲取以及對(duì)彎道行駛狀態(tài)的判別等信息均采用模糊控制算法，其控制的具體參數(shù)由實(shí)際對(duì)智能車進(jìn)行調(diào)試行駛獲得。對(duì)此典型的算法為：

設(shè)方向偏離的差值為Dr：

0≤ Dr

a2≤ Dr

其中，對(duì)目標(biāo)速度值K1、……、Kn的設(shè)定需要根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)由模糊控制獲得；而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)速度的調(diào)整、彎道方向的調(diào)整則需要采用PID控制方式實(shí)現(xiàn)。

3 道路自識(shí)別智能汽車控制程序?qū)崿F(xiàn)

本課題通過(guò)對(duì)以上所列外部信息進(jìn)行輸入，在微控制器上基于CodeWarrior平臺(tái)采用C語(yǔ)言程序以PID控制算法和模糊控制算法為控制算法基礎(chǔ)完成對(duì)智能車的控制。

3.1 MC9S12XSl28 A/D轉(zhuǎn)換模塊初始化

A/D轉(zhuǎn)換模塊有模擬量前端、模擬量轉(zhuǎn)換、控制部分及結(jié)果存儲(chǔ)等四部分組成。其中模擬前端包括多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、采樣緩沖器、放大器等，結(jié)果存儲(chǔ)部分主要有8個(gè)16位的存儲(chǔ)器和反映工作狀態(tài)的若干標(biāo)志位。結(jié)合本課題中對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊所使用的情況，對(duì)其寄存器進(jìn)行初始化。限于篇幅原因其程序本文不做闡述。

3.2 控制程序的實(shí)現(xiàn)

在對(duì)之前所述的控制算法進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，需要對(duì)微控制器各個(gè)使用模塊進(jìn)行初始化。其模塊初始化程序包括：（1）完成微控制器CPU總線時(shí)鐘60M定義；（2）ICO1輸入捕捉初始化；（3）使定時(shí)中斷產(chǎn)生5ms一次的中斷；（4）A/D采樣程序，多通道采集，從0通道開(kāi)始采樣在5通道采樣后返回；（5）PWM初始化，67通道級(jí)聯(lián)PP7輸出給舵機(jī)，45通道給電機(jī)，1通道正轉(zhuǎn)，5通道反轉(zhuǎn)；（6）SCI初始化，以便使用串口傳回?cái)?shù)據(jù)。

限于篇幅，本文僅提供部分控制程序，具體程序如下：

void speed（void）

{int dsp； dsp=spdset-speed_back；

if（（road[0]<6&&road;_f[1]>6）||（road[0]>13&&road;_f[1]<13））//入彎減速

{PWMDTY1=60sensor_1（）；sensor_1（）；}

else if（dsp>=30）{PWMDTY1=spdset+25；PWMDTY5=0；

……

else if（dsp<0） {PWMDTY5=spdset-30；PWMDTY1=0；}

結(jié)論

本文基于MC9S12系列單片機(jī)控制核心，討論了該控制核心的外圍接口電路，完成了可以自動(dòng)識(shí)別路徑的控制原理方案、包括信號(hào)控制電路的設(shè)計(jì)和制作在內(nèi)的硬件設(shè)計(jì)。進(jìn)一步以嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具軟件Codewarrior為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將增量式PID控制與模糊控制相結(jié)合，完成微縮智能車模型控制系統(tǒng)的程序算法實(shí)現(xiàn)。為電磁在道路自識(shí)別系統(tǒng)中的運(yùn)用提供了理論依據(jù)和工程實(shí)現(xiàn)方法，也為同類電氣自動(dòng)化產(chǎn)品在自識(shí)別路徑與尋跡中提供了分析方法和思路。

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