林 華， 徐宇寶， 汪 鑫， 吳 瑤， 鄔志軍， 曹昌勇

(皖西學院機械與車輛工程學院, 安徽 六安 230712)

0 引 言

智能汽車競賽中的雙車會車組，兩車要經(jīng)過圓環(huán)、路障、斷路和會車區(qū)等元素并快速穩(wěn)定地完成任務(wù)，其車模設(shè)計制作工作量大，調(diào)試過程也更加繁瑣復雜。陳磊等[1]基于恩智浦MK60并綜合多種傳感器研究了電磁導航智能車雙車通信控制系統(tǒng)，嚴明輝[2]等研究制作了攝像頭組雙車，主要依靠攝像頭獲取賽道的會車區(qū)特征，并討論對比了會車的多個邏輯設(shè)計。林華[3]、喬緯國[4]、林嘉裕[5]等研究了兩輪自平衡車的姿態(tài)融合算法和串級控制等控制研究，一定程度提高了智能車系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。魏磊[6]等研究了三輪車模的電磁傳感器布置方案，研究了系統(tǒng)的彎道側(cè)滑問題等，其主要采用了Ackermann公式和分段式PID相結(jié)合的復合方向控制模式。王能才[7]在LabVIEW中調(diào)用MATLAB對電磁感應線圈在磁場中的特性進行了分析，優(yōu)化了傳感器的排布。都針對當年的規(guī)則對車模和控制算法等進行了研究和實踐，從多個方面提高了車模的綜合性能。本文主要針對攝像頭與電磁導航的兩輪直立車、三輪車以快速性和穩(wěn)定性等目標，對其機械結(jié)構(gòu)、硬件電路和程序算法等進行研究和實踐。

1 整車設(shè)計

1.1 直立車模設(shè)計

直立車的整車系統(tǒng)框圖如圖1所示。整車主控芯片采用恩智浦Kinetics系列單片機K60DN512Z，由電磁傳感器采集賽道信息并通過運算放大器將微弱電磁信號進行倍數(shù)放大來確定賽道位置，由姿態(tài)檢測傳感器采集車身的姿態(tài)信息，由光電編碼器采集車模行走速度信息作為速度反饋信號，由兩個直流電機執(zhí)行速度輸出和方向差速，采用NRF通訊模塊進行雙車之間的通訊，采用按鍵、撥碼開關(guān)、藍牙和上位機等調(diào)試工具。

由于兩輪直立自平衡車其動力學系統(tǒng)具有非線性、多變量等特點[3]，不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配會導致車模質(zhì)量過大、重心分散，會導致車模轉(zhuǎn)動慣量增大，以至于車模在高速過彎時會出現(xiàn)打滑并損失大量速度分量，車模運行的穩(wěn)定性也會大打折扣[8]。所以，為提高車模的加減速性能和高速過彎穩(wěn)定性，須盡量減小總重，在重心設(shè)計上使重心盡量低且相對集中，本車模的創(chuàng)新性做法主要有：電路板設(shè)計上將所有電路設(shè)計在同一個電路板上；車模配件選擇和裝配上盡量減輕重量;部分裝配件采用3D打印件等。

1.2 三輪車模設(shè)計

整體框圖如圖1所示。由CMOS攝像頭與電磁傳感器共同采集賽道信息和邊界識別，角速度傳感器來解算運動的角度，由光電編碼器采集測算電機轉(zhuǎn)速并反饋，車模速度和方向由兩個直流電機執(zhí)行。

由于三輪智能車采用兩輪差速，比傳統(tǒng)舵機轉(zhuǎn)向的四輪車更靈活，轉(zhuǎn)動半徑更小，但又因為是兩輪后驅(qū)，高速運行中的不穩(wěn)定性比四輪車要高，方向控制難度更大，所以對傳感器的靈敏性的要求更高，控制的精度和快速性也更高。三輪車機械結(jié)構(gòu)與重心調(diào)整方面主要存在的問題是：如果重心太過靠前，會導致轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)動半徑過大，后輪失去動力而滑出賽道；如果重心過于靠后，會使車模在加減速時車模抬頭而導致傳感器采集到的賽道信息突變，影響車模高速時的穩(wěn)定性。

針對上述問題，本車模在機械結(jié)構(gòu)等調(diào)整時主要采用的做法有:優(yōu)化一切可以減重的配件，使總重降低；裝配時盡可能緊湊并使整車重心集中于后輪電機兩軸線中間并且重心盡可能降低；輪胎及齒輪等的調(diào)整。

智能車雙車直立車和三輪車實物圖如圖2所示。

圖1 智能車系統(tǒng)整體框圖

圖2 智能車雙車實物圖

2 主控板設(shè)計

為優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)布局，為提高硬件電路本身的可靠性，在主控板的設(shè)計上作了優(yōu)化，主要有[8]：將單片機的最小系統(tǒng)與電機驅(qū)動等電路設(shè)計在一塊PCB上；采用LQFP封裝芯片；單獨的運放電路；芯片供電和信號采集等分別供電。整個系統(tǒng)由7.2V鎳鎘電池供電，電源設(shè)計上采用TPS7350將電池電壓7.2V穩(wěn)壓至5V，用TPS7333將5V穩(wěn)壓到3.3V，給K60、姿態(tài)傳感器、攝像頭和通訊模塊等器件供電。驅(qū)動由IR2104作為驅(qū)動芯片的MOS驅(qū)動電路，整體板中間用74LVC245做隔離，整體板如圖3所示，該板占用空間小，運行穩(wěn)定性高。電磁傳感器用運算放大器將電感采集到的電流信號進行放大，采用OPA2350雙路運算放大器，該運放具有放大倍數(shù)高、失真低、精度高等優(yōu)點，采用TPS7350進行供電，利用可調(diào)電阻來進行放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，電路如圖4所示。

圖3 PCB整體板圖

圖4 運算放大電路圖

3 軟件設(shè)計

智能車系統(tǒng)控制總流程圖如圖5所示，各個模塊初始化開始后進入一個主函數(shù)循環(huán)，在循環(huán)里獲取利用主控芯片對圖像和電磁傳感器采集到的賽道信息并進行處理，然后檢測撥碼的狀態(tài)來決定串口調(diào)試等功能是否使用，循環(huán)的最后是進行起跑線的檢測以決定是否停車，不斷循環(huán)直至結(jié)束。

3.1 速度控制

車模均采用1024線光電編碼器采集車模兩個驅(qū)動輪的脈沖數(shù)經(jīng)過傳動比和車輪直徑計算出當前車模的行駛速度，反饋至單片機進行閉環(huán)，經(jīng)過處理后控制器輸出PWM控制電機以達到各種運行狀態(tài)。

為提高直立車的運行穩(wěn)定性，須避免頻繁加減速，在直立車的速度控制采用增量式PI控制，輔以積分限幅控制和分段控制法，在總體速度控制上采用近勻速運行的思想，經(jīng)調(diào)試可以總體上實現(xiàn)直立車模的高速穩(wěn)定運行，缺點是對于日益復雜的賽道而言速度和穩(wěn)定性往往是不可兼得，需大量調(diào)試。

三輪車速度控制采用增量式PI算法，優(yōu)點是計算量較小，可以快速達到目標速度，這對于追求速度的三輪車而言是必須首要考慮的，但其不足之處是當速度偏差為0時就無法實現(xiàn)增速，同時會出現(xiàn)積分飽和的影響。另外，三輪車的驅(qū)動力和方向控制均來自后輪，因此在行駛過程中會出現(xiàn)速度環(huán)的輸出與方向環(huán)的輸出相互抑制的現(xiàn)象，即在彎道中或者在出彎時會出現(xiàn)突然減速的現(xiàn)象。針對上述現(xiàn)象，這里采用增量式PI算法配合棒棒算法，限制積分飽和和積分分離、比例分段輸出等處理方式，總體上實現(xiàn)了車模的高速運行。

圖5 系統(tǒng)控制總流程圖

3.2 直立與方向控制

在直立車的直立與方向控制中，如何提高整體運行的速度和成功率是主要目標，從以下幾點進行分析研究：

首先必須程序整體執(zhí)行效率要高，在直立車的眾多控制算法中，串級控制的整體執(zhí)行效率高、魯棒性好，本文采用三環(huán)串級控制方案[8]：“速度環(huán)—角度環(huán)—角速度環(huán)”，其中，速度環(huán)是最外環(huán)，角速度環(huán)PID控制是最內(nèi)環(huán)。直立環(huán)采用PD控制、速度環(huán)采用PI控制、方向環(huán)采用PD和補償控制。控制函數(shù)全部在定時器中斷完成，直立環(huán)與PWM輸出需要較高的響應速度，可利用K60的PIT中斷，設(shè)置1ms的中斷時間，并分步實現(xiàn)5ms周期，將直立環(huán)與電機輸出控制在1ms周期中、方向環(huán)10ms控制周期、速度100ms控制周期。

其次在獲取車模姿態(tài)角度方面必須要快和準確，這里采用加速度計和陀螺儀檢測車模運行姿態(tài)的檢測，并采用卡爾曼濾波的方法進行多傳感器信息融合得到姿態(tài)角度等信息?？柭鼮V波比一階互補濾波要更快速和準確[3]。

最后車模自身的方向和賽道位置信息的獲取要準確，這里將電感采集到的車身位置信息、角速度傳感器采集到的偏航角的角速度變化信息與各電機編碼器的方向速度反饋值關(guān)聯(lián)形成多反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)方向的精確快速調(diào)整。實際轉(zhuǎn)角和車身位置的獲取策略：使用電磁桿上四個電感來采集，采集到的電感值利用中值濾波實現(xiàn)雜波等干擾的濾波后，將電感值兩兩作差得到車身位置信息，通過設(shè)定參數(shù)可以將車身位置信息擬合出三個區(qū)間：左、中間和右區(qū)間，分別表示賽道中間電磁線的左方、正上方和右方，且此三個區(qū)間是關(guān)于電磁線對稱的。

3.3 特殊元素處理

會車要處理的元素較多，有圓環(huán)、障礙、斷路等，這些元素特征皆不相同，需要對每個元素進行單獨的處理，以下對一些特殊元素的特點進行分析提出相應的處理方法，提出切實可行的會車的策略并進行實踐。

3.3.1 圓環(huán)算法

圓環(huán)元素的鋪設(shè)是由一條電磁線在環(huán)島中環(huán)繞一圈而成，直徑不一。其特征為：幾何特征是圓環(huán)與直的電磁線相切，主要磁場特征是切點處由兩個同向磁場疊加[6]。一般的處理方法是：用豎直電感來判別入環(huán)特征，其能在入環(huán)切點處有較大的瞬間感應電壓增幅，此時利用算法將水平電感循跡切換為豎直電感來進行偏差的計算，則可使小車進行循跡較平穩(wěn)入環(huán)。缺點是小車在環(huán)內(nèi)時運行時，傳感器的電感值特征不足以區(qū)分環(huán)島特征，導致車模在環(huán)內(nèi)速度較低，浪費了較多時間。

這里針對上述問題，這里調(diào)試了兩種處理方法，第一種是大家常用的，第二種是本實驗室首次提出的。

第一，車模增加姿態(tài)傳感器或角速度傳感器，利用其在環(huán)島過程中的角度和角速度值變化特征(如積分)來區(qū)分環(huán)島判斷車身的姿態(tài)，進行消除環(huán)島標志。優(yōu)點是入環(huán)較易、環(huán)內(nèi)運行快、出環(huán)穩(wěn)定、調(diào)試方便。缺點是增加了傳感器，入環(huán)時有速度波動，若輪胎打滑則在高速入環(huán)時有嚴重偏離車道的風險，試驗中的三輪車使用此方法處理圓環(huán)，取得了較好的效果。

第二，車模只用水平電感來判別入環(huán)。當小車在經(jīng)過圓環(huán)切點時，由于在切點處電感值最大，車體會發(fā)生輕微的橫擺方向振動，這時四個水平電感的電感值會交替發(fā)生變化，通過對各個電感值的變化波形曲線進行分析，可依據(jù)曲線的波峰相位差來判斷是否到達圓環(huán)及所在圓環(huán)的左右方向。調(diào)試中使用此算法可以在不使用垂直電感、在環(huán)內(nèi)不用陀螺儀模塊的信息的情況下能實現(xiàn)循線入環(huán)出環(huán)、波動很小，成功率很高。試驗中的直立車使用此方法處理圓環(huán)，取得了很好的效果。

3.3.2 障礙算法

賽道障礙為一個長方體橫放在賽道上，并且比賽道略寬，電磁線從障礙下方穿過?？刹捎脭z像頭、超聲波距離傳感器等方法來實現(xiàn)障礙檢測。本文利用灰度傳感器檢測賽道障礙的反射光強，可通過公式計算出與前方障礙的距離。這里提出一種方法可以實現(xiàn)車模在不嚴重損失速度的情況下穩(wěn)定繞過障礙。主要思路如下：根據(jù)計算的與障礙的距離擬合出可以有效避過障礙的路徑，路徑可包含三段，檢測到障礙時，向左側(cè)或者右側(cè)打一個固定角度并且通過編碼器算出行駛的路程；當行駛到固定路程時，切換成原方向并直線行駛一小段路程；最后切換到與第一段方向成直角的方向上行駛直至采集到主賽道電感值并循跡完成繞障礙的動作。其中向左側(cè)或者右側(cè)打的固定角度約為30度，為方便調(diào)試可用按鍵來調(diào)整，行駛的距離可用以下計算公式：

S=K·Vad

式中：Vad為紅外傳感器采集的數(shù)值，K為比例值，這里可取K=0.17。

3.3.3 斷路算法

針對斷路特征，由于其圖像特征明顯，采用并調(diào)試了直立車模雙向灰度檢測，即使用兩個灰度傳感器來同時檢測斷路，只有當兩個灰度都檢測到斷路時才處理。三輪車模采用攝像頭和灰度傳感器共同檢測斷路，當攝像頭離斷路1米檢測到斷路時減速行駛，當灰度傳感器再次檢測到斷路時停車等待。這種方法成功率很高，在調(diào)試與比賽中沒有出現(xiàn)失誤。

3.3.4 會車算法

會車的處理方式很多，本算法采取的是會車后三輪車跟隨直立車行走，這樣的處理方法其實會浪費一定的時間，但簡便、可行和穩(wěn)定。雙車的會車算法和處理流程如圖6所示。

三輪車先檢測到斷路時停車等待并同時打開NRF發(fā)送和接收中斷，當直立車模到達斷路時直立車發(fā)送信號給三輪車，三輪車模經(jīng)過一定時間后啟動，跟隨直立車行駛，直到檢測到終點停車；

直立車先到達斷路時，掉頭并進行等待，開啟接收信號，同時開始不斷發(fā)送信號，當接收到三輪車到達斷路時NRF發(fā)出的信號，此時直立開始行駛，并通知三輪車開始準備跟隨行走，直到結(jié)束。

4 結(jié) 語

針對攝像頭與電磁導航的兩輪直立和三輪智能車進行了設(shè)計制作和控制研究，主要有：

1) 從機械結(jié)構(gòu)的總體布局、重心配置、配件選擇等各個方面進行優(yōu)化，為提高車模的高速穩(wěn)定運行打好基礎(chǔ)；

2) 采用多種控制方法相結(jié)合，優(yōu)化采集、處理和執(zhí)行等各環(huán)節(jié)算法，進一步提高了車模運行快速性和穩(wěn)定性；

3) 討論了賽道特殊元素的處理方法并給出了雙車會車策略等。

比賽中，雙車成功會車并通過所有特殊元素，圓滿完成比賽并沖進賽區(qū)決賽，其中直立車速度約2.6m/s。