王子豪，李錚，李文良，吳巖

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

智能汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)是汽車行業(yè)發(fā)展的跨時(shí)代標(biāo)志，推動(dòng)汽車行業(yè)走向智能化方向發(fā)展的道路[1]。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)智能汽車的需求也趨于多元化，智能車逐漸成為代替人們?cè)谖ｋU(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行探索和開發(fā)有限資源的重要工具。但單智能車存在不能高效執(zhí)行并行度高且復(fù)雜的任務(wù)的缺點(diǎn)，所以近年來許多學(xué)者展開對(duì)多車協(xié)同系統(tǒng)的研究[2]。為了深入研究多車協(xié)同合作時(shí)遇到的難題，本文基于CH32V307VCT6（CH32）單片機(jī)自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雙車協(xié)同智能控制系統(tǒng)，通過傳感器檢測(cè)距離和藍(lán)牙通信，保持隊(duì)列次序，并設(shè)計(jì)數(shù)字?jǐn)z像頭圖像處理算法和電磁感應(yīng)處理算法，采用無線充電方案，真正實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和高速度的雙車協(xié)同系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要分為三大模塊：道路信息采集與處理模塊；車輛控制與運(yùn)行模塊以及雙車協(xié)同與信息交互模塊。系統(tǒng)通過多傳感器采集道路信息，核心控制器CH32 融合各傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)算法實(shí)現(xiàn)跟蹤控制。雙車協(xié)同模塊能夠?qū)崟r(shí)獲取雙車距離，藍(lán)牙通信交互配合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙車無線充電功能。實(shí)際車模如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

圖2 實(shí)際車模

2 硬件系統(tǒng)電路方案

2.1 電路總體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用以CH32 為核心運(yùn)算的設(shè)計(jì)方案，整套硬件系統(tǒng)可共分為3 大模塊：電源模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊。圖3 是主控芯片原理圖。

圖3 主控芯片原理圖

2.2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，5V 電源選擇TPS7A8001，提供超低壓差，高輸出電流和低地電流；3.3V 電源使用TPS7333，具備超低靜態(tài)電流和睡眠狀態(tài)電流；舵機(jī)采用TPS5450 作為開關(guān)電源，轉(zhuǎn)換效率高，能量損耗小。TPS545 不僅為舵機(jī)提供穩(wěn)壓電源，同時(shí)也作為唯一的前級(jí)電源，作為5V電源和3.3V 電源的輸入。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.3.1 電磁運(yùn)放電路

電磁線的信號(hào)由LC并聯(lián)諧振得到，為模擬信號(hào)，因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)為差分信號(hào)且較小，需要特殊電路進(jìn)行調(diào)理。本系統(tǒng)最終采用雙電源儀表放大器[3]方案，通過直接放大差分信號(hào)實(shí)現(xiàn)效果。同時(shí)系統(tǒng)選擇運(yùn)放檢波方案將信號(hào)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的直流電平。

2.3.2 無線充電發(fā)射端與接收端電路

無線充電方案發(fā)射端如圖4 所示，接收端如圖5 所示。

圖4 充電發(fā)射端電路

圖5 充電接收端電路

2.3.3 驅(qū)動(dòng)板電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，是控制電路的關(guān)鍵，因此本系統(tǒng)選用H橋[4]的全橋電路，使智能車具有優(yōu)秀的控制效果，具有良好的動(dòng)態(tài)性和準(zhǔn)確性。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖6 所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)板電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案分為五大模塊：無線充電、道路信息采集與處理、舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制、電機(jī)速度控制和雙車協(xié)同交互。系統(tǒng)程序流程如圖7 所示，系統(tǒng)初始化各模塊進(jìn)行無線充電，充電完成后進(jìn)行正常的道路信息采集與處理，通過控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能車隊(duì)穩(wěn)定、有序而安全地行駛；識(shí)別到車庫(kù)元素后，前車停在車庫(kù)附近，后車停入車庫(kù)，系統(tǒng)結(jié)束。

圖7 系統(tǒng)程序流程圖

3.1 道路信息采集與收集

本系統(tǒng)選擇MT9V034數(shù)字?jǐn)z像頭作為圖像傳感器，直接采集灰度圖像。本系統(tǒng)先通過簡(jiǎn)單去噪處理降低圖像噪聲的干擾再采用大津法過濾非必要圖像信息。大津法基本的思想是在圖像灰度差異的基礎(chǔ)上，自動(dòng)選取合適的閾值，將圖像分為背景和目標(biāo)兩個(gè)部分[5]。但僅僅使用基礎(chǔ)大津法得到的道路二值化圖像受光線影響較大，本系統(tǒng)采用陽光算法，對(duì)不同區(qū)域采取獨(dú)立大津法計(jì)算，使整體圖像減少腐蝕和膨脹，效果如圖8 所示。

圖8 道路二值化圖像

賽道邊沿的提取是所有識(shí)別的基礎(chǔ)，我們對(duì)賽道邊沿提取時(shí)先從近幾行入手，根據(jù)近處的邊線給定遠(yuǎn)處邊線的尋找范圍，通過閾值判斷找出下一行的準(zhǔn)確邊界，從而提取賽道的中線。最終邊緣提取得到的道路輪廓如圖9 所示。

圖9 道路輪廓圖像

3.2 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制

舵機(jī)控制是控制算法中最重要的方面之一，本系統(tǒng)舵機(jī)的控制采取傳統(tǒng)的PID 控制?；谄畹谋壤?、積分和微分的控制器簡(jiǎn)稱為PID 控制器。是工業(yè)中最常見的一種控制器。由于該控制器算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)，因而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制系統(tǒng)[6]。

數(shù)字PID 控制器在實(shí)際應(yīng)用中一般可分為兩種：增量式PID 控制器和位置式PID 控制器。本系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)的控制采用位置式PID，具體算法實(shí)現(xiàn)公式如式（1）。

PID 公式展示：

式中：Kp為比例時(shí)間系數(shù)；Ki為積分時(shí)間系數(shù)；Kd為微分時(shí)間系數(shù)。

3.3 電機(jī)速度控制

3.3.1 差速系統(tǒng)

大量的研究和實(shí)驗(yàn)表明，較為簡(jiǎn)單的PID 控制差速在汽車高速狀態(tài)下逐漸展現(xiàn)疲態(tài)，而本系統(tǒng)采用的阿克曼轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前四輪汽車較為普遍的差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，擁有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更高的速度上限。阿克曼原理是在忽略汽車質(zhì)心側(cè)偏、汽車行駛過程中的側(cè)向力、橫擺角或者極端的路況下，使每個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡都可以完全符合它的自然運(yùn)動(dòng)軌跡，從而保證輪胎與地面間處于純滾動(dòng)而無滑移[7]。

3.3.2 電機(jī)控制

本系統(tǒng)采用閉環(huán)電機(jī)控制，通過配合編碼器，實(shí)現(xiàn)速度精確控制。具體算法中，電機(jī)速度控制采用了前饋增量式PID 控制方法。

增量式PID 算法在實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、抗干擾能力和參數(shù)調(diào)節(jié)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，適用于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的控制系統(tǒng)。

3.4 雙車協(xié)同交互

3.4.1 交互系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用雙CH9141 藍(lán)牙模塊進(jìn)行通訊，通過藍(lán)牙傳輸協(xié)議發(fā)送信號(hào)實(shí)現(xiàn)前后車的簡(jiǎn)單交互。在通過大量試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)該藍(lán)牙模塊受外部藍(lán)牙信號(hào)干擾較大。為解決該問題，本系統(tǒng)通過設(shè)定獨(dú)有的藍(lán)牙通信包：特殊的幀頭和幀尾，使其傳輸成功率和準(zhǔn)確性大大提高。本系統(tǒng)通過特定的藍(lán)牙傳輸協(xié)議，使得雙車在高速情況下面對(duì)不同的道路元素也能保持有序和穩(wěn)定。同時(shí)為應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件和提高協(xié)作效率，本系統(tǒng)提供一種全新的協(xié)作模式，基于高成功率識(shí)別道路信息的情況，雙車可以通過指令實(shí)現(xiàn)不同元素的不同協(xié)作方式，例如斷路元素脫離跟隨狀態(tài)、環(huán)島元素減小跟隨距離等一系列操作。實(shí)驗(yàn)證明這種全新協(xié)作模式大幅提升了雙車協(xié)作的安全性和效率。

3.4.2 定位系統(tǒng)

本系統(tǒng)通過超聲波測(cè)距和圖像識(shí)別達(dá)到定位后車的位置，主要通過超聲波測(cè)距模塊實(shí)時(shí)獲取前后兩車的直線距離，通過圖像識(shí)別檢測(cè)兩車當(dāng)前的路況信息，再將兩者結(jié)合得到較為準(zhǔn)確的實(shí)際距離。前車實(shí)時(shí)根據(jù)后車的位置和當(dāng)前雙車協(xié)作模式調(diào)整自身速度，使雙車隊(duì)列有序。本系統(tǒng)在特殊道路時(shí)采用UWB 精準(zhǔn)定位[8]。即提高整體安全性能，同時(shí)保證系統(tǒng)流暢性和省電功能。

4 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)際運(yùn)行

雙車系統(tǒng)的研究，是一個(gè)不斷測(cè)試的過程，分析處理以適應(yīng)不同道路狀況。實(shí)測(cè)圖如圖10 所示。測(cè)試不同長(zhǎng)度的道路的行駛情況，記錄實(shí)際情況，測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的缺陷在于隨著路程的增長(zhǎng)，發(fā)生相撞的概率增加[9]，通過修正PID 參數(shù)和完善圖像處理算法，最終完賽率接近90%，雙車速度能達(dá)到2.7m/s，并獲得第十八屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽電能接力組第一名。

圖10 雙車實(shí)際運(yùn)行圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的雙車協(xié)作智能控制系統(tǒng)，通過藍(lán)牙通信使得雙車在高速行駛的情況下面對(duì)不同的道路元素也能保持有序和穩(wěn)定，并且利用阿卡曼轉(zhuǎn)向PID控制，保持較強(qiáng)的魯棒性。此外，基于邊緣檢測(cè)、大津法和貝塞爾曲線[10]等圖像識(shí)別算法和電磁濾波方案，結(jié)合動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整，配合全新的定位協(xié)作模式，使得雙車協(xié)同智能控制系統(tǒng)具備強(qiáng)穩(wěn)定性、高安全性和高速度性的特點(diǎn)。