張 俊，周 暉，王 超，徐榮華，孫小磊，朱松盛

（南京醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇 南京 210029）

智能車輛[1-3]是一種機(jī)器人，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)行駛，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況自主執(zhí)行特定操作。其設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科。智能小車在自動(dòng)控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，如何保證車輛直線行駛，而不是“之”字形行駛、轉(zhuǎn)彎過程如何保證平行行駛，和超車是其中3個(gè)需要解決的基本問題。文中根據(jù)3個(gè)問題分別提出了解決方法，實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果良好。

1 現(xiàn)實(shí)應(yīng)用模擬原理

本文模擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，借助圖1所示跑道（2塊細(xì)木工板拼接而成，離地面高度8 cm，板上邊界線由約2 cm寬的黑膠帶構(gòu)成；虛線由 2 cm寬、長(zhǎng)度為 10 cm、間隔為10 cm的黑膠帶構(gòu)成）實(shí)現(xiàn)如下功能：甲車車頭緊靠起點(diǎn)標(biāo)志線，乙車車尾緊靠邊界，甲、乙兩輛小車同時(shí)起動(dòng)，先后通過起點(diǎn)標(biāo)志線，在行車道同向而行，在超車區(qū)超車，并實(shí)現(xiàn)兩車交替超車領(lǐng)跑功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。小車主要由控制中心（MSP430F149單片機(jī)[4]）、避撞檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)彎線檢測(cè)模塊（兼作彎道糾偏）、直道糾偏檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、簡(jiǎn)易按鍵、nRF905[5]通信接口、電源等組成。

圖1 行駛路線圖Fig.1 Road map

2.1 避撞檢測(cè)模塊

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure

圖3 避撞檢測(cè)模塊Fig.3 Avoid bump detection module

2.2 轉(zhuǎn)彎線檢測(cè)模塊

采用紅外反射收發(fā)對(duì)管來檢測(cè)黑色標(biāo)志線，放置在小車車頭，用于檢測(cè)圖1中的轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線和超車標(biāo)志線，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線照射到平板上，若紅外接收管不能接收到反射回的光線則表示光線全被吸收，則檢測(cè)出黑色標(biāo)志線，從而輸出高電壓，若能接收到反射回的光線則表示檢測(cè)到非黑色標(biāo)志線，輸出低電壓。

2.3 直道糾偏檢測(cè)模塊

行車道40 cm，邊界由2 cm黑膠帶圍成，如果不加防護(hù)措施小車容易滑落。正常如果不加防護(hù)措施，小車容易脫離跑道。由小車側(cè)面兩個(gè)E18-D80NK紅外傳感器[6]進(jìn)行直道中的糾偏，將兩個(gè)紅外避障傳感器分別向外傾斜一定角度，安裝在小車兩側(cè)，如圖 4所示，調(diào)節(jié)紅外避障傳感器的感應(yīng)距離，使避障距離介于傳感器到跑道與傳感器到地面之間，當(dāng)傳感器探測(cè)到跑道時(shí)，輸出低電平，表示小車在跑道上，當(dāng)探測(cè)到地面時(shí)，輸出高電平，說明小車即將脫離跑道，這時(shí)及時(shí)糾偏，確保小車正常行駛。

2.4 通信接口

超車時(shí)，為了確定兩車的位置、及時(shí)調(diào)節(jié)兩車的速度、減少超車時(shí)間，需要使用nRF905在兩車間進(jìn)行無線通信。nRF905是挪威 Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，使用SPI接口與微控制器通信。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是利用PWM波來控制電機(jī)速度，其余端口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

圖4 小車整體圖Fig.4 Car appearance

3 軟件設(shè)計(jì)

小車行駛模式分為：自主模式、跟隨模式。自主模式即前面的車依照事先設(shè)定的速度行駛，并自動(dòng)糾偏。跟隨模式即后車緊跟在前車后面，保持一定距離，并自動(dòng)糾偏。自主模式和跟隨模式能自動(dòng)切換。

3.1 直道糾偏算法

小車行駛過程中，直道糾偏采用兩次糾偏的方式。如果僅采用一次糾偏，如圖5左所示，雖然可以把小車的前進(jìn)方向糾正，但小車整體處在跑道邊緣，偏離跑道中心，在下次出現(xiàn)偏離時(shí)很容易出現(xiàn)來不及糾正而小車已經(jīng)掉落跑道的情況。根據(jù)否定之否定規(guī)律，采用兩次糾偏，在糾正行車方向同時(shí)，調(diào)整小車位置趨向跑道中心。該算法如下：

圖5 兩種直道糾偏算法比較Fig.5 Two straight correction algorithm

直道糾偏的同時(shí)開啟TimerA計(jì)時(shí)；小車離開跑道邊緣時(shí)關(guān)閉TimerA，保存計(jì)時(shí)值：nTurnHold。

繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，時(shí)長(zhǎng)為2*nTurnHold（繼續(xù)保持 2*nTurnHold轉(zhuǎn)彎是為了將小車調(diào)整向跑道中間）；反向轉(zhuǎn)彎，時(shí)長(zhǎng)為nTurnHold（反向轉(zhuǎn)彎是為了糾正小車方向）；恢復(fù)原來的行駛模式。具體流程圖如圖 6所示，先判斷接近的是左或右邊線，做好左右轉(zhuǎn)標(biāo)記，然后以直道兩次糾偏算法進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)左右轉(zhuǎn)標(biāo)記進(jìn)行反方向糾偏。

圖6 直道糾偏流程Fig.6 Correction flow chart in straight

3.2 彎道糾偏算法

采用小車兩邊轉(zhuǎn)速不同、輔以延時(shí)的方法來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，因此延時(shí)時(shí)間是關(guān)鍵。然而，通常在過轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線時(shí)，車身與線不垂直且角度也不固定，如圖7所示。這將造成無法確定一個(gè)固定的延時(shí)值。為此，采用彎道糾偏的方法，確保小車過彎后姿態(tài)可控，該方法流程圖如圖8所示。其中，每輛車配有兩塊對(duì)稱分布于車頭兩邊的轉(zhuǎn)彎線檢測(cè)模塊，當(dāng)其中有一塊檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎線時(shí)，先判斷是左還是右，如果是左邊先檢測(cè)到線則符號(hào)為“+”，否則為“-”，然后立刻打開 MSP430的計(jì)時(shí)器TimerA，計(jì)算兩塊傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎線的時(shí)間差。根據(jù)符號(hào)是“+”或“-”，將上面得到的時(shí)間差以一定比例加/減到固定延時(shí)時(shí)間上，這個(gè)比例無準(zhǔn)確計(jì)算方法，實(shí)際數(shù)值主要根據(jù)跑道的摩擦力，小車速度等客觀條件確定，進(jìn)而得到最終的時(shí)間參數(shù)（即轉(zhuǎn)彎時(shí)長(zhǎng)nVeerTime），轉(zhuǎn)彎函數(shù)調(diào)用此參數(shù)。這樣一種“負(fù)反饋式修正”的方法，能使小車在轉(zhuǎn)彎后基本平行于跑道，且趨向跑道中間。

圖7 過彎模擬圖Fig.7 Turn corner simulation

轉(zhuǎn)彎時(shí)長(zhǎng)：nVeerTime；左、右傳感器探測(cè)到轉(zhuǎn)彎時(shí)間差：nDiffValue；轉(zhuǎn)彎固定延時(shí)值：nStaticTime；比例系數(shù)：fRatio。

nVeerTime=nStaticTime+nDiffValue*fRatio

超車時(shí)需要多次轉(zhuǎn)彎，因而超車標(biāo)志區(qū)設(shè)置多條黑線，可以多次調(diào)整，將保證小車進(jìn)入超車區(qū)后的姿態(tài)最理想。

圖8 彎道糾偏流程Fig.8 Correction flow chart in corner

3.3 超車糾偏算法

到達(dá)圖1中超車區(qū)后，先經(jīng)超車標(biāo)志區(qū)多條線采用類似彎道糾偏方法調(diào)整好小車姿態(tài)。然后，根據(jù)超聲測(cè)距的結(jié)果判斷本車是前車還是后車。若是后車，轉(zhuǎn)彎進(jìn)入超車道，加速超車后返回行車道，發(fā)送無線信號(hào)告知另一車超車已完成，最終恢復(fù)自主模式行駛。若是前車，則減速慢行，等待后車的超車結(jié)束信號(hào)，最終恢復(fù)跟隨模式行駛。超車時(shí)后車進(jìn)入超車區(qū)行駛，前車則在原跑道行駛，只要保證兩車速度差足夠大，就可以保證后車順利超過前車。

具體流程圖如圖 9所示，其中關(guān)鍵是兩車配合的時(shí)間問題，通過無線模塊可以使兩車進(jìn)行同步。小車在直道、轉(zhuǎn)彎、超車過程中，自動(dòng)糾偏將一直運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)自主模式和跟隨模式自動(dòng)切換。

圖9 超車流程Fig.9 Overtaking flow chart

3.4 避撞算法

在直線行駛中，為了防止后車撞上前車，需要使用避撞檢測(cè)模塊來保持車距。本文采用HY-SRF05超聲測(cè)距傳感器測(cè)量?jī)绍囬g距離，并預(yù)設(shè)安全值25 cm。車距大于安全值時(shí)，后車可加速行駛；車距小于安全值時(shí)，則減速。如此，可使得后車跟隨前車，實(shí)現(xiàn)跟隨行駛，但在轉(zhuǎn)彎及超車時(shí)，全部自主行駛，不再跟隨前車，當(dāng)轉(zhuǎn)彎，超車等特例操作結(jié)束后，再恢復(fù)自主行駛/跟隨行駛。避撞算法流程圖如圖10所示。

圖10 避撞流程Fig.10 Avoid bump flow chart

4 結(jié)束語

文中針對(duì)具有引導(dǎo)線環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點(diǎn)問題，采用多傳感器，通過單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)智能小車的路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏的功能，在此基礎(chǔ)上還實(shí)現(xiàn)了車輛的超車功能。在實(shí)際測(cè)試中，運(yùn)行一圈大約需要14.85±1.52 s，小車運(yùn)行穩(wěn)定，在測(cè)試的25圈中未出現(xiàn)掉落的情況。表明效果較好，并易于實(shí)現(xiàn)。

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