潘瀟 劉勇 吳文池 劉國華杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院

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光電智能車過彎控制算法的研究

潘瀟 劉勇 吳文池 劉國華
杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院

摘要：針對智能車過彎的穩(wěn)定性問題，本文從賽道信息采集、速度控制、懸掛舵機安裝與控制等方面進行了研究，并提出了一種方向與懸掛舵機控制相結(jié)合的控制算法。通過測試，提升了智能小車過彎時的穩(wěn)定性和靈活性，提高了綜合速度。

關(guān)鍵字：智能車 速度控制 穩(wěn)定性

近幾年來的“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽，規(guī)則不斷調(diào)整，對智能車總體的要求越來越高，主要體現(xiàn)在速度和穩(wěn)定性兩項指標上。因此，對智能車速度與穩(wěn)定性的提升是每一輛參賽小車都要面臨的問題，解決這一問題的有效方法之一是設(shè)計具有高度適應(yīng)性的小車過彎算法。好的算法結(jié)合硬件設(shè)計方案可有效地提升小車的穩(wěn)定性與極限速度。本文提出的方案，主要針對光電循跡智能車，通過對CCD采集的信號的處理、對智能車速度的控制以及對懸掛舵機的控制，來實現(xiàn)智能車穩(wěn)定迅速的過彎。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，此方案由五個部分組成：賽道信息采集部分，采用光電傳感器CCD來實現(xiàn)對賽道信息的采集，CCD有128 個水平感光點，可采集前方的賽道信息。同時，CCD的采集視角寬度由采用的鏡頭決定，分別為 60° 和90°。車速監(jiān)控部分，采用300 或500 線編碼器、PIT 模塊以及脈沖計數(shù)器模塊相互結(jié)合的方式。編碼器架設(shè)在電機處，通過對單位時間內(nèi)編碼器輸出的脈沖計數(shù)，來實現(xiàn)對智能車速度的監(jiān)控。懸掛舵機控制部分，采用安裝伺服電機的方法，可通過控制舵機來控制小車自身的重心。速度控制部分，通過對PWM波占空比的控制，實現(xiàn)對驅(qū)動電機的控制。

2　過彎算法設(shè)計

2.1 算法流程設(shè)計

算法流程，首先采集賽道信息，然后判斷CCD 是否能掃描到黑線，當(dāng)CCD 已經(jīng)掃描不到黑線，若符合彎道丟線的條件，則參考上一次能夠掃描到黑線時的狀態(tài)并結(jié)合彎道的方向?qū)囎舆M行彎道丟線控制，否則控制車子向前直行。若能夠掃描到黑線，則與前幾次采集到的信息結(jié)合，共同判斷前方是否有彎道以及彎道的半徑。在進入彎道前，車子應(yīng)盡快減速到預(yù)設(shè)的速度，同時，在出彎時應(yīng)提早加速。可通過車子與中線的偏差量來設(shè)置車子的理想速度。同時，應(yīng)進行對速度的監(jiān)測，確保車子的當(dāng)前速度與設(shè)置的理想速度相吻合。此外，為提升智能車過彎時的穩(wěn)定性，該算法中加入了對懸掛舵機的控制。

2.2 速度監(jiān)控

本設(shè)計方案采用飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機，該CPU 自帶PIT模塊與輸入捕捉模塊，這兩個模塊聯(lián)合使用時，使單片機記錄一定時間內(nèi)編碼器輸出的脈沖數(shù)。通過單位時間內(nèi)記錄的脈沖次數(shù)，可以計算出智能車的當(dāng)前速度，從而實現(xiàn)對速度的監(jiān)控。同時，為避免采集過程中可能出現(xiàn)干擾，可取一定時間內(nèi)的平均值作為當(dāng)前速度進行計算。

2.3 彎道速度控制

為防止速度過快而造成側(cè)滑或側(cè)翻，在即將駛出彎道時，智能車應(yīng)緩慢提高速度，在保持小車穩(wěn)定性的同時，提高車子的過彎速度。為此，文中提出了一個優(yōu)化過的過彎速度控制算法：V=VB－d×α－（d－d’）×β （1）式中，V 代表車子的目標速度，VB代表車子在直道上的速度，d 代表車子所在位置與賽道中線的偏差量，d ’ 代表上一次掃描時車子所在位置與賽道中線的偏差量，α代表偏差量所乘系數(shù)，β代表本次偏差量與上次偏差量的差所乘的系數(shù)。在車子進彎時，偏差量會逐次增大，上述算法會使車子盡快減速。當(dāng)車子出彎時，偏差量逐次減小，上述算法可使車子逐次加速，減少過彎的時間。經(jīng)過測試，本控制算法可在保持小車穩(wěn)定性的前提下，減少小車經(jīng)過彎道所耗費的時間。在智能車出彎時提前進行加速，也可減少車子在直道加速所花費的時間，從而整體提升智能車的速度。

速度控制算法的主要代碼如下：

Speed_Want=Speed_Data-Speed_Minus*（Steering_Data-Centre_Number）/800；//車子速度隨車子與中線的偏差的增大而減小Speed_Minus_D=modulus（（LX+RX），128）-modul

us（（I_Old_Line+K_Old_Line），128） ；// 入彎提前減速，出彎提前加速

if（Speed_Minus_D＞0）Speed_Want= Speed_Want-Speed_ Minus_D * 10 ；

else Speed_Want=Speed_Want- Speed_Minus_D * 4 ；

2.4 懸掛舵機控制

智能車過彎速度較高時，由于慣性與摩擦力等原因，可能會造成車子向外側(cè)滑或側(cè)翻等情況。為解決這一問題，可在過彎時對懸掛舵機進行控制，對車子施加一個向內(nèi)傾斜的力，來抵消車子過彎時的離心力，從而使車子在更高的速度下平穩(wěn)過彎。懸掛舵機所轉(zhuǎn)的角度，視所過彎道與車子當(dāng)前的速度而定。此外，當(dāng)懸掛舵機所轉(zhuǎn)的角度過大時，也會造成車子過度內(nèi)切，車子甩尾以及車輪翹起等問題。

2.5 過彎丟線

由于光電組所用的CCD只能采集到一條線上的賽道信息，車子在過小半徑的彎道時，可能出現(xiàn)CCD掃描不到黑線的情況，在這種情況下，智能車可能因為無法做出正確判斷而沖出賽道。CCD完全掃不到黑線只有兩種情況，一種是遇到了十字交叉口，另一種是過彎時掃到了外界的背景。兩種情況下CCD采集的圖像如圖3所示，采回的數(shù)值有較大不同。因此，可在CCD未掃空時，記錄CCD掃到白色跑道的數(shù)值，將該數(shù)值與完全丟線后的數(shù)值進行

比較，判斷是否是過彎時的丟線。若是過彎丟線，可使車子保持丟線前的狀態(tài)繼續(xù)前行，直CCD能夠重新掃描到黑線。

3　結(jié)論

本設(shè)計綜合了圖像采集與處理、懸掛舵機控制以及速度控制等方面，具有過彎速度快、穩(wěn)定性高以及魯棒性強等優(yōu)點。其中涉及的控制方法在實際測試中都有較良好的效果，對于提升智能車行駛過程中的速度與穩(wěn)定性的作用顯著。

參考文獻

［1］ 劉嘉豪，劉海剛，張建偉，等.智能車圖像處理與識別算法研究［J］.工業(yè)控制計算機，2014（8）： 19-22.

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