謝智陽 ， 譚 勇

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000；2.河源市工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣東 河源 517000）

一直以來，智能小車、循跡小車都是機器人基礎(chǔ)領(lǐng)域研究的熱點，如文獻［1］將智能小車應(yīng)用于機器人巡邏領(lǐng)域，然而良好的移動性能應(yīng)需具備在直線賽道時快速穩(wěn)定運行，在遇到各種彎道時能平穩(wěn)快速通過，為此需在小車的機械機構(gòu)、動力驅(qū)動和控制算法上進行優(yōu)化設(shè)計。文獻［2-4］運用模糊控制策略在智能車控制中取得了一定的控制效果，文獻［5］將灰色PID控制算法應(yīng)用于智能車控制系統(tǒng)。然而眾多研究中卻忽略了PWM驅(qū)動頻率和傳感器的安裝位置對智能小車控制的影響。本文以Arduino Uno為控制核心設(shè)計了4輪驅(qū)動循跡小車，重點在這兩個方面進行了實驗研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖見圖1。該系統(tǒng)以Arduino UNO單片機為控制核心，主要由14V電池、DC-DC可調(diào)降壓模塊、電機驅(qū)動模塊BTS7960、黑皮電機、光電傳感器、紅外傳感器和車體組成。由于系統(tǒng)采用了4輪電機進行驅(qū)動，因此選用了相對高電壓和大容量的14V電池模塊，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。14V電池模塊經(jīng)DC-DC可調(diào)電壓模塊降壓后給單片機系統(tǒng)和傳感器等部件供電。

1.1 驅(qū)動模塊設(shè)計

本文采用BTS7960芯片組成的全H橋驅(qū)動模塊來驅(qū)動黑皮電機，在電路中加裝了光耦器件以減少驅(qū)動對單片機的干擾沖擊，使單片機可以正常穩(wěn)定工作。該電機模塊在緊急制動、驅(qū)動方面具有良好的使用效果。

1.2 直流電機選型

電機是小車主要的動力裝置，步進電機和直流電機是市面上主要的兩種驅(qū)動電機。步進電機的優(yōu)點是對速度跟移動距離的控制更加精準，但最大的缺點是移動速度相對緩慢，沒有直流電機速度快；一般的直流電機，速度雖快，但扭矩不夠，容易造成空轉(zhuǎn)。因此本文采用GM25-370黑皮微型直流減速電機 （減速比1∶20），空載轉(zhuǎn)數(shù)參數(shù)為490r／min、0.3A，較大的扭矩可以適應(yīng)復(fù)雜路段，具有較強的動力及制動性能。

1.3 循跡模塊設(shè)計

循跡傳感器用于檢測賽道的信息，其前瞻性和檢測精度是影響小車的過彎性能和速度的重要因素。本文選用5路紅外循跡模塊，為了讓小車具有較好的前瞻性，在小車設(shè)計上采用的是短軸距的設(shè)計理念，將小車的循跡模塊前移5～7cm，這樣可以讓系統(tǒng)提前獲取賽道信息并進行預(yù)判，更容易在彎道中提前轉(zhuǎn)彎，走出最優(yōu)路徑。模塊安裝距離車輪較短，會導(dǎo)致小車反應(yīng)時間過短，預(yù)判性不強，性能較差；模塊安裝距離車輪較長，會導(dǎo)致在上坡時發(fā)生剮蹭，到達坡頂時亦會丟失信號，導(dǎo)致小車失控。本文采用“八”字形對傳感器進行非均勻分布布局，中間密兩邊疏，以提高檢測的連續(xù)性，利于算法控制，具體布局見圖2，模型3D設(shè)計圖見圖3。

圖2 5路循跡模塊安裝位置圖

圖3 智能小車設(shè)計模型圖

1.4 轉(zhuǎn)向策略

本文所設(shè)計的小車并無轉(zhuǎn)向機構(gòu)，需要通過4個輪子的差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。以單片機為控制核心，5路循跡模塊、電機驅(qū)動模塊和黑皮電機形成閉環(huán)控制，該閉環(huán)的輸入為5路循跡模塊對路徑判別經(jīng)模糊控制處理后輸出PWM所需的值，控制電機驅(qū)動模塊直接驅(qū)動4個輪子的電機。以小車的位置情況作為賽道路線判別反饋給單片機，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，具體策略見圖4。

圖4 智能小車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖

小車在賽道行駛過程中，要求精準控制轉(zhuǎn)彎角度，本文通過4個黑皮電機差速控制實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向，針對小車轉(zhuǎn)彎角度θ有：當θ＞0時，左電機反轉(zhuǎn)，右電機稍微減速，小車向左轉(zhuǎn)向，u左＜u右；當θ＜0時，右電機反轉(zhuǎn)，左電機稍微減速，小車向右轉(zhuǎn)向，u左＞u右；當θ=0時，左右電機同速運行，直向行駛，u左=u右。

2 小車控制程序設(shè)計

2.1 循跡傳感器映射

通過5路循跡模塊上的LED指示燈工作狀態(tài)判斷小車的實際路徑探測情況。為了能更加準確地判斷出小車的運動狀態(tài)，制定了LED指示燈與小車運動狀態(tài)對照表，見表1，用于后續(xù)的編程實現(xiàn)。

表1 小車運動狀態(tài)對照表

2.2 總體控制流程

為了避免多個if語句來判斷是否接收信號帶來的延遲，本文采用switch語句，可以從性能上提高小車的控制實時性，對5路循跡傳感器采集的路徑信息進行加權(quán)求和，并將結(jié)果賦值給Possum，通過判斷Possum的值選擇性執(zhí)行相關(guān)的子程序，具體控制流程見圖5。

圖5 系統(tǒng)程序框圖

本文的試驗賽道中有直道、普通彎道、大彎道、S型彎道和上下坡等情況，賽道情況復(fù)雜，單一的控制方式難以獲得良好的控制效果，需對各種彎道調(diào)試出小車的控制程序及相關(guān)的PWM參數(shù)值。

3 系統(tǒng)的測試與分析結(jié)果

3.1 調(diào)試PWM頻率

直流電機的PWM調(diào)速方式大致可分為3種，分別是調(diào)頻調(diào)寬法、定寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法［6-9］。定頻調(diào)寬法是目前最常用也是最有效的方法，本文用此方法對驅(qū)動電機進行調(diào)速，PWM調(diào)速策略除了受占空比的影響之外，PWM信號的頻率亦會對電機的調(diào)速產(chǎn)生較大的影響，因此首先需通過試驗獲得PWM調(diào)速的最佳頻率，然后再通過調(diào)整PWM的占空比實現(xiàn)對電機的調(diào)速。

經(jīng)實驗測試，驅(qū)動電機的PWM頻率小于150Hz時，小車速度抖動明顯，PWM頻率大于500Hz時，小車行駛速度隨著頻率的增高而下降。本文最終確定PWM的頻率為490Hz，小車在該頻率點工作平穩(wěn)，控制效果較好。

3.2 循跡傳感器前瞻性對差速轉(zhuǎn)向的影響

經(jīng)測試，小車在低速的時候穩(wěn)定性良好，當車速高于一定值時，小車時常沖出賽道。在此背景下，本文通過實驗研究了傳感器安裝距離對小車差速轉(zhuǎn)向的影響，為此，設(shè)定了3種實驗方案，運用相同的控制方法沿賽道跑3圈，并記錄運行3圈的時間，觀察小車沿黑線行駛性能，在失誤的地方做標記。

1）方案1：傳感器與車前輪的距離為5cm，輪胎使用65mm的抓地胎。

2）方案2：傳感器與車前輪的距離在5cm的基礎(chǔ)上加長5～7cm，輪胎使用65mm的抓地胎。

3）方案3：傳感器與車前輪的距離在5cm的基礎(chǔ)上加長10cm，輪胎使用65mm的抓地胎。

測試數(shù)據(jù)如表2所示，各種過彎的軌跡圖如圖6所示。實驗表明，方案2取得了最佳效果。

3.3 坡道試驗分析

由于循跡傳感器前瞻過長，在坡頂時，小車容易接收不到信號，導(dǎo)致飛出賽道。實驗結(jié)果表明，適當?shù)卦黾有≤嚨那罢靶?，小車能以較快的速度穩(wěn)定地通過各種彎道，并且運行軌跡非常理想，小車始終沿著賽道中心線的位置運行。在速度較快時，有效緩解了電機響應(yīng)速度慢和轉(zhuǎn)彎不連續(xù)的缺點，同時增加了控制的實時性。圖7為小車上坡檢測距離圖。

表2 實驗數(shù)據(jù)表

圖6 3種方案過彎軌跡圖

圖7 小車上坡檢測距離圖

4 結(jié)論

本文以Arduino單片機為控制核心，闡述了4輪小車的硬件設(shè)計思路和軟件控制策略，并得出了部分模塊的參數(shù)、硬件布局和系統(tǒng)軟件設(shè)計流程，實驗分析了PWM技術(shù)對黑皮電機調(diào)速性能的影響，以及分別從3個實驗方案實驗測試了傳感器布局和前瞻性對循跡小車差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響。實驗得出了最佳的PWM控制頻率和最優(yōu)的傳感器布局距離，有效增加小車控制的實時性、響應(yīng)性，運行速度較快且很穩(wěn)定。本文給出的研究方法能有效提高循跡小車控制效果，是提高比賽成績的有效策略。