傅真鑫 楊一

摘 要 本文通過恩智浦智能車競賽這一平臺，基于恩智浦MK66FX1M0VLQ18芯片、光電感煙傳感器等硬件，以及循跡算法、歸一化算法、PID算法等設(shè)計出智能巡防報警的智能機器人系統(tǒng)。具有室內(nèi)巡防，火災(zāi)預(yù)警功能。其靈活性好，機警性優(yōu)，在社會火災(zāi)防治中，能很好發(fā)揮其巡防預(yù)警作用。

關(guān)鍵詞 恩智浦智能車;循跡算法;歸一化算法;PID算法

引言

現(xiàn)代社會發(fā)展中，火災(zāi)往往是最普遍威脅公眾安全的災(zāi)害。巴黎圣母院火災(zāi)、7·18日本京都動畫縱火案都給人類文化帶來了無法預(yù)計的損失，將視線再次聚焦到室內(nèi)防火問題上來，立足于火災(zāi)巡防，火災(zāi)預(yù)警，我們的團隊嘗試開發(fā)一種智能室內(nèi)巡防火災(zāi)機器人。本項目基于K66芯片，結(jié)合智能機器人與光電感煙探測器，研究出室內(nèi)智能巡防機器人，將智能巡防室內(nèi)，采集空氣環(huán)境數(shù)據(jù)，在有火災(zāi)征兆之時就發(fā)出預(yù)警，防患于未然。該系統(tǒng)研發(fā)成功后，將可在一定程度上應(yīng)用于企業(yè)車間、生產(chǎn)線、倉庫等易發(fā)生火災(zāi)的場所，能夠在一定程度上降低火災(zāi)隱患。

1系統(tǒng)整體設(shè)計

本巡防機器人是基于恩智浦MK66FX1M0VLQ18主控芯片設(shè)計的智能室內(nèi)巡防機器人。硬件部分主要由電源模塊，電機驅(qū)動模塊，電磁信號及運放模塊、通訊模塊、各種傳感器等實現(xiàn)，軟件部分主要由路徑循跡算法、控制算法（PID）實現(xiàn)。

1.1 硬件電路設(shè)計

（1）電機驅(qū)動模塊。驅(qū)動電路采用BTN7971B芯片作為驅(qū)動芯片，通過使用兩片芯片即可構(gòu)成全橋驅(qū)動電路，其是應(yīng)用于電機驅(qū)動的大電流半橋高集成芯片，通態(tài)電阻典型值為16m，驅(qū)動電流可達43A。驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，負(fù)載能力強，為機器人的加速和制動性能以及上限速度得到了很大程度的提高[1]。

（2）相關(guān)傳感器模塊。在嵌入式系統(tǒng)中，傳感器就是它們的眼睛，而在本巡防機器人的核心功能就是檢測環(huán)境，就需要煙霧傳感器、有毒氣體檢測傳感器、可燃?xì)怏w檢測傳感器、蜂鳴器等，進行采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過串口通信將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)浇K端進行存儲并統(tǒng)計每日的環(huán)境數(shù)據(jù)，如遇到數(shù)據(jù)具有異常值，即很有可能發(fā)生火災(zāi)或其他問題時，則有蜂鳴器進行報警并將特殊信號發(fā)送給系統(tǒng)終端，進行預(yù)警提示。此外還有openmv視覺傳感器、光敏傳感器等。

2軟件算法設(shè)計

2.1 循跡算法設(shè)計

我們設(shè)計的巡防機器人是基于電磁信號的固定路徑巡防檢測，所以預(yù)先在設(shè)計路徑后，鋪上20KHZ的交變電流作為指引信號?；谟布碾姼幸约斑\放電路得到準(zhǔn)確的四路控制信號，然后進行處理。不妨設(shè)ad_max，ad_min為參考電感值（由運行之前測得），首先信號預(yù)處理，對信號進行歸一化處理。

緊接著進行差比和算法進行判斷其與電磁線的相對位置，通過以自電感差比和得到普通路線的相對位置，而利用內(nèi)八電感進行判斷特殊路段（環(huán)島、十字轉(zhuǎn)彎等）。當(dāng)parallel為負(fù)數(shù)時，其相對位置就是在電磁線左側(cè)，這時則應(yīng)調(diào)整pwm，通過差速使其回到中心位置。

2.2 速度、方向PID算法設(shè)計

本巡防機器人的速度和方向的控制算法均是PID算法，其PID（proportion integration differentiation）分別代表比例、積分、微分控制，使實際情況可以迅速并準(zhǔn)確的靠近我們的期望值。

根據(jù)該系統(tǒng)整體設(shè)計流程以及相關(guān)資料，我們可以使其調(diào)節(jié)我們的控制系統(tǒng)，首先是比例控制，其直接反應(yīng)系統(tǒng)實際情況與預(yù)設(shè)偏差，并能反饋到調(diào)節(jié)力度，可以直接得到波動反饋比較大的調(diào)節(jié)效果，容易出現(xiàn)靜差，導(dǎo)致系統(tǒng)始終波動。隨后加入積分控制，其主要功能就是調(diào)節(jié)剛剛由于比例控制而產(chǎn)生的靜差，完善系統(tǒng)[2]。積分調(diào)節(jié)的力度是由積分時間決定的，積分時間越長，所積變量更具有寬泛性，導(dǎo)致其調(diào)節(jié)力度變?nèi)?，反之則強，積分時間趨于0的時候，積分控制近乎比例控制。最后引入微分控制，其調(diào)節(jié)直接由偏差的偏差所決定，其可以使系統(tǒng)更加快速的擬合我們的期望值。最后由程序擬合的圖片代表三個功能逐漸完善的過程。

我們用python實踐了PID的各個參數(shù)的作用，分別用只有P，以及PI、PID的控制算法，并用其可視化圖形顯示出其擬合過程，完美的貼合我們之前理論部分所預(yù)期的那樣，從而得出我們所實際使用時改決定的算法。所以我們在方向環(huán)上使用PD算法，使得整體系統(tǒng)能夠高效響應(yīng)電磁信號，從而使得巡防機器人的路線穩(wěn)定性。然而在速度方面，并不需要高效的響應(yīng)，防止在特殊路段，導(dǎo)致硬件產(chǎn)生高頻振蕩，以至于系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以我們采取PI算法，從而可以更好地達到我們預(yù)期的速度。

3結(jié)束語

本方案設(shè)計了一種基于電磁信號的固定路徑巡防檢測和基于和pid算法的室內(nèi)機器人控制系統(tǒng)。能夠準(zhǔn)確地控制機器人方向與速度，機警系統(tǒng)好，不足的地方是pid算法的參數(shù)選擇在凹凸不平的地面上，造成動態(tài)控制系數(shù)波動大，無法穩(wěn)定智能巡防機器人。

我們在對預(yù)警機器人火災(zāi)環(huán)境仿真中發(fā)現(xiàn)，該機器人能夠很好地巡視環(huán)境，預(yù)警火災(zāi)，在火災(zāi)發(fā)生前及時發(fā)揮其預(yù)警功能，但仍有需要改進的地方，如在日常生活中，對密閉空間進行路徑覆蓋等。

參考文獻

[1] 卓晴，黃開勝，邵貝貝.學(xué)做智能車：挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：44-46.

[2] 袁瑞豪，王一豪，孫振涵.基于K66單片機的恩智浦智能小車制作[J].無線互聯(lián)科技，2019，16（11）：122-124.