龍銀銀 許秩茂

摘要：本設(shè)計主要介紹基于電磁與紅外傳感器的智能車導(dǎo)向與避障的制作和實現(xiàn)。其主要由主控芯片、電源、人機(jī)交互、攝像頭、電磁傳感器、紅外測距、速度檢測、電機(jī)驅(qū)動、舵機(jī)驅(qū)動九個模塊組成。本系統(tǒng)基于開車產(chǎn)生的碰撞事件，采用電磁傳感器識別路面的電磁信號與紅外傳感器信號，自動控制小車剎車、前進(jìn)、轉(zhuǎn)向與避障，從而實現(xiàn)啟動、加速、轉(zhuǎn)向等自動化處理，為交通事故問題提供解決方案。設(shè)計中分析無關(guān)電磁對實驗產(chǎn)生的影響，采取高靈敏度的電磁傳感器以及多種頻率的電磁信號，來提高小車運行的可靠性。采用PID算法控制小車運行和轉(zhuǎn)向，對該算法控制效果以及優(yōu)缺點進(jìn)行分析，使小車能夠在任意放置障礙物的跑道上自適應(yīng)的變速以及轉(zhuǎn)向。

關(guān)鍵詞：智能車;紅外傳感器;電磁傳感器;循跡導(dǎo)向;避障

引言

近年來智能控制技術(shù)被廣泛運用于各種行業(yè)，汽車行業(yè)也逐步向數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)據(jù)化方向發(fā)展。智能車作為一種新型產(chǎn)品其便捷性優(yōu)勢明顯，有望成為年輕一代的首選產(chǎn)品。本文中采用智能車新C車模為研究平臺，以32位微處理器LPC54606為主控，全文將從智能車總體設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、控制算法等方面詳細(xì)介紹整體設(shè)計思路。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

智能循跡小車的技術(shù)主要是指一種利用傳感器、單片機(jī)、電動風(fēng)扇的驅(qū)動及自動控制技術(shù)，預(yù)設(shè)的小車模式，實現(xiàn)不同時間無需人工管理的自動跟蹤和導(dǎo)航。

本設(shè)計在Keil5中進(jìn)行，核心控制器為LPC54606，它是一個32位的微控制器。首先利用灰度攝像頭MT9V032采集賽道信息并以圖像信號的方式傳入到微控制器中以此來獲得主要的路面相關(guān)信息;檢測車速這部分我們使用了兩個編碼器來完成，車

模的運行速度和路程由單片機(jī)脈沖計數(shù)獲得，并由此構(gòu)成速度閉環(huán)控制;在轉(zhuǎn)向舵機(jī)與電機(jī)差速的配合下實現(xiàn)車模的控制和轉(zhuǎn)向，電機(jī)的輸出功率則是由PWM控制驅(qū)動電路來進(jìn)行調(diào)整;利用上位機(jī)與OLED屏幕在調(diào)試中實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測，獲得更好的調(diào)試效果。

二、實驗原理

（一）紅外探測法

表面的顏色不同的物體，其對紅外線的反射能力也不同。行駛過程中，小車會周期性的發(fā)射紅外光射向地面（這個周期很短，以此來達(dá)到更為精確地識別）。當(dāng)紅外光遇到由白色地面（這里我們用白色紙板代替）時，便會發(fā)生漫反射，于是安裝在汽車上的接收管就能接收到反射光;反之如果遇到黑線（黑紙代替），紅外光會被吸收，小車上的接收管也就無法接收到紅外光。是否能接收到反射的紅外光便作為單片機(jī)判斷的依據(jù)，并以此來確定黑線的位置以及汽車的行走路線。[1]

（二）紅外避障原理

紅外避障我們采用了兩個紅外傳感器，它們被分別安裝在主板的兩側(cè)。小車正常行駛時，如果兩側(cè)傳感器的返回值是“1”（即高電平），則表明前方?jīng)]有障礙物。如果從一側(cè)傳感器的返回值為“0”（即低電平），則表明該側(cè)傳感器前面有障礙物，此時單片機(jī)會根據(jù)我們寫的程序來控制小車的運動，避開前方障礙物之后繼續(xù)行駛。重復(fù)上述操作，實現(xiàn)避障功能。

三、硬件

（一）電源供電模塊

電源供電模塊是智能車系統(tǒng)的能源動力供給來源，穩(wěn)定的供電系統(tǒng)是小車成功運行的必要條件。鎳鎘電池輸出7.2V電壓，直接供電給電機(jī)驅(qū)動板和舵機(jī)穩(wěn)壓塊，輸入給驅(qū)動板中的BTN芯片與LM1117穩(wěn)壓芯片得到PWM輸出波，輸入給舵機(jī)供電穩(wěn)壓LM2596芯片得到舵機(jī)供電5V電壓。

（二）攝像頭模塊

采用MT9V032數(shù)字?jǐn)z像頭采集圖像進(jìn)行處理，由于底層已經(jīng)由廠家設(shè)計好，所以硬件設(shè)計比較簡單，只需要對應(yīng)接口與單片機(jī)連接即可。

（三）電磁傳感器模塊

道路采用給流過固定電流的銅導(dǎo)線作為導(dǎo)引線，故采用電感傳感器采集電磁信號進(jìn)行處理，幫助循跡。用兩對左右對稱的電感來采集信號，外側(cè)電感為一字型電感，測量穩(wěn)定，不易竄道，內(nèi)測電感為八字型電感，測環(huán)島時某一側(cè)八字電感與銅導(dǎo)線相切，電磁信號幾乎為0，便于檢測到環(huán)島。采用opa2350芯片對電感收集的電磁信號進(jìn)行一級放大，得到穩(wěn)定的電磁信號，再輸入給單片機(jī)，進(jìn)行軟件方面的處理。

（四）紅外線測距模塊

道路元素中有坡道元素，在普通的白色賽道上使用前瞻遠(yuǎn)的攝像頭傳感器，速度更快，但也有弊端，在行駛到坡道時，攝像頭仰角大，能采集到天花板等非賽道元素而竄道，這時候使用紅外測距模塊，提前判斷到坡道元素進(jìn)而編寫程序禁止竄道，極大地增加了穩(wěn)定性。

（五）速度檢測模塊

智能車的速度控制是閉環(huán)控制，故需要將運行速度反饋回來，故用到了編碼器，可以直接檢測車輪速度。

（六）陀螺儀模塊

這里我們使用的是L3G4200D，由ST推出，其三軸共用的結(jié)構(gòu)可以讓軸與軸之間的信號干擾基本消失，從而讓輸出信號免受干擾信號的影響。為了讓角度計算更加精準(zhǔn)，我們將陀螺儀固定在了主板上，并盡可能的貼近車的主軸。

（七）人機(jī)交互模塊

實驗調(diào)試中，為了實時、便捷的掌握車的運行狀態(tài)和參數(shù)變化如傳感器的狀態(tài)、舵機(jī)的轉(zhuǎn)角等，用于輸入?yún)?shù)、策略調(diào)整的撥檔開關(guān)與含有液晶屏幕的數(shù)字鍵盤也必不可少。

（八）電機(jī)驅(qū)動模塊

雙極性電機(jī)驅(qū)動電路和單極性驅(qū)動電路是橋式電機(jī)驅(qū)動電路的兩種通常選擇。由于輸出電流交流成分較多，雙極性驅(qū)動電路更容易導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱和消磁;因此可逆單極型橋式直流電動機(jī)成為了我們的首選，四支N溝道功率 MOSFET管組成了它的功率元件，得益于此功率元件，100A以上的額定工作電流不在話下，這也讓電動機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速獲得了很大的提升。[2]

（九）舵機(jī)驅(qū)動模塊

舵機(jī)上每個固定的占空比都對應(yīng)著固定的打角，使用時只要將舵機(jī)先標(biāo)定好，就可以輕松控制它的打角。在 S3010舵機(jī)中，為使其兩側(cè)打角最大程度地對稱，理論中值便顯得尤為重要，因此我們需要先測得它——分別測試它的左極限和右極限對應(yīng)的占空比，取平均后得到的值，這便是舵機(jī)的理論中值，將舵機(jī)調(diào)到該中值之后，再安裝到車模上。

四、軟件

（一）圖像處理簡介

我們認(rèn)為整個設(shè)計的核心所在是智能車采集圖像信息的底層處理算法部分，它是整個上層控制策略的基礎(chǔ)。而上層控制策略受到三個方面的影響：一是圖像采集的穩(wěn)定性，二是圖像處理方法，三是路徑識別的準(zhǔn)確性，因此必須準(zhǔn)確的識別出路徑信息，智能車才能實現(xiàn)高速穩(wěn)定行駛，全局快門攝像頭MT9V034則成為了我們實現(xiàn)它的利器。

（二）圖像處理

利用攝像頭采集技術(shù)單片機(jī)得到圖像信號。實驗中需對這些信號進(jìn)行處理，否則會出現(xiàn)過多的干擾信息。為了適應(yīng)不同光線的場地，對采集到的圖像二值化的黑白閾值要做到隨環(huán)境調(diào)控。對于灰度圖像閾值的確定最終采用了最佳迭代法。首先最佳迭代法確定圖像黑白閾值的運算時間僅僅為大津法的1/5，同時在同一個環(huán)境的光線下，在第一次滿足給定的約束條件后，將此閾值作為下一次逼近的初值，可以更快的劃分黑白閾值。迭代法圖像二值化：首先初始化一個閾值Th，然后按特定的策略對其不斷更迭代新，直到滿足給定的約束條件為止。

（三）道路識別及處理

1.正常循跡

正常循跡中我們利用來道路雙邊特征明顯的特性，以此來作為攝像頭進(jìn)行判斷的依據(jù)。同時我們采用了動態(tài)多行平均判斷，即通過對攝像頭采集的每一行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算出中點值，提取出最優(yōu)化的道路特征，并以此特征進(jìn)行循跡。

2.十字識別及處理

當(dāng)攝像頭采集的圖像中存在多行全白時，則表明小車遇到了十字路口，此時小車會按照四個角進(jìn)行補(bǔ)線，之后會正常循跡行駛。

3.環(huán)島識別及處理

使用中間電感的加倍特征來判斷已經(jīng)處于環(huán)島狀態(tài)。當(dāng)判斷進(jìn)入環(huán)島狀態(tài)后，通過內(nèi)八電感進(jìn)行左右環(huán)島判斷，當(dāng)內(nèi)八電感到達(dá)特征值時進(jìn)行強(qiáng)制舵機(jī)定時打角處理。

4.坡道識別及處理

對于坡道的處理，通過使用陀螺儀直接采集車身的狀態(tài)來判斷坡道。

5.電磁尋跡處理

根據(jù)電感值提取出直道與彎道的賽道類型，采用動態(tài)PD，即相當(dāng)于在直道P較小，彎道時P很大，是一個動態(tài)P且是連續(xù)順滑的控制曲線，電磁尋跡采用基本差比和方法，作為輔助備用尋跡策略。

五、控制算法

（一）PID算法

詳見下文中的圖7，描述了PID的算法流程;圖像識別模塊的角度環(huán)PLD控制原理圖如圖8所示，PID算法的公式如圖9所示。

（二）舵機(jī)PD控制

由實際賽道的中值與理想的賽道中值之間的偏差，和當(dāng)前偏差與前一次偏差只差，共同作用計算出舵機(jī)的占空比，使舵機(jī)打角及時準(zhǔn)確。我們使用的PD控制器能讓舵機(jī)快速響應(yīng)且提高穩(wěn)定裕度。

（三）電機(jī)PI控制

在閉環(huán)控制的部分中，電機(jī)通過PI控制器消除靜差，提高系統(tǒng)無差度。

（四）濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)

內(nèi)部低通不在我們的考慮范圍內(nèi)，這里我們用傳感器實現(xiàn)，用他確定由震動產(chǎn)生的噪音截止頻率，噪聲信號進(jìn)行處理則由二階巴特沃斯濾波器實現(xiàn)。

六、結(jié)論

在本設(shè)計中，我們成功實現(xiàn)了智能小車的兩個基本功能。但現(xiàn)實應(yīng)用時，路面情況更為復(fù)雜多變，僅靠基本功能難以應(yīng)對高難度、高精度的任務(wù)，還需配合更先進(jìn)的技術(shù)與元器件以及更好的控制程序?qū)崿F(xiàn)來這些任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李雷.基于MCS-51控制的軍用自動倉儲搬運機(jī)器人設(shè)計實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2011，7（2）100-103

[2]吳祥，王冠凌.基于電磁導(dǎo)航智能車的控制研究及實現(xiàn)[J]四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）2015，（6），42-46

基金項目：安徽財經(jīng)大學(xué)2020年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目名稱：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能車導(dǎo)向與避障，S202010378383。

作者簡介：

1.龍銀銀（2000.—），女，漢族，安徽池州人，安徽財經(jīng)大學(xué)日語專業(yè)四年級在讀本科生，主要從事日本文化、中日翻譯研究并參與智能車技術(shù)研究。

2.許秩茂（2001.—），男，漢族，安徽銅陵人，安徽財經(jīng)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)三年級在讀本科生，主要從事計算機(jī)原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計研究并參與智能車技術(shù)研究。