摘 要：以電磁循跡小車為對(duì)象，對(duì)小車的硬件總體設(shè)計(jì)和程序的基本框架進(jìn)行詳細(xì)闡述，采用位置式PID和增量式PID分別實(shí)現(xiàn)了小車的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)控制，最后著重研究了彎道、環(huán)島、路障等道路元素的識(shí)別方法。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)道路的精心設(shè)計(jì)，全面測(cè)試小車的循跡能力、障礙規(guī)避能力以及在不同道路條件下的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小車的驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向控制精確，提出的道路元素識(shí)別方法效果較好，應(yīng)用該道路元素識(shí)別方法的電磁循跡小車展現(xiàn)出了卓越的循跡行駛和障礙規(guī)避能力。

關(guān)鍵詞：電磁循跡小車；STC32G12K128；PID算法；電感布置；道路元素識(shí)別；障礙規(guī)避

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）01-0-04

0 引 言

電磁尋跡小車作為一種可以有效優(yōu)化物流運(yùn)作效率、降低人力成本的自動(dòng)化設(shè)備，已經(jīng)在智能運(yùn)輸領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，以替代人工執(zhí)行高重復(fù)性的流水線作業(yè)，有效提升了作業(yè)的自動(dòng)化水平。電磁循跡技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)在于其極高的穩(wěn)定性，在各種作業(yè)環(huán)境下都能保持出色的抗干擾能力，從而確保了小車的精準(zhǔn)運(yùn)行和高效作業(yè)。

本次實(shí)驗(yàn)道路的示意圖如圖1所示。

在實(shí)驗(yàn)道路上設(shè)置了一條中心電磁引導(dǎo)線，該引導(dǎo)線通有100 mA、頻率為20 kHz的交變電流。實(shí)驗(yàn)道路設(shè)計(jì)多樣，包括彎道、十字路口、坡道、環(huán)島以及橫斷路障等各種元素。特別地，橫斷路障被設(shè)計(jì)成一個(gè)長(zhǎng)、寬、高均為20 cm的立方體，其長(zhǎng)度與道路寬度相等。當(dāng)小車遇到這種路障時(shí)，能在距離路障1 m的范圍內(nèi)靈活駛離道路，繞過(guò)障礙后，在同樣的距離內(nèi)重新回到道路上[1]。對(duì)于圓環(huán)部分，要求小車必須完整地繞行一周后才能繼續(xù)前行。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)道路的精心設(shè)計(jì)，旨在全面測(cè)試小車的循跡能力、障礙規(guī)避能力以及在不同道路條件下的適應(yīng)性，對(duì)車輛代碼的編寫(xiě)與硬件的設(shè)計(jì)制作均提出了極高的要求。其中，道路元素識(shí)別算法作為車輛代碼的核心組成部分，具有尤為重要的地位，本文的主要目的就是對(duì)這一關(guān)鍵算法進(jìn)行深入的研究和討論。

1 硬件的總體設(shè)計(jì)

電磁循跡小車的硬件設(shè)計(jì)的核心在于傳感器和執(zhí)行器的外圍電路設(shè)計(jì)。道路上鋪設(shè)的引導(dǎo)線通過(guò)的交變電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)被電磁信號(hào)采集模塊捕獲并轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)[2]。此信號(hào)進(jìn)一步被運(yùn)算放大器放大，再通過(guò)車輛上的陀螺儀、車輪編碼器、霍爾傳感器模塊、紅外測(cè)距模塊等多種傳感器協(xié)同作用，最終被傳輸至單片機(jī)中進(jìn)行處理，獲得車道信息，以此來(lái)控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，從而實(shí)現(xiàn)車輛的循跡功能。電磁循跡小車的硬件系統(tǒng)框架如圖 2所示，其硬件電路的設(shè)計(jì)主要包含了STC32G核心板（單片機(jī)最小系統(tǒng)）、主控電路板、電源模塊、電磁信號(hào)采集模塊、編碼器、陀螺儀、TOF紅外測(cè)距模塊、霍爾傳感器模塊、舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)、無(wú)線串口模塊、獨(dú)立按鍵模塊、撥碼開(kāi)關(guān)模塊和OLED顯示模塊。

2 程序的基本框架

在車輛的設(shè)計(jì)流程中，集成了多個(gè)傳感器和執(zhí)行器，這使得在代碼層面構(gòu)建一個(gè)優(yōu)良的框架顯得尤為重要。這一框架不僅影響著代碼的初始構(gòu)建，更對(duì)后續(xù)的代碼編寫(xiě)、擴(kuò)展和維護(hù)具有深遠(yuǎn)影響[3]。

在實(shí)驗(yàn)道路中，需要依據(jù)多種傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)精確控制小車的行為。例如，電磁數(shù)據(jù)用于舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制；陀螺儀數(shù)據(jù)用于計(jì)算轉(zhuǎn)角；編碼器數(shù)據(jù)則用于調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速；紅外測(cè)距模塊的數(shù)據(jù)則為避障提供判斷依據(jù)。除此之外，還需要不斷識(shí)別當(dāng)前道路的元素。本文采用STC（宏晶）公司的STC32G12K128單片機(jī)為主控芯片。鑒于該芯片不支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），無(wú)法利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的并行處理。

因此，本文采用了一種基于定時(shí)器中斷和標(biāo)志位的策略來(lái)構(gòu)建小車的代碼框架，如圖 3所示。將需要實(shí)時(shí)處理的程序部分放入定時(shí)器中斷中，并通過(guò)設(shè)置標(biāo)志位的方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)流的輪詢更新。這樣，可以確保每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)都能得到及時(shí)的處理。在代碼的組織上，將實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的代碼段放在主循環(huán)中，而對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的部分則放置在定時(shí)器中斷內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)保證了關(guān)鍵任務(wù)的優(yōu)先執(zhí)行，同時(shí)還不會(huì)忽視其他非關(guān)鍵但必要的任務(wù)。

3 驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向控制

車輛采用四輪配置，其中轉(zhuǎn)向功能是通過(guò)前置的舵機(jī)實(shí)現(xiàn)的，而驅(qū)動(dòng)功能則依賴于后置的雙電機(jī)。為了確保車輛的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)控制具備高精度和高效率，本文采用了PID（比例-積分-微分）算法。

PID算法是一種廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的經(jīng)典算法[4]。算法的具體數(shù)學(xué)表達(dá)見(jiàn)式（1）：

（1）

式中：Kp、Ki和Kd分別為比例、積分和微分的調(diào)節(jié)系數(shù)。

PID算法的核心思想是根據(jù)系統(tǒng)誤差來(lái)調(diào)整控制參數(shù)，使系統(tǒng)逐漸逼近目標(biāo)狀態(tài)。具體而言，它通過(guò)對(duì)目標(biāo)值和實(shí)際值之間的偏差進(jìn)行比例、積分和微分的計(jì)算，得出控制量，從而控制系統(tǒng)的行為。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷變化，PID算法也衍生出了許多變種和改進(jìn)版本，以適應(yīng)不同的控制場(chǎng)景和需求[5]。

在處理電感值的過(guò)程中，首先采用均值濾波和歸一化等方法，消除可能存在的噪音和異常值的影響；接著，計(jì)算了兩個(gè)對(duì)應(yīng)電感值的差比和，并將其作為輸入誤差值用于舵機(jī)的PID控制。當(dāng)小車處于道路中央時(shí)，差比和的值為0，表明小車并未偏離道路；但當(dāng)小車偏離道路時(shí)，差比和的值便不再為0。差比和的具體數(shù)值代表了舵機(jī)PID控制的誤差值。

對(duì)于舵機(jī)的控制，選用了位置式PID算法[6]。舵機(jī)控制部分代碼如圖4所示。

此算法的特點(diǎn)在于，其并不需要記憶控制量，而是直接根據(jù)設(shè)定值和反饋值之間的誤差來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而得出所期望的PWM輸出。

為了優(yōu)化并獲取較為合適的轉(zhuǎn)向性能，通過(guò)對(duì)代碼中的比例系數(shù)Kp和微分系數(shù)Kd進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，比例系數(shù)主要決定了舵機(jī)對(duì)誤差的敏感程度以及其調(diào)節(jié)的力度，而微分系數(shù)則主要反映了舵機(jī)對(duì)誤差變化速率的響應(yīng)能力。通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)，可以在一定程度上增強(qiáng)轉(zhuǎn)向的靈敏度和穩(wěn)定性，從而使得循跡小車能夠在實(shí)驗(yàn)道路上保持良好的行駛軌跡。

在電機(jī)控制方面，主要采用增量式PID算法[7]。左電機(jī)控制部分代碼如圖 5所示。相較于位置式PID，增量式PID更適用于需要精確控制輸出量的場(chǎng)景。在每個(gè)控制周期內(nèi)，它計(jì)算的是控制增量，而非絕對(duì)數(shù)值，因此能夠根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的差值來(lái)調(diào)整輸出量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。

編碼器用于反饋車輪的轉(zhuǎn)速，提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速信息。通過(guò)將目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，可以得到電機(jī)PID控制的誤差值。

增量式PID算法在每個(gè)控制周期內(nèi)根據(jù)誤差值計(jì)算出控制增量，并根據(jù)這個(gè)增量來(lái)調(diào)整電機(jī)的輸出量。通過(guò)不斷地迭代計(jì)算和調(diào)整，該算法能夠逐漸減小誤差值，使電機(jī)的實(shí)際輸出逐漸逼近目標(biāo)輸出。

需要注意的是，調(diào)節(jié)PID參數(shù)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的過(guò)程，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行多次嘗試和調(diào)整。此外，不同道路條件和車輛狀態(tài)也可能對(duì)PID參數(shù)的最優(yōu)選擇產(chǎn)生影響。因此，在實(shí)際使用中，可能需要根據(jù)具體情況進(jìn)行參數(shù)的微調(diào)，以適應(yīng)不同的道路和車輛條件。

4 彎道元素識(shí)別

為了確保循跡小車的平穩(wěn)運(yùn)行，需要對(duì)舵機(jī)的PID控制參數(shù)Kp和Kd進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)。具體來(lái)說(shuō)，在直道行駛時(shí)，為了降低舵機(jī)對(duì)電感信號(hào)的敏感度，會(huì)適度減小Kp值，避免小車在直道上因頻繁修正轉(zhuǎn)向而引起不必要的左右晃動(dòng)。在進(jìn)入彎道時(shí)，若繼續(xù)使用在直道上設(shè)定的PID參數(shù)，可能會(huì)導(dǎo)致小車轉(zhuǎn)向不足，增加偏離道路的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要準(zhǔn)確判斷當(dāng)前所處的道路類型（彎道或直道），并據(jù)此設(shè)定相應(yīng)的PID參數(shù)。這樣，無(wú)論是在直道上還是彎道上，都能確保小車具備適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向性能，不僅增強(qiáng)了行駛的穩(wěn)定性，還降低了沖出道路的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，最終確定了一種策略，如圖 6所示。data1、data2、data3、data4分別為4個(gè)電磁信號(hào)采集模塊采集到的數(shù)值，即根據(jù)data1和data4的差比和來(lái)判斷小車當(dāng)前所處的路況（直道或彎道），并設(shè)置相應(yīng)的PID參數(shù)。具體而言，當(dāng)data1與data4的差比和處于一個(gè)預(yù)設(shè)的較小閾值范圍內(nèi)時(shí)，判定小車正在直道上行駛。此時(shí)，需要適度減小Kp值，并對(duì)Kd進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以減小車輛因細(xì)微的轉(zhuǎn)向修正而產(chǎn)生的左右晃動(dòng)，從而確保其在直道上的穩(wěn)定行駛。然而，一旦data1與data4的差比和超出預(yù)設(shè)的閾值范圍，則判定小車已進(jìn)入彎道。此時(shí)，需要增大Kp值，并對(duì)Kd進(jìn)行匹配性調(diào)整，以確保車輛在彎道中具備良好的通過(guò)性和操控穩(wěn)定性。

5 環(huán)島元素識(shí)別

環(huán)島元素的識(shí)別是一個(gè)尤為復(fù)雜的過(guò)程，如圖 7所示。為了使小車能夠成功通過(guò)環(huán)島，整個(gè)行駛過(guò)程被劃分為四個(gè)步驟：判斷、入環(huán)、正常循跡和出環(huán)。

在環(huán)島元素的處理中，判斷是否為環(huán)島是至關(guān)重要的一步。最初，本文采用基于電感值突變的方法來(lái)判斷環(huán)島。通過(guò)觀察小車經(jīng)過(guò)環(huán)島時(shí)的電感值變化，發(fā)現(xiàn)車輛在進(jìn)入環(huán)島時(shí)，四個(gè)電感值總會(huì)出現(xiàn)明顯的突變。因此，最初的策略是利用這種突變的電感值作為判斷環(huán)島的依據(jù)。然而，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)這種方法存在一些問(wèn)題。道路搭建時(shí)的誤差、電壓不穩(wěn)定以及車輛靠近環(huán)島時(shí)的車身姿態(tài)變化等因素都可能導(dǎo)致判斷失誤。因此，單獨(dú)通過(guò)特征值判斷環(huán)島的方法對(duì)于不同道路的適應(yīng)性很差，需要尋找新的方法來(lái)判斷環(huán)島。

車輛在經(jīng)過(guò)左環(huán)島時(shí)，電感值data4和data3會(huì)先增大然后減小，而data1和data2則會(huì)先減小然后增大，這一數(shù)據(jù)變化與車輛行駛路徑和電感布置方式相符合?；谶@一特征，可以在代碼中采用置標(biāo)志位的方式進(jìn)行預(yù)判斷，以區(qū)分左環(huán)島和右環(huán)島。當(dāng)滿足預(yù)判斷條件時(shí)，再結(jié)合閾值來(lái)判斷具體是左環(huán)島還是右環(huán)島。通過(guò)這種方式，發(fā)現(xiàn)小車對(duì)環(huán)島的判斷準(zhǔn)確率顯著提高，即使更換了道路，也基本無(wú)需調(diào)節(jié)閾值范圍即可準(zhǔn)確識(shí)別環(huán)島。經(jīng)過(guò)環(huán)島時(shí)4個(gè)電感參數(shù)的具體數(shù)值變化見(jiàn)表1，4個(gè)電感參數(shù)的變化趨勢(shì)如圖8所示。

在成功判斷道路元素為環(huán)島后，陀螺儀開(kāi)始積分，并向舵機(jī)發(fā)送指令，使其固定打角。這是為了讓車輛平穩(wěn)地進(jìn)入環(huán)島。陀螺儀的積分是為了準(zhǔn)確計(jì)算車輛的角度變化，一旦陀螺儀計(jì)算出車輛進(jìn)入環(huán)島后達(dá)到了預(yù)設(shè)的角度，系統(tǒng)會(huì)切換至正常循跡模式。在正常循跡模式下，車輛會(huì)根據(jù)引導(dǎo)線的方向進(jìn)行行駛。當(dāng)車輛接近駛出環(huán)島時(shí)，系統(tǒng)會(huì)再次向舵機(jī)發(fā)送固定打角的指令，防止車輛受到旁邊電磁線的干擾，確保車輛能夠平穩(wěn)地駛離環(huán)島。最后，當(dāng)陀螺儀的積分達(dá)到360°時(shí)，系統(tǒng)會(huì)控制車輛直行一段距離，防止車輛再次誤判進(jìn)入環(huán)島，并穩(wěn)定地進(jìn)入直線路段。

針對(duì)環(huán)島元素，有多個(gè)需要調(diào)整的參數(shù)和閾值[8]。首先，車輛在環(huán)島中行駛時(shí)需要考慮到圓環(huán)半徑的大小。如果圓環(huán)半徑過(guò)小，可能需要切換電感和調(diào)整舵機(jī)的PID參數(shù)；其次，入環(huán)預(yù)判斷和正式入環(huán)時(shí)的閾值也需要不斷優(yōu)化。這些閾值的設(shè)置直接影響到車輛是否能夠準(zhǔn)確判斷進(jìn)入環(huán)島以及進(jìn)入環(huán)島的時(shí)機(jī)；另外，入環(huán)和出環(huán)時(shí)的固定打角也是一個(gè)需要考慮的因素。具體應(yīng)該打多少度比較合適，需要根據(jù)車輛的特性和環(huán)島的實(shí)際情況進(jìn)行確定；同時(shí)，固定打角時(shí)陀螺儀的積分角度也是一個(gè)重要的參數(shù)，多少度才能確保車輛平穩(wěn)地進(jìn)入或駛離環(huán)島，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

6 路障元素識(shí)別

如圖 9所示，車輛在面對(duì)橫向阻斷的路障時(shí)，能在距其前方1 m的范圍內(nèi)駛離道路；完成路障的規(guī)避后，車輛還應(yīng)保證在與路障保持1 m距離的前提下，重新返回道路。為滿足這一要求，本文采用了逐飛DL1B測(cè)距模塊以實(shí)現(xiàn)對(duì)路障的精準(zhǔn)識(shí)別，并通過(guò)調(diào)控舵機(jī)和電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)車模行駛軌跡的精細(xì)控制。

在規(guī)避路障元素的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)需特別注意的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方案。

（1）由于路障高度和坡道高度接近，安裝在車輛前方的測(cè)距模塊可能會(huì)出現(xiàn)將坡道誤判為路障的情況，進(jìn)而錯(cuò)誤地啟動(dòng)路障規(guī)避程序。為解決這一問(wèn)題，采用了兩個(gè)測(cè)距模塊，它們分別被安裝在車輛前方，并具有一定的高度差。當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)坡道時(shí)，由于兩個(gè)測(cè)距模塊存在高度差，它們所測(cè)量的距離會(huì)有所不同。當(dāng)兩個(gè)測(cè)距模塊測(cè)量到的距離差值超過(guò)某一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)即可判定前方為坡道而非路障。而在經(jīng)過(guò)實(shí)際路障時(shí)，由于路障為立方體形狀，上下兩個(gè)測(cè)距模塊所測(cè)量的距離差值不會(huì)很大。當(dāng)兩個(gè)測(cè)距模塊的數(shù)據(jù)同時(shí)小于某一閾值且相差不大時(shí)，系統(tǒng)則判定前方為路障元素；

（2）如圖 10所示，在某些特定情況下，如小車行駛方向與坡道側(cè)面相對(duì)或道路與周圍擋板距離過(guò)近時(shí)，測(cè)距模塊有可能將坡道或擋板誤判為障礙。針對(duì)這種情況，采取了一種強(qiáng)制控制策略。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到非障礙干擾時(shí)，會(huì)強(qiáng)制控制小車按照正常循跡模式行駛，并通過(guò)編碼器進(jìn)行積分。這種控制模式將持續(xù)至小車完全駛離非障礙干擾區(qū)域后，系統(tǒng)才會(huì)重新恢復(fù)對(duì)各種元素的判斷功能[9]。這一策略有效地降低了誤判率，提高了小車在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

7 其他元素識(shí)別

關(guān)于實(shí)驗(yàn)道路中的其他元素，本文采用了以下策略進(jìn)行處理：道路記圈方面，選用了霍爾傳感器來(lái)感知鋪設(shè)在道路起點(diǎn)上的磁鐵，從而精準(zhǔn)判斷小車是否完成一圈并控制其進(jìn)出庫(kù)[10]；在坡道元素的處理上，通過(guò)陀螺儀測(cè)量俯仰角的加速度來(lái)判斷車輛是處于上坡還是下坡?tīng)顟B(tài)。根據(jù)這一信息，控制系統(tǒng)能夠精確調(diào)整電機(jī)的加減速，以保證車輛在坡道上的平穩(wěn)行駛和順利通過(guò)。

8 結(jié) 語(yǔ)

本文深入探討了電磁循跡小車的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，尤其著重于代碼框架的精心構(gòu)建以及在實(shí)驗(yàn)道路上實(shí)現(xiàn)各種元素識(shí)別的有效方法。通過(guò)運(yùn)用本文所闡述的道路元素識(shí)別技術(shù)，電磁循跡小車在實(shí)際道路測(cè)試中展現(xiàn)出了良好的性能。展望未來(lái)，電磁循跡小車在智能交通、自動(dòng)物流等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。隨著相關(guān)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和研究的不斷深化，期待為電磁循跡小車的設(shè)計(jì)與控制注入更多的創(chuàng)新活力和實(shí)現(xiàn)重大突破。

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