劉晉澤1，朱燕紅2

　　（1.中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083；2.國防科學技術(shù)大學 機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410073）

       摘要：以全國大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽為背景，介紹了一種基于電磁導引的自主尋跡智能小車系統(tǒng)。綜合考慮電磁組的各種復雜賽道元素，設(shè)計了“四橫兩斜”的混合線圈排布方案，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于分段擬合建模與動態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法。試驗結(jié)果表明，該方法具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，電磁小車可針對不同路徑高速穩(wěn)定地運行。

　　關(guān)鍵詞：智能車；電磁導引；賽道識別；自主尋跡

0引言

　　全國大學生智能汽車競賽以汽車電子為背景，設(shè)計內(nèi)容涵蓋了自動控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、計算機、機械、能源等多個學科知識，其研究對培養(yǎng)學生的知識融合與實踐動手能力、創(chuàng)新意識與挑戰(zhàn)精神具有良好的推動作用［1］。

　　一個完整的智能車系統(tǒng)包括環(huán)境感知、規(guī)劃決策和運動控制三大部分，其功能分別相當于人類的眼睛、大腦和四肢。其中環(huán)境感知的可靠性和準確性對智能車的整體控制起著關(guān)鍵作用，其感知檢測結(jié)果是實現(xiàn)智能車運動控制的前提。

　　根據(jù)智能車競賽規(guī)則，電磁組的賽道中心敷設(shè)有一根通有20 kHz、100 mA交變電流的電磁導引線，智能車利用電磁感應(yīng)原理檢測其產(chǎn)生的交變磁場，以此來判斷路徑并控制小車沿著賽道行駛［2］?？紤]到20 kHz交變電流所產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻電磁波，通常選用10 mH的工字電感線圈作為電磁傳感器，并將導線周圍變化的磁場近似為緩變磁場，按照檢測靜態(tài)磁場的方法獲取導線周圍的磁場分布。

　　為敘述方便，本文建立了如圖1所示車體坐標系：假設(shè)以小車前進方向為z軸，平行于賽道且與z軸垂直向左為x軸，垂直于xz平面向上為y軸，xyz軸滿足右手定則。同時約定文中提到的“小車與賽道中心線的偏離距離d”均表示車模前上方排布的左右兩組線圈的中心與電磁導引線的距離。

　　根據(jù)畢奧 薩法爾定律和法拉第電磁感應(yīng)定律，在車模前上方水平排布的線圈，其檢測的感應(yīng)電動勢經(jīng)放大和檢波后，可得到一個直流信號E與水平距離x的關(guān)系，據(jù)此可解算出小車當前的位置偏差。然而采用單水平電感檢測只能反映位置偏差絕對值的大小，無法分辨偏離方向。為了彌補單電感無法分辨左右的問題，可采用雙水平線圈檢測方案［2］，即在車模前上方高度為h的水平方向?qū)ΨQ排布兩個相距L的水平線圈(如圖1所示)，并對兩線圈的感應(yīng)電動勢作差值（簡稱差值法），據(jù)此可判斷小車的偏離方向和位置偏差。該方法計算簡單，直觀形象，但由于其兩端線性度不高，誤差較大，在復雜道路環(huán)境下經(jīng)常會出現(xiàn)誤判［3］。究其原因，主要是因為小車在不同賽道元素上行駛時，電感線圈在賽道上的投影與電磁導引線存在夾角θ，從而導致由線圈檢測的感應(yīng)電動勢計算得到的偏離距離與實際存在偏差［4］，尤其是在直角彎等復雜賽道上容易引起誤判。

　　為了解決上述問題，在綜合考慮電磁組各種復雜賽道元素［5］的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于分段擬合建模與動態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法，最終實現(xiàn)了可針對不同路徑、穩(wěn)定快速運行的電磁導引智能小車的制作，并通過大量的實車試驗驗證了本設(shè)計的可行性和有效性。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　電磁導引小車總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由主控模塊、傳感器模塊、底層控制模塊、電源管理模塊和人機交互模塊等幾部分組成。主控模塊以MC9S12XS128單片機為核心控制部件，主要負責完成各種傳感器信息的采集、小車的賽道識別、速度規(guī)劃與運動控制，以及必要的人機交互功能；傳感器模塊主要負責感知外部世界的環(huán)境信息與小車自身的狀態(tài)信息，如利用電磁傳感器獲取賽道信息、干簧管檢測起始線位置、光電編碼器檢測車模速度等；底層控制模塊負責執(zhí)行主控模塊發(fā)出的PWM運動控制指令，實現(xiàn)小車的前進與轉(zhuǎn)向；電源管理模塊采用7.2 V/2 000 mAh的鎳鎘電池供電，并通過DC-DC穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換模塊向系統(tǒng)中各功能模塊提供所需的電源電壓；人機交互模塊主要包括撥碼開關(guān)、LED燈、蜂鳴器、鍵盤、液晶顯示器、SD卡、無線通信模塊和BDM調(diào)試模塊等，以方便用戶調(diào)試和監(jiān)控。

2軟件系統(tǒng)總體框架

　　系統(tǒng)軟件如圖3所示，其核心部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)獲取、賽道提取、舵機控制、電機控制等。其中賽道提取是軟件設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是根據(jù)電感線圈檢測信號確定當前賽道的類型和車—路關(guān)系，為小車的方向控制和速度控制提供依據(jù)。而舵機控制就是指賽車的方向控制，它以賽車車體為參考系，通過小車與賽道中心線的位置偏差來設(shè)計增量式PD控制器，以此得到控制舵機的PWM波占空比；舵機驅(qū)動車模前輪轉(zhuǎn)向，使賽車中心線始終逼近電磁導引線。電機控制就是指賽車的速度控制，其期望速度來源于速度規(guī)劃環(huán)節(jié)，實際轉(zhuǎn)速采用光電編碼器檢測，通過設(shè)計增量式的PI控制和BANGBANG控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)對賽車速度的閉環(huán)控制。

3基于分段擬合與動態(tài)加權(quán)的賽道位置解算

　　綜合考慮電磁組中的小S彎、大S彎、十字交叉、大回環(huán)、坡道，以及直角彎等各種復雜賽道元素［5］，本文提出了一種基于分段擬合與動態(tài)加權(quán)的賽道位置解算方法。該方法采用“四橫兩斜”的混合線圈排布方案，具體如圖4所示。圖中，4個水平線圈1~4分別排布在車模前上方左右對稱的-10 cm、-5 cm、5 cm、10 cm處；最外側(cè)對稱排布著傾斜角度為45°的線圈5和線圈6；各線圈檢測到的感應(yīng)電動勢分別用E1、E2、E3、E4、E5、E6表示。

　　如圖5所示，基于分段擬合與動態(tài)加權(quán)的賽道位置解算方法的基本思想為：首先采集6個線圈的感應(yīng)電動勢（E1~E6）并對其進行比較，當E2或E3最大時，表明小車與賽道的偏離距離d∈［－10 cm,10 cm］區(qū)間，此時將采用四水平線圈檢測的感應(yīng)電動勢E1~E4進行三次多項式擬合，并通過求極值的方法來解算賽道偏移位置d1；而當E1最大時，表明小車與賽道的偏離距離d∈［－20 cm,－10 cm)區(qū)間，此時將利用感應(yīng)電動勢E1，通過離線擬合的線性函數(shù)來解算賽道偏移位置d1；同理，當E4最大時，表明小車與賽道的偏離距離d∈(10 cm,20 cm］區(qū)間，此時也將利用感應(yīng)電動勢E4,通過離線擬合的線性函數(shù)來解算賽道偏移位置d1；與此同時，還要根據(jù)兩側(cè)內(nèi)八字斜電感的感應(yīng)電動勢E5和E6，利用差值法來解算賽道偏移位置，并將其記為d2；最后將d1與d2加權(quán)求和，即可得到最終的賽道偏移位置為:

　　其中，α為權(quán)重系數(shù)，α∈［0,1］。α的計算公式為：

　　式中，T為閾值，其值需根據(jù)實際制作的車模以及賽道的復雜程度進行確定。為了兼顧直角彎、大回環(huán)等特殊賽道元素，經(jīng)過反復試驗，本文取T=160。

4實車試驗結(jié)果及分析

　　為了驗證本文工作的有效性，筆者搭建了一臺實驗用電磁小車,并進行了大量的實車測試。

　　試驗結(jié)果表明，當小車在直道上行駛時，由于線圈2和線圈3距離導引線較近，感應(yīng)電動勢E2+E3大約在170以上，此時主要由三次多項式擬合來解算賽道位置偏差；而當小車在彎道行駛時，由于線圈2和線圈3偏離導引線，偏離程度越大其感應(yīng)電動勢之和越小，相應(yīng)地α值越小，此時三次多項式擬合的權(quán)重逐漸減小，雙斜電感差值法的權(quán)重逐漸加大。由于雙斜電感差值法對彎道的檢測更為敏感，所以增加了轉(zhuǎn)彎的靈敏性。特別地，當小車行駛至直角彎時，中間兩個線圈的感應(yīng)電動勢之和連續(xù)遞減，相應(yīng)地其權(quán)重也線性遞減，很好地解決了直角彎的連續(xù)性問題。圖6給出了小車在經(jīng)過直角彎的過程中，采用未加權(quán)求和進行賽道位置解算與采用加權(quán)求和進行賽道位置解算的直角彎位置偏差變化對比圖。由圖6可知，采用加權(quán)算法求得的直角位置偏差連續(xù)性增強，有效地減弱了由直道進入直角彎的突變性，從而可以利用位置以及位置偏差的變化量判斷出賽道類型，據(jù)此進行速度規(guī)劃和運動控制。另外還可以避免彎道與直角判斷條件的沖突，增強了算法的環(huán)境適應(yīng)性。

5結(jié)論

　　本文以電磁導引智能車為研究對象，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和軟件框架。針對復雜賽道元素識別問題，提出了一種基于分段擬合建模與動態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法。試驗結(jié)果表明，該方法具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，以此制作的電磁小車可以針對不同路徑快速穩(wěn)定地運行。

　　參考文獻

　　［1］ 蔡述庭. “飛思卡爾”杯智能汽車競賽設(shè)計與實踐—基于S12XS和Kinetis K10［M］.北京：北京航空航天大學出版社,2012.

　?。?］ 競賽秘書處.電磁組競賽車模路經(jīng)檢測設(shè)計參考方案［EB/OL］.(2010-01-10)［20141118］.http://www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn/upload_files/atta/1383549442041_32.pdf.

　?。?］ 孫書詠.電磁軌道智能車賽道檢測方法研究［J］.西安郵電學院學報，2011,16(6):3941.

　?。?］ 陳國定,張曉峰,柳正楊.電磁智能車電感排布方案［J］.浙江工業(yè)大學學報，2016,44(2):124-128.

　　［5］ 競賽秘書處.第十屆全國大學生智能車競賽競速比賽規(guī)則［EB/OL］.(2014-1113［20141118］.http://www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn/upload_files/file/20141113/1415849436019034624.pdf.