劉晉澤1，朱燕紅2
?。?.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）
摘要：以全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽為背景，介紹了一種基于電磁導(dǎo)引的自主尋跡智能小車系統(tǒng)。綜合考慮電磁組的各種復(fù)雜賽道元素，設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法。試驗(yàn)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(duì)不同路徑高速穩(wěn)定地運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：智能車；電磁導(dǎo)引；賽道識(shí)別；自主尋跡
0引言
全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽以汽車電子為背景，設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、能源等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，其研究對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)融合與實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)與挑戰(zhàn)精神具有良好的推動(dòng)作用［1］。
一個(gè)完整的智能車系統(tǒng)包括環(huán)境感知、規(guī)劃決策和運(yùn)動(dòng)控制三大部分，其功能分別相當(dāng)于人類的眼睛、大腦和四肢。其中環(huán)境感知的可靠性和準(zhǔn)確性對(duì)智能車的整體控制起著關(guān)鍵作用，其感知檢測(cè)結(jié)果是實(shí)現(xiàn)智能車運(yùn)動(dòng)控制的前提。
根據(jù)智能車競(jìng)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(dǎo)引線，智能車?yán)秒姶鸥袘?yīng)原理檢測(cè)其產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，以此來(lái)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(dǎo)線周圍變化的磁場(chǎng)近似為緩變磁場(chǎng)，按照檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布。
為敘述方便，本文建立了如圖1所示車體坐標(biāo)系：假設(shè)以小車前進(jìn)方向?yàn)閦軸，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(shí)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(dǎo)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(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大和檢波后，可得到一個(gè)直流信號(hào)E與水平距離x的關(guān)系，據(jù)此可解算出小車當(dāng)前的位置偏差。然而采用單水平電感檢測(cè)只能反映位置偏差絕對(duì)值的大小，無(wú)法分辨偏離方向。為了彌補(bǔ)單電感無(wú)法分辨左右的問題，可采用雙水平線圈檢測(cè)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(gè)相距L的水平線圈(如圖1所示)，并對(duì)兩線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作差值（簡(jiǎn)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(jì)算簡(jiǎn)單，直觀形象，但由于其兩端線性度不高，誤差較大，在復(fù)雜道路環(huán)境下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤判［3］。究其原因，主要是因?yàn)樾≤囋诓煌惖涝厣闲旭倳r(shí)，電感線圈在賽道上的投影與電磁導(dǎo)引線存在夾角θ，從而導(dǎo)致由線圈檢測(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算得到的偏離距離與實(shí)際存在偏差［4］，尤其是在直角彎等復(fù)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(fù)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(dòng)態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法，最終實(shí)現(xiàn)了可針對(duì)不同路徑、穩(wěn)定快速運(yùn)行的電磁導(dǎo)引智能小車的制作，并通過(guò)大量的實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和有效性。
1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
電磁導(dǎo)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(jī)交互模塊等幾部分組成。主控模塊以MC9S12XS128單片機(jī)為核心控制部件，主要負(fù)責(zé)完成各種傳感器信息的采集、小車的賽道識(shí)別、速度規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制，以及必要的人機(jī)交互功能；傳感器模塊主要負(fù)責(zé)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(cè)起始線位置、光電編碼器檢測(cè)車模速度等；底層控制模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行主控模塊發(fā)出的PWM運(yùn)動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)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(guò)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(jī)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(wú)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(jī)控制、電機(jī)控制等。其中賽道提取是軟件設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是根據(jù)電感線圈檢測(cè)信號(hào)確定當(dāng)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(jī)控制就是指賽車的方向控制，它以賽車車體為參考系，通過(guò)小車與賽道中心線的位置偏差來(lái)設(shè)計(jì)增量式PD控制器，以此得到控制舵機(jī)的PWM波占空比；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)車模前輪轉(zhuǎn)向，使賽車中心線始終逼近電磁導(dǎo)引線。電機(jī)控制就是指賽車的速度控制，其期望速度來(lái)源于速度規(guī)劃環(huán)節(jié)，實(shí)際轉(zhuǎn)速采用光電編碼器檢測(cè)，通過(guò)設(shè)計(jì)增量式的PI控制和BANGBANG控制相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)賽車速度的閉環(huán)控制。
3基于分段擬合與動(dòng)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(fù)雜賽道元素［5］，本文提出了一種基于分段擬合與動(dòng)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(gè)水平線圈1~4分別排布在車模前上方左右對(duì)稱的-10 cm、-5 cm、5 cm、10 cm處；最外側(cè)對(duì)稱排布著傾斜角度為45°的線圈5和線圈6；各線圈檢測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別用E1、E2、E3、E4、E5、E6表示。
如圖5所示，基于分段擬合與動(dòng)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(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（E1~E6）并對(duì)其進(jìn)行比較，當(dāng)E2或E3最大時(shí)，表明小車與賽道的偏離距離d∈［－10 cm,10 cm］區(qū)間，此時(shí)將采用四水平線圈檢測(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1~E4進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，并通過(guò)求極值的方法來(lái)解算賽道偏移位置d1；而當(dāng)E1最大時(shí)，表明小車與賽道的偏離距離d∈［－20 cm,－10 cm)區(qū)間，此時(shí)將利用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1，通過(guò)離線擬合的線性函數(shù)來(lái)解算賽道偏移位置d1；同理，當(dāng)E4最大時(shí)，表明小車與賽道的偏離距離d∈(10 cm,20 cm］區(qū)間，此時(shí)也將利用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E4,通過(guò)離線擬合的線性函數(shù)來(lái)解算賽道偏移位置d1；與此同時(shí)，還要根據(jù)兩側(cè)內(nèi)八字斜電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E5和E6，利用差值法來(lái)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(jì)算公式為：
式中，T為閾值，其值需根據(jù)實(shí)際制作的車模以及賽道的復(fù)雜程度進(jìn)行確定。為了兼顧直角彎、大回環(huán)等特殊賽道元素，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，本文取T=160。
4實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果及分析
為了驗(yàn)證本文工作的有效性，筆者搭建了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用電磁小車,并進(jìn)行了大量的實(shí)車測(cè)試。
試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)小車在直道上行駛時(shí)，由于線圈2和線圈3距離導(dǎo)引線較近，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2+E3大約在170以上，此時(shí)主要由三次多項(xiàng)式擬合來(lái)解算賽道位置偏差；而當(dāng)小車在彎道行駛時(shí)，由于線圈2和線圈3偏離導(dǎo)引線，偏離程度越大其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和越小，相應(yīng)地α值越小，此時(shí)三次多項(xiàng)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(duì)彎道的檢測(cè)更為敏感，所以增加了轉(zhuǎn)彎的靈敏性。特別地，當(dāng)小車行駛至直角彎時(shí)，中間兩個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(guò)直角彎的過(guò)程中，采用未加權(quán)求和進(jìn)行賽道位置解算與采用加權(quán)求和進(jìn)行賽道位置解算的直角彎位置偏差變化對(duì)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(qiáng)，有效地減弱了由直道進(jìn)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(jìn)行速度規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制。另外還可以避免彎道與直角判斷條件的沖突，增強(qiáng)了算法的環(huán)境適應(yīng)性。
5結(jié)論
本文以電磁導(dǎo)引智能車為研究對(duì)象，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和軟件框架。針對(duì)復(fù)雜賽道元素識(shí)別問題，提出了一種基于分段擬合建模與動(dòng)態(tài)加權(quán)融合的賽道位置解算方法。試驗(yàn)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(duì)不同路徑快速穩(wěn)定地運(yùn)行。
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