基于光电传感和路径记忆的智能车导航系统.docx

基于光电传感和路径记忆的智能车导航系统基于路径记忆算法的转向及驱动控制策略，在电源管理、噪声抑制、驱动优化等 方面也都进行了研究工作，通过大量的仿真试验、道路试验和基础性能测试，开 发了基于光电传感和路径记忆的智能车导航系统，为整车系统的优良性能奠定了 坚实基础本文将从该智能车总体方案、路径识别方案选择、转向和驱动控制及 路径记忆算法等方而进行介绍智能车总体方案智能车系统以飞思卡尔公司的MC68S912DP256为核心，由电源模块、传感器模 块、直流电机驷动模块、转向电机控制模块、控制参数选择模块、单片机模块等 组成，如图1所示智能车系统工作电压由+1.6V、+5V、7.2V三个系统混合组 成，其中7.2V用于给驱动电机和转向舵机供电，5V给车速传感器、MCU以及 光电传感器接收管供电，1.6V给发光管供电为了控制参数的调整方便， 还设置了一个控制参数选择模块，可以通过几个按键的设置，调用不同的程序或 控制参数，以适应不同场地条件的要求图1智能车总体结构智能车的工作模式是：光电传感器探测赛道信息，转速传感器检测当前车速，电 池电压监测电路检测屯池电压，并将这些信息输入单片机进行处理通过控制算 法对赛车发出控制命令，通过转向舵机和驷动电机对赛车的运动轨迹和速度进行 实时控制。

想要取得智能车比赛的好成绩，模型车底盘参数优化和硬件设备的可靠性是非常 重要的其中，前轮定位参数优化、转向舵机力臂増犬和底盘重心位置调整对于 车模的机械性能有着较大的影响底盘参数的优化参见，本文不赘述路径识别方案选择与电路设计路径识别方案是首先需要确定的，主要有以下几个问题冷光电识别还是摄像头识别；*传感器如何排列？间隔多大、形状如何、单排还是双排； 京传感器可向前探测的远度；*传感器信号采用数字式还是模拟式；水电路上如何实现由于光电识别方案简单可靠，因此本文采用了光电识别方案数字式光电识别与模拟式光电识别比赛组委会要求传感器个数最多为16个，除掉1个转速传感器，可用于探测路 径的传感器为15个，而传感器允许布置的总宽度为25cm,如果采用数字式光电 传感器均匀分布，对道路的探测精度只能达到17mm左右，这样赛车在前进过程 小很难达到很高的控制精度和响应速度从本质上讲，数字式光电传感器的劣势 就在于它丢掉了路径探测11 •的大量信息模拟式光电传感器从理论上可以大大提高路径探测精度模拟式光电传感器的发 光和接收都是锥角一定的圆锥形空间，其电压大小与传感器距离黑色路径标记线 的水平距离有定量关系：离黑线越近，电压越低，离黑线越远，则电压越高（具 体的对应关系与光电管型号以及离地高度有关），如图2所示。

〈J传感器电压线位置 水平偏移距离图2传感器电压与偏移距离关系示意图 因此 只要掌握了传感器电压一偏移距离特性关系，就可以根据传感器电压大小 确定各传感器与黑色标记线的距离（而不是仅仅粗略判断该传感器是否上）， 进而获得车身纵轴线相对路径标记线的位置，得到连续分布的路径信息根据实车试验，可以将路径探测的精度提高到1mm这样传感器采集的信息就 能保证了单片机可以获得精确的赛道信息，从而为提高赛车的精确控制提供了保 证双排排列与前瞻设计本文开发了智能车性能仿真平台，对传感器的布局进行了深入研究由于转向舵 机、电机和车都是高阶惯性延迟环节，从输入到输出需要一定的吋间，越早知道 前方道路的信息，就越能减小从输入到输出的滞后检测车前方一定距离的赛道 就叫前瞻，在一定的前瞻范围内，前瞻越人的传感器方案，其极限速度就会越高, 其高速行驶过程中对引导线的跟随精度也相对较高，系统的整体响应性能较好 因此路径识别模块设计成抬起与地面形成一个夹角，前排传感器用于前瞻，后排 传感器对赛道始点进行识别、计算车身纵轴线与赛道中心线的偏差斜率，以利于 更好地调整车辆的姿态为了保证在离地间隙尽可能大的情况下光电传感器仍然有足够大的发光强度，本 文采用了大电流脉冲触发发光的控制方式。

根据实验测试，发光管在发光吋，经过的电流约为0.5A如果用15个传感器， 则瞬时电流为7.5Ao这样大的电流肯定会对电池电压造成一•定的冲击，不利于 整个系统的正常运行因此将前后排传感器的发光时间错开，通过两套触发电路 来控制发光这样就有效减小了红外发光管发光吋对电池电压的冲击转向和驱动控制与路径记忆算法驱动电机控制本文在电机输出轴上加一齿盘，电机输出轴的转动带动齿盘的转动将对射光偶 发光和接受管放在码盘两侧码盘转动时，由于码盘丄的齿经过发光管发出的光 线时，会阻碍光线传播所以接收管两端的电阻会有很人的变化，这样，在电路 中采样电阻两端的电压就会有很大的变化用处理器丄的脉冲捕捉端口采集电压 脉冲单位吋间内的个数，就会获得电机转速，从而获得车速电机驱动采用的是飞思卡尔公司的MC33886o所不同的是本文采用了三片 MC33886并联，一方面可以减小导通电阻，提高电机驱动能力，并H MC33886 的发热情况也有了很大的好转；另一方面减小MC33886内部的过流保护电路对 电机启动及制动时的影响电机采用PID闭环控制，可以根据不同负载状况及吋调整PWM的占空比，使车 辆迅速地跟踪FI标速度。

为了尽量提高车速，采用在直道丄设定最高H标车速，定速控制，接近弯道处开 始降速，正式转入弯道吋，将车速调整到过弯极限车速，将要出弯道时提前加速转向控制根据Fl前采用的双排模拟式光电传感器布局，可以得到车身纵轴线距离赛道中心 线的偏移量，还可以得到中心线相对于车身纵轴线的斜率，从而得知当前状态下 车身的姿态，进而进行转向控制这里设定根据前排传感器信号得到的转角为01,根据前后排传感器信号得到的 纵轴线斜率信息而得到的转角为62,最终的转向角度的确定公式为：e=kiei+k262采用这样的控制策略，可以实现对车实际姿态的加权控制，大大提高过弯速度， 减少由于探测精度问题带来的决策累积误差另外，大前瞻与双排的双重组合， 达到了对正常弯道提前转弯，对于S弯道迟滞转向的特性为了使舵机更好地对给定的转角值做出响应，采用了 PID调节，通过道路试验 进行参数整定，使得车辆在高速时保持了很高的稳定性路径记忆算法由于比赛规则要求车辆在跑道上行驶两圈，因此车辆第一圈时通过记录转速传感 器采集到的脉冲数、转向舵机的转角等信息，来判断区分直道、弯道、S弯道以 及转弯的方向与转弯半径等等信息根据第一圈记录的数据信息，可以对第二圈 的各个道路点进行分段处理。

直道上采用最高速加速，在进入弯道之前提前进行 减速，减至过弯的极限最高车速，对于不同半径的弯道，选择不同的车速路径记忆算法的优势在于对于复杂的S弯道，可以实现类似CCD 探测头达到的效果，选用小的转向角度通过，这样可以大大缩短时间具体算法 请见经验及结论本文的智能车开发工作经过6轮开发迭代，从最初的小前瞻单排数字式传感器， 发展成脉冲发光、大前瞻、双排排列、模拟式传感器方案；控制策略从单纯的 PID控制升级到路径记忆控制，使得车辆的导航性能有了很大提高通过智能车 开发过程，得出一些经验开发之初需要对光电传感器特性、转向舵机特性、驱动电机特性、车辆机械性 能、转向侧滑特性、电池特性等进行实际的检测窃根据汽车理论对车辆进行规则容许范囤之内的结构调整，使之达到较佳的机械 性能冷组委会开发了仿真平台，应该充分利用该仿真工具对基于光电传感器的路径识 别方案进行研究，结合硬件的选型和自身在控制及电子方面的经验，确定路径识 别方案前瞻距离较远的方案有助于提高车辆的通过速度车辆的控制采用PID即可满足要求，参数的整定需要结合道路试验进行车速 的加快和减慢不要太剧烈，平稳的控制也可以取得很好的效果过大的加速度会 导致电机和驱动芯片的过热以致驱动性能下降。