基于光電傳感和路徑記憶的智能車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

　　引言

　　為響應(yīng)教育部關(guān)于加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、合作精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的號(hào)召，清華大學(xué)汽車(chē)工程系積極組隊(duì)參加了第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽。從2005年12月開(kāi)始著手進(jìn)行準(zhǔn)備，歷時(shí)8個(gè)月，研制了6代基于光電傳感器的路徑識(shí)別方案，開(kāi)發(fā)了智能車(chē)仿真研究平臺(tái)，提出了基于路徑記憶算法的轉(zhuǎn) 向及驅(qū)動(dòng)控制策略，在電源管理、噪聲抑制、驅(qū)動(dòng)優(yōu)化等方面也都進(jìn)行了研究工作，通過(guò)大量的仿真試驗(yàn)、道路試驗(yàn)和基礎(chǔ)性能測(cè)試，開(kāi)發(fā)了基于光電傳感和路徑記 憶的智能車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)，為整車(chē)系統(tǒng)的優(yōu)良性能奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文將從該智能車(chē)總體方案、路徑識(shí)別方案選擇、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)控制及路徑記憶算法等方面進(jìn)行介紹。

　　智能車(chē)總體方案

　　智能車(chē)系統(tǒng)以飛思卡爾公司的MC68S912DP256為核心，由電源模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制模塊、控制參數(shù)選擇模塊、單片機(jī) 模塊等組成，如圖1所示。智能車(chē)系統(tǒng)工作電壓由+1.6V、+5V、7.2V三個(gè)系統(tǒng)混合組成，其中7.2V用于給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)供電，5V給車(chē)速傳 感器、MCU以及光電傳感器接收管供電，1.6V給發(fā)光管供電。為了在線控制參數(shù)的調(diào)整方便，還設(shè)置了一個(gè)控制參數(shù)選擇模塊，可以通過(guò)幾個(gè)按鍵的設(shè)置，調(diào) 用不同的程序或控制參數(shù)，以適應(yīng)不同場(chǎng)地條件的要求。

　　圖1 智能車(chē)總體結(jié)構(gòu)

　　智能車(chē)的工作模式是：光電傳感器探測(cè)賽道信息，轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)當(dāng)前車(chē)速，電池電壓監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)電池電壓，并將這些信息輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。通過(guò)控制算法對(duì)賽車(chē)發(fā)出控制命令，通過(guò)轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)賽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

　　想要取得智能車(chē)比賽的好成績(jī)，模型車(chē)底盤(pán)參數(shù)優(yōu)化和硬件設(shè)備的可靠性是非常重要的。其中，前輪定位參數(shù)優(yōu)化、轉(zhuǎn)向舵機(jī)力臂增大和底盤(pán)重心位置調(diào)整對(duì)于車(chē)模的機(jī)械性能有著較大的影響。底盤(pán)參數(shù)的優(yōu)化參見(jiàn)[1]，本文不贅述。

　　路徑識(shí)別方案選擇與電路設(shè)計(jì)

　　路徑識(shí)別方案是首先需要確定的，主要有以下幾個(gè)問(wèn)題。

　　*光電識(shí)別還是攝像頭識(shí)別;

　　*傳感器如何排列?間隔多大、形狀如何、單排還是雙排;

　　*傳感器可向前探測(cè)的遠(yuǎn)度;

　　*傳感器信號(hào)采用數(shù)字式還是模擬式;

　　*電路上如何實(shí)現(xiàn)。

　　由于光電識(shí)別方案簡(jiǎn)單可靠，因此本文采用了光電識(shí)別方案。

　　數(shù)字式光電識(shí)別與模擬式光電識(shí)別

　　比賽組委會(huì)要求傳感器個(gè)數(shù)最多為16個(gè)，除掉1個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，可用于探測(cè)路徑的傳感器為15個(gè)，而傳感器允許布置的總寬度為25cm，如果采用數(shù)字式光電 傳感器均勻分布，對(duì)道路的探測(cè)精度只能達(dá)到17mm左右，這樣賽車(chē)在前進(jìn)過(guò)程中很難達(dá)到很高的控制精度和響應(yīng)速度。從本質(zhì)上講，數(shù)字式光電傳感器的劣勢(shì)就 在于它丟掉了路徑探測(cè)中的大量信息。

　　模擬式光電傳感器從理論上可以大大提高路徑探測(cè)精度。模擬式光電傳感器的發(fā)光和接收都是錐角一定的圓錐形空間，其電壓大小與傳感器距離黑色路徑標(biāo)記線的水 平距離有定量關(guān)系：離黑線越近，電壓越低，離黑線越遠(yuǎn)，則電壓越高(具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系與光電管型號(hào)以及離地高度有關(guān))，如圖2所示。

　　圖2 傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖

　　因此，只要掌握了傳感器電壓—偏移距離特性關(guān)系，就可以根據(jù)傳感器電壓大小確定各傳感器與黑色標(biāo)記線的距離(而不是僅僅粗略判斷該傳感器是否在線上)，進(jìn)而獲得車(chē)身縱軸線相對(duì)路徑標(biāo)記線的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息。

　　根據(jù)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，可以將路徑探測(cè)的精度提高到1mm。這樣傳感器采集的信息就能保證了單片機(jī)可以獲得精確的賽道信息，從而為提高賽車(chē)的精確控制提供了保證。