來(lái)源：電子產(chǎn)品世界 作者：清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黃開(kāi)勝 李立國(guó) 劉旺 郝杰

    摘要： 本文按照第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽的技術(shù)要求，研制了基于雙排排列、模擬式光電傳感器、具有前瞻性能的無(wú)人車輛導(dǎo)航系統(tǒng)，提出了基于路徑記憶的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)控制算法，總結(jié)了智能車設(shè)計(jì)制作的經(jīng)驗(yàn)。

    關(guān)鍵詞： 無(wú)人車；導(dǎo)航；光電傳感；路徑記憶

    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導(dǎo)航系統(tǒng)，為整車系統(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。

    智能車總體方案

    智能車系統(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 智能車總體結(jié)構(gòu)

    智能車的工作模式是：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。

    想要取得智能車比賽的好成績(jī)，模型車底盤參數(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)力臂增大和底盤重心位置調(diào)整對(duì)于車模的機(jī)械性能有著較大的影響。底盤參數(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。

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