基于電磁四輪小車的距離積分算法

基金項(xiàng)目：無(wú)錫學(xué)院優(yōu)秀本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))支持計(jì)劃，項(xiàng)目編號(hào)BSZC2023039

0 引言

智能車輛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依靠車內(nèi)以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，涵蓋智能控制、模式識(shí)別等學(xué)科前沿?zé)狳c(diǎn)的研究領(lǐng)域，其研究與應(yīng)用具有巨大的理論和現(xiàn)實(shí)意義^[1]。智能車輛的研究體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)^[2]。智能小車是智能車輛的微縮模型，具有自動(dòng)尋跡、尋光、避障等功能^[3]。

通過(guò)采用先進(jìn)的電磁感應(yīng)傳感器技術(shù)，智能循跡小車控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向，并且可以通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，以確保車輛沿著預(yù)先設(shè)定的路線行駛。本文將深入探討智能循跡小車的硬件、軟件以及控制算法，以期望更好地實(shí)現(xiàn)其功能。這個(gè)硬件系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：LQBLEV3M 藍(lán)牙模塊、STC16F128K單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電感檢測(cè)模塊。通過(guò)使用電感來(lái)檢測(cè)路面的電磁狀態(tài)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TC16F128K單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡和無(wú)線遙控等多種功能。

目前主要的智能車控制算法有，PID 控制^[4]、MPC模型預(yù)測(cè)^[5]、LQR 控制^[6]等。本文所研究的距離積分算法相較于上述循跡方法實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單方便，也能夠依靠智能車的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行人工的調(diào)控，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效范圍主要依靠編碼器讀取實(shí)現(xiàn)，有一定的魯棒性。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁智能小車系統(tǒng)分為五大模塊：主控制器模塊、電源模塊、電磁傳感器模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 電源模塊

電源模塊是硬件設(shè)計(jì)中的重要組成部分，它主要是對(duì)7.4 V、3 000 mA 蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。由于各模塊需要的工作電壓和電流不盡相同，所以在實(shí)際中我們?cè)O(shè)計(jì)了多種穩(wěn)壓電路，用來(lái)滿足各模塊的實(shí)際工作電壓需要。其中7.4 V 電壓給驅(qū)動(dòng)電路供電，3.3 V 電壓給運(yùn)放、編碼器、藍(lán)牙、OLED、電機(jī)驅(qū)動(dòng)使能端等供電，5 V電壓給舵機(jī)供電。

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是給小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供控制和動(dòng)力，本文采用兩片 BTN7971 組成一個(gè) H 全橋電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖 2 所示。我們可以改變從主控芯片輸入到 BTN7971 的PWM 的占空比來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的供電電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路圖

1.3 電磁檢測(cè)模塊

電磁檢測(cè)模塊的主要作用是通過(guò)小車前瞻上的電感檢測(cè)賽道上電磁的強(qiáng)弱。將電磁轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再通過(guò)軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)小車在電磁線上的循跡。

圖3 電感排布方式

1.4 編碼器測(cè)速模塊

本文采用的是LQ512線編碼器。這款3相Mini增量式旋轉(zhuǎn)編碼器具有高精度的旋轉(zhuǎn)特性， 可以通過(guò)3V~5V 的寬電壓輸出旋轉(zhuǎn)方向和脈沖，從而實(shí)現(xiàn)高精度的編碼功能。該編碼器有6 個(gè)引腳，分別對(duì)應(yīng)為：

1）電源地；

2）3.3 V~5 V寬電壓；

3）步進(jìn)脈沖；

4）旋轉(zhuǎn)方向；

5）機(jī)械零位；

6）懸空。

圖4 為輸出信號(hào)時(shí)序圖，圖5 為編碼器各引腳輸入輸出圖。

圖4 輸出信號(hào)時(shí)序圖

圖5 編碼器各引腳輸入輸出

2 軟件部分設(shè)計(jì)方案

2.1 距離積分控制算法

2.1.1 測(cè)量并計(jì)算單位路程的脈沖數(shù)（pulse/m）

下面給出兩種測(cè)量方法。

編碼器距離積分是一種用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的位置和速度的方法，它通過(guò)計(jì)算編碼器輸出的脈沖數(shù)來(lái)?yè)Q算成實(shí)際距離。不同類型的編碼器有不同的脈沖數(shù)和換算公式，需要根據(jù)編碼器的參數(shù)和電機(jī)的特性來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼器距離積分：

1）以正常速度將車推出大于1 m 的距離，然后測(cè)量出實(shí)際距離以及編碼器脈沖積分

2）根據(jù)單位距離的脈沖數(shù)= 實(shí)際距離 / 脈沖積分從而計(jì)算出單位距離的脈沖數(shù)

3）開(kāi)電機(jī)并記錄開(kāi)始時(shí)間和開(kāi)始時(shí)的脈沖積分

4）在每個(gè)采樣周期內(nèi)讀取當(dāng)前時(shí)間和當(dāng)前時(shí)的脈沖積分

5）根據(jù)當(dāng)前時(shí)的脈沖積分減去開(kāi)始時(shí)的脈沖積分，再乘以單位距離的脈沖數(shù)，得到當(dāng)前時(shí)刻行駛過(guò)的總路程

圖6 預(yù)圓環(huán)判斷

2.1.2 距離積分在智能車循跡中的直接應(yīng)用

在環(huán)島處我們可以清晰看出在入環(huán)區(qū)電磁強(qiáng)度大于其他地方，因?yàn)闀?huì)有四根電磁線經(jīng)過(guò)入環(huán)區(qū)。直接循跡通過(guò)強(qiáng)制打角入環(huán)成功率低且容易在路肩處發(fā)生碰撞。但經(jīng)過(guò)距離積分的處理，入環(huán)率會(huì)大大提高，入環(huán)會(huì)顯得更加絲滑。

1）判斷預(yù)圓環(huán)及第1 段距離積分判斷預(yù)圓環(huán)然后開(kāi)始通過(guò)編碼器去計(jì)路程，當(dāng)路程達(dá)到一個(gè)定值之后就通過(guò)舵機(jī)固定打角，執(zhí)行入環(huán)程序。（注：在編碼器計(jì)路程的過(guò)程中，為了防止高速情況下因?yàn)殡姼兄档淖兓^(guò)大導(dǎo)致舵機(jī)小幅度的擺動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致車身姿態(tài)不穩(wěn)，可以在這過(guò)程中讓差比和的誤差手動(dòng)置零，讓舵機(jī)保持在中值狀態(tài)。）

圖7 第一段距離積分

2）環(huán)島內(nèi)2段距離積分

環(huán)島內(nèi)當(dāng)執(zhí)行入環(huán)程序之時(shí)，在圓環(huán)里不能一直保持固定打角，所以在入環(huán)之后，開(kāi)啟積分標(biāo)志位，同時(shí)工字電感引導(dǎo)入環(huán)，當(dāng)距離積分?jǐn)?shù)值大于閾值，則代表入環(huán)程序結(jié)束，執(zhí)行環(huán)內(nèi)尋跡。這里環(huán)內(nèi)尋跡切換到第2個(gè)和5個(gè)電感尋跡，因?yàn)榈谝粋€(gè)電感已經(jīng)在賽道之外了，無(wú)法計(jì)算出正確的差比和值。

圖8 第二段距離積分

3）出環(huán)島第3段距離積分

給定一個(gè)電感閾值，其值略小于入環(huán)閾值，在識(shí)別到后實(shí)現(xiàn)出環(huán)，由于在接下來(lái)相當(dāng)一段長(zhǎng)距離內(nèi)電感出環(huán)采集值的波動(dòng)不會(huì)太大且會(huì)和入環(huán)閾值重合，為了程序進(jìn)入入環(huán)程序，在識(shí)別到出環(huán)閾值后，編碼器走一段距離積分，直到小車完全走出圓環(huán)再切到正常循跡。直到遠(yuǎn)離圓環(huán)，最后把圓環(huán)標(biāo)志位、距離積分執(zhí)行標(biāo)志位數(shù)值置零，等待下一次圓環(huán)。

圖9 第三段距離積分

通過(guò)多次在賽道上實(shí)驗(yàn)，本文將小車使用距離積分入環(huán)和強(qiáng)制打角入環(huán)進(jìn)行了對(duì)比。每個(gè)算法實(shí)驗(yàn)百次，以成功出環(huán)入環(huán)為標(biāo)準(zhǔn)，記實(shí)驗(yàn)數(shù)成功一次。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

圖10 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以強(qiáng)制打角進(jìn)行圓環(huán)處理，小車在出環(huán)處容易再次識(shí)別入環(huán)程序，導(dǎo)致小車難以走出圓環(huán)以至于不能完成整個(gè)賽道的循跡。而距離積分的使用則大大提高了出圓環(huán)的成功率，使小車的完賽率大大提高。

同時(shí)小車在出庫(kù)時(shí)，程序里面運(yùn)用距離積分可以屏蔽小車在啟停點(diǎn)的檢測(cè)，防止多次檢測(cè)影響入庫(kù)，而且在小車入庫(kù)時(shí)，距離積分與延時(shí)的同時(shí)使用能夠讓小車入庫(kù)更加穩(wěn)定。

系統(tǒng)軟件采用C 語(yǔ)言編寫，通過(guò) KEIL 編譯。C 語(yǔ)言被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，其語(yǔ)言結(jié)構(gòu)緊湊，語(yǔ)言規(guī)范，編碼流暢，具有高效率、高精度、高穩(wěn)定性、高兼容性等優(yōu)點(diǎn)，并具有良好的可擴(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言的各種任務(wù)，還支持快速、高效的編碼，支持 KEIL 編譯，支持快速、高效的編輯。因此可以減少程序員對(duì)硬件的操作，功能性和可移植性很強(qiáng)。

圖11 圓環(huán)距離積分控制流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了距離積分在四輪電磁小車中的應(yīng)用，通過(guò)距離積分的應(yīng)用，電磁小車實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的出庫(kù)及環(huán)島的優(yōu)化處理，在實(shí)際的應(yīng)用中，電磁小車行進(jìn)速率較之前未使用距離積分時(shí)有了明顯提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張琨,崔勝民,王劍鋒.基于自適應(yīng)RBF網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償?shù)闹悄苘囕v循跡控制[J].控制與決策,2014,29(4): 627-631.

[2] 劉源,張文斌,劉雪揚(yáng),等.電磁導(dǎo)航智能車檢測(cè)和控制系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(4):63-66.

[3] 程志江,李劍波.基于模糊控制的智能小車控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2008,28(S2):350-353.

[4] 何文威.基于卡爾曼濾波器和PID控制的逆變器研究與設(shè)計(jì)[D].廣州:華南理工大學(xué),2013.

[5] 李國(guó)勇.智能預(yù)測(cè)控制及其Matlab實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:255-268.

[6] 徐明澤,劉清河.基于LQR和PID的智能車軌跡跟蹤控制算法設(shè)計(jì)與仿真[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2022,53(5):877-885.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）