智能汽車(chē)競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告(節(jié)選)

第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽在原有CCD組和光電組基礎(chǔ)上增加了電磁組，以100mA的交變電流為賽道，自主開(kāi)發(fā)檢測(cè)傳感器。檢測(cè)賽道信息。鑒于電磁組與光電、CCD在檢測(cè)方法上有本質(zhì)的不同，我們?cè)趥鞲衅髟O(shè)計(jì)上采用電感線圈檢測(cè)磁場(chǎng)，通過(guò)在多個(gè)點(diǎn)布置不同方向的檢測(cè)傳感器獲取賽道信息，利用所獲取的信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)賽車(chē)轉(zhuǎn)向、速度進(jìn)行控制。同時(shí)，我們利用前幾屆比賽積累下的經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)加強(qiáng)在電源管理、噪聲抑制、驅(qū)動(dòng)優(yōu)化、整車(chē)布局等方面的研究工作，使智能車(chē)能夠滿足高速運(yùn)行下的動(dòng)力性和穩(wěn)定性需求，獲得了良好的綜合性能和賽場(chǎng)表現(xiàn)。

整車(chē)設(shè)計(jì)思路

控制系統(tǒng)

智能車(chē)的工作模式如圖1所示：電磁傳感器獲取賽道某點(diǎn)電磁特性，信號(hào)輸入到s12控制核心，進(jìn)行進(jìn)一步處理以獲得賽道信息：通過(guò)光電編碼器轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)車(chē)速，并采用S12的輸入捕捉功能進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算車(chē)速和路程：通過(guò)片上AD檢測(cè)電池電壓：舵機(jī)轉(zhuǎn)向采用分段PID控制；電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用PID控制，通過(guò)PWM控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)的功率。

整車(chē)布局

鑒于賽車(chē)和賽道的特點(diǎn)，并且車(chē)模不變、今年在整車(chē)布局上仍延續(xù)基本布局的思路，采用低重心緊湊型設(shè)計(jì)。井架高舵機(jī)以提高響應(yīng)速度。為調(diào)整整車(chē)重心位置，采用碳桿支撐電磁傳感器，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在降低整車(chē)重心方面采用了低位主板的布局，同時(shí)設(shè)計(jì)了強(qiáng)度高質(zhì)量輕的電磁傳感器安裝架，減輕信號(hào)采集電路板重量，降低電池架高度，降低賽車(chē)前方底盤(pán)高度，如圖2。

電磁組主要特點(diǎn)

1 傳感器信號(hào)為模擬值

電磁組需要檢測(cè)的信號(hào)為大小100mA，頻率為20KHz的方波信號(hào)，賽道由導(dǎo)線鋪成，導(dǎo)線周?chē)植贾蛔兊碾姶艌?chǎng)，由于賽道的各種形狀，使得磁場(chǎng)發(fā)生疊加，不同的賽道形狀形成不同的特征磁場(chǎng)，如下圖為十字線附近的磁場(chǎng)。賽道信息相對(duì)于傳統(tǒng)黑白線具有信號(hào)可以提供模擬信息的優(yōu)勢(shì)，我們利用電磁賽道這種優(yōu)勢(shì)，完善小車(chē)控制算法，達(dá)到了較好的控制效果。

2 傳感器信號(hào)具有方向性

磁場(chǎng)是矢量，在空間的分布為具有方向性，所以傳感器檢測(cè)到的信號(hào)也具有特定的方向性。在實(shí)際檢測(cè)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)、不同方向傳感器的變化規(guī)律有很大的不同，這也和磁場(chǎng)的分量變化規(guī)律相一致。比如，磁場(chǎng)垂直分量變化的比較早，但是受相鄰賽道的影響較大，而磁場(chǎng)的水平分量恰好相反。

硬件設(shè)計(jì)

傳感器方案

磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器

使用10mH電感和6.8nF電容并聯(lián)諧振，來(lái)感應(yīng)20kHz的磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，得到正弦波，再用AD采樣，得到正弦波的峰值，以判斷傳感器離導(dǎo)線的距離，從而定位導(dǎo)線。由于官方給出的三極管放大電路不易調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，檢波電路信號(hào)變化速度較慢，我們決定使用運(yùn)放放大直接由AD采樣。電路圖如圖4。運(yùn)放使用了TL082雙運(yùn)放，能夠?qū)⑿盘?hào)放大幾千倍，可以滿足探測(cè)的需要。電磁起跑為并排放置的3000gauss的磁鐵，經(jīng)過(guò)對(duì)霍爾傳感器和千簧管的試驗(yàn)，最終選擇使用千簧管做起跑檢測(cè)，以達(dá)到較高的檢測(cè)精度和較大的檢測(cè)距離。

傳感器的布局

電磁傳感器測(cè)出的信號(hào)為當(dāng)前所在位置的某個(gè)方向的磁場(chǎng)信息，所以傳感器的布局至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器相距較大，視角寬，得到的賽道信息量大。所以，采用盡量架寬主要傳感器的方式，以獲得豐富的賽道信息，并且提前預(yù)知賽道形狀。

主扳電路設(shè)計(jì)

主板上主要包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、信號(hào)檢測(cè)電路、各模塊的接口。

信號(hào)檢測(cè)電路

多個(gè)傳感器的信號(hào)接到主板上后，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)cD4051芯片選通，然后輸出給單片機(jī)AD進(jìn)行采樣，框圖如圖6。模擬開(kāi)關(guān)使用性能優(yōu)良的CD4051芯片，8路信號(hào)輸入。

賽道識(shí)別

傳感器的布局方案為車(chē)的賽道識(shí)別提供了一定的前瞻，軟件的設(shè)計(jì)方案就要利用好這樣的前瞻，更早地識(shí)別賽道變化情況，提高行進(jìn)速度。同時(shí)，除了前瞻以外，還需要考慮車(chē)前方近處的賽道情況。綜合考慮二者的情況，給出的賽道識(shí)別信息，可以同時(shí)滿足遠(yuǎn)處和近處的要求，實(shí)現(xiàn)在“s”形彎道盡可能直沖、彎道切內(nèi)線并且提前轉(zhuǎn)向的效果。

此外，還需要對(duì)于一些特殊情況進(jìn)行特殊的處理。首先，是十字線的處理。從圖3中可以看到，在前瞻較大的時(shí)候，十字線的磁場(chǎng)分布與正常的九十度彎道非常類(lèi)似，容易出現(xiàn)忽略十字線直接轉(zhuǎn)向的情況。進(jìn)入十字線之后，內(nèi)側(cè)的磁場(chǎng)與螺線管類(lèi)似，遠(yuǎn)大于外側(cè)的磁場(chǎng)，容易出現(xiàn)內(nèi)切過(guò)大的情況。為此，我們?cè)谑志€附近采用了特殊的識(shí)別策略。并且在識(shí)別之后，在交叉線附近的直道上降低舵機(jī)的擺動(dòng)。這樣可以降低十字線的特殊磁場(chǎng)的干擾。

其次，由于提高前瞻的考慮，傳感器的視角并不是很大，容易出現(xiàn)迷失的情況。我們通過(guò)嘗試發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)迷失之后，兩個(gè)水平傳感器的信號(hào)之和會(huì)變小。通過(guò)這一點(diǎn)，我們找到了判定迷失的條件。迷失之后，降速，舵機(jī)打到一個(gè)比較大的角度。

最后，是坡道的處理。在坡道上，同樣會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)水平傳感器的信號(hào)之和會(huì)變小的情況。有所不同的是，坡道上，傳感器之間的差不會(huì)很小。通過(guò)這一點(diǎn)，我們解決了坡道上會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤迷失的情況。

點(diǎn)評(píng)：

飛思卡爾智能車(chē)比賽已舉行了五屆了，回顧這幾年的技術(shù)發(fā)展，從第一年以光電車(chē)為主，到第二年攝像頭車(chē)成績(jī)遙遙領(lǐng)先，到第三年激光管車(chē)的出現(xiàn)，每一個(gè)新的檢測(cè)方法的出現(xiàn)都使車(chē)速提升到一個(gè)新的高度。今年，組委會(huì)又加設(shè)了電磁組，從分賽區(qū)成績(jī)來(lái)看，電磁車(chē)采用新的檢測(cè)形式并沒(méi)有在速度上輸給傳統(tǒng)光電和CCD，并且由于電磁信號(hào)具有方向性、連續(xù)性必然會(huì)在以后的發(fā)展中展現(xiàn)出更多的優(yōu)勢(shì)。我們?cè)陔姶徘罢吧献隽艘恍┭芯亢蛧L試，但是相對(duì)于光電和攝像頭還差太遠(yuǎn)，并且電磁前瞻對(duì)賽道參數(shù)依賴性很強(qiáng)、易受電磁環(huán)境影響，還有很多不穩(wěn)定因素和不明確的地方。但是，我們有信心，電磁信號(hào)的優(yōu)勢(shì)一定能在以后的比賽中發(fā)揮出來(lái)，長(zhǎng)距離、高穩(wěn)定性的前瞻在檢測(cè)手段和精度不斷提高的基礎(chǔ)上一定可以實(shí)現(xiàn)。期待明年智能車(chē)賽場(chǎng)上有令人驚異的技術(shù)的出現(xiàn)。