智能小車自動糾偏與避撞的實現(xiàn)

張 俊，周 暉，王 超，徐榮華，孫小磊，朱松盛

（南京醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程系，江蘇 南京 210029）

智能車輛[1-3]是一種機器人，它可以按照預先設定的模式在一個環(huán)境里自動行駛，也可以根據(jù)現(xiàn)場情況自主執(zhí)行特定操作。其設計內(nèi)容涉及自動控制、計算機技術、傳感與檢測技術等多個學科。智能小車在自動控制領域具有廣闊的應用前景。其中，如何保證車輛直線行駛，而不是“之”字形行駛、轉(zhuǎn)彎過程如何保證平行行駛，和超車是其中3個需要解決的基本問題。文中根據(jù)3個問題分別提出了解決方法，實際實驗效果良好。

1 現(xiàn)實應用模擬原理

本文模擬現(xiàn)實應用，借助圖1所示跑道（2塊細木工板拼接而成，離地面高度8 cm，板上邊界線由約2 cm寬的黑膠帶構成；虛線由 2 cm寬、長度為 10 cm、間隔為10 cm的黑膠帶構成）實現(xiàn)如下功能：甲車車頭緊靠起點標志線，乙車車尾緊靠邊界，甲、乙兩輛小車同時起動，先后通過起點標志線，在行車道同向而行，在超車區(qū)超車，并實現(xiàn)兩車交替超車領跑功能。

2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)組成結構如圖2所示。小車主要由控制中心（MSP430F149單片機[4]）、避撞檢測模塊、轉(zhuǎn)彎線檢測模塊（兼作彎道糾偏）、直道糾偏檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、簡易按鍵、nRF905[5]通信接口、電源等組成。

圖1 行駛路線圖Fig.1 Road map

2.1 避撞檢測模塊

圖2 系統(tǒng)結構Fig.2 System structure

圖3 避撞檢測模塊Fig.3 Avoid bump detection module

2.2 轉(zhuǎn)彎線檢測模塊

采用紅外反射收發(fā)對管來檢測黑色標志線，放置在小車車頭，用于檢測圖1中的轉(zhuǎn)彎標志線和超車標志線，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線照射到平板上，若紅外接收管不能接收到反射回的光線則表示光線全被吸收，則檢測出黑色標志線，從而輸出高電壓，若能接收到反射回的光線則表示檢測到非黑色標志線，輸出低電壓。

2.3 直道糾偏檢測模塊

行車道40 cm，邊界由2 cm黑膠帶圍成，如果不加防護措施小車容易滑落。正常如果不加防護措施，小車容易脫離跑道。由小車側面兩個E18-D80NK紅外傳感器[6]進行直道中的糾偏，將兩個紅外避障傳感器分別向外傾斜一定角度，安裝在小車兩側，如圖 4所示，調(diào)節(jié)紅外避障傳感器的感應距離，使避障距離介于傳感器到跑道與傳感器到地面之間，當傳感器探測到跑道時，輸出低電平，表示小車在跑道上，當探測到地面時，輸出高電平，說明小車即將脫離跑道，這時及時糾偏，確保小車正常行駛。

2.4 通信接口

超車時，為了確定兩車的位置、及時調(diào)節(jié)兩車的速度、減少超車時間，需要使用nRF905在兩車間進行無線通信。nRF905是挪威 Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，使用SPI接口與微控制器通信。

2.5 電機驅(qū)動模塊

采用L298N驅(qū)動直流電機，利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動電機，這種方法的優(yōu)點是利用PWM波來控制電機速度，其余端口可以控制電機的正反轉(zhuǎn)。

圖4 小車整體圖Fig.4 Car appearance

3 軟件設計

小車行駛模式分為：自主模式、跟隨模式。自主模式即前面的車依照事先設定的速度行駛，并自動糾偏。跟隨模式即后車緊跟在前車后面，保持一定距離，并自動糾偏。自主模式和跟隨模式能自動切換。

3.1 直道糾偏算法

小車行駛過程中，直道糾偏采用兩次糾偏的方式。如果僅采用一次糾偏，如圖5左所示，雖然可以把小車的前進方向糾正，但小車整體處在跑道邊緣，偏離跑道中心，在下次出現(xiàn)偏離時很容易出現(xiàn)來不及糾正而小車已經(jīng)掉落跑道的情況。根據(jù)否定之否定規(guī)律，采用兩次糾偏，在糾正行車方向同時，調(diào)整小車位置趨向跑道中心。該算法如下：

圖5 兩種直道糾偏算法比較Fig.5 Two straight correction algorithm

直道糾偏的同時開啟TimerA計時；小車離開跑道邊緣時關閉TimerA，保存計時值：nTurnHold。

繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，時長為2*nTurnHold（繼續(xù)保持 2*nTurnHold轉(zhuǎn)彎是為了將小車調(diào)整向跑道中間）；反向轉(zhuǎn)彎，時長為nTurnHold（反向轉(zhuǎn)彎是為了糾正小車方向）；恢復原來的行駛模式。具體流程圖如圖 6所示，先判斷接近的是左或右邊線，做好左右轉(zhuǎn)標記，然后以直道兩次糾偏算法進行計算，最后根據(jù)左右轉(zhuǎn)標記進行反方向糾偏。

圖6 直道糾偏流程Fig.6 Correction flow chart in straight

3.2 彎道糾偏算法

采用小車兩邊轉(zhuǎn)速不同、輔以延時的方法來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，因此延時時間是關鍵。然而，通常在過轉(zhuǎn)彎標志線時，車身與線不垂直且角度也不固定，如圖7所示。這將造成無法確定一個固定的延時值。為此，采用彎道糾偏的方法，確保小車過彎后姿態(tài)可控，該方法流程圖如圖8所示。其中，每輛車配有兩塊對稱分布于車頭兩邊的轉(zhuǎn)彎線檢測模塊，當其中有一塊檢測到轉(zhuǎn)彎線時，先判斷是左還是右，如果是左邊先檢測到線則符號為“+”，否則為“-”，然后立刻打開 MSP430的計時器TimerA，計算兩塊傳感器檢測到轉(zhuǎn)彎線的時間差。根據(jù)符號是“+”或“-”，將上面得到的時間差以一定比例加/減到固定延時時間上，這個比例無準確計算方法，實際數(shù)值主要根據(jù)跑道的摩擦力，小車速度等客觀條件確定，進而得到最終的時間參數(shù)（即轉(zhuǎn)彎時長nVeerTime），轉(zhuǎn)彎函數(shù)調(diào)用此參數(shù)。這樣一種“負反饋式修正”的方法，能使小車在轉(zhuǎn)彎后基本平行于跑道，且趨向跑道中間。

圖7 過彎模擬圖Fig.7 Turn corner simulation

轉(zhuǎn)彎時長：nVeerTime；左、右傳感器探測到轉(zhuǎn)彎時間差：nDiffValue；轉(zhuǎn)彎固定延時值：nStaticTime；比例系數(shù)：fRatio。

nVeerTime=nStaticTime+nDiffValue*fRatio

超車時需要多次轉(zhuǎn)彎，因而超車標志區(qū)設置多條黑線，可以多次調(diào)整，將保證小車進入超車區(qū)后的姿態(tài)最理想。

圖8 彎道糾偏流程Fig.8 Correction flow chart in corner

3.3 超車糾偏算法

到達圖1中超車區(qū)后，先經(jīng)超車標志區(qū)多條線采用類似彎道糾偏方法調(diào)整好小車姿態(tài)。然后，根據(jù)超聲測距的結果判斷本車是前車還是后車。若是后車，轉(zhuǎn)彎進入超車道，加速超車后返回行車道，發(fā)送無線信號告知另一車超車已完成，最終恢復自主模式行駛。若是前車，則減速慢行，等待后車的超車結束信號，最終恢復跟隨模式行駛。超車時后車進入超車區(qū)行駛，前車則在原跑道行駛，只要保證兩車速度差足夠大，就可以保證后車順利超過前車。

具體流程圖如圖 9所示，其中關鍵是兩車配合的時間問題，通過無線模塊可以使兩車進行同步。小車在直道、轉(zhuǎn)彎、超車過程中，自動糾偏將一直運行，并實現(xiàn)自主模式和跟隨模式自動切換。

圖9 超車流程Fig.9 Overtaking flow chart

3.4 避撞算法

在直線行駛中，為了防止后車撞上前車，需要使用避撞檢測模塊來保持車距。本文采用HY-SRF05超聲測距傳感器測量兩車間距離，并預設安全值25 cm。車距大于安全值時，后車可加速行駛；車距小于安全值時，則減速。如此，可使得后車跟隨前車，實現(xiàn)跟隨行駛，但在轉(zhuǎn)彎及超車時，全部自主行駛，不再跟隨前車，當轉(zhuǎn)彎，超車等特例操作結束后，再恢復自主行駛/跟隨行駛。避撞算法流程圖如圖10所示。

圖10 避撞流程Fig.10 Avoid bump flow chart

4 結束語

文中針對具有引導線環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點問題，采用多傳感器，通過單片機控制，實現(xiàn)智能小車的路徑跟蹤和自動糾偏的功能，在此基礎上還實現(xiàn)了車輛的超車功能。在實際測試中，運行一圈大約需要14.85±1.52 s，小車運行穩(wěn)定，在測試的25圈中未出現(xiàn)掉落的情況。表明效果較好，并易于實現(xiàn)。

[1]Zhang W.Cooperatively Controlled Collision Avoidance[C]//ITSC’97 IEEE Conference on Intelligent Transportation System，1997：824-829.

[2]王洪升，田蔚風，金志華.一種面向智能交通的移動機器人控制系統(tǒng)[J].自動化技術與應用，2004，23（1）：45-48.

WANG Hong-sheng，TIAN Wei-feng，JIN Zhi-hua.The control system of a mobile robot for ITS[J].Techniques of Automation 8 Applications，2004，23（1）：45-48.

[3]Simon A，Becker J C.Vehicle Guidance for an Autonomous Vehicle[C]//Proceedings of 1999 IEEE/IEEJ/JSAI International Conference on Intelligent Transportation Systems，1999：429-434.

[4]Texas Instruments INC.MSP430x1xx Family User’s Guide（Rev.F）[S].2006：202-224.

[5]Nordicsemi INC.nRF905 Single Chip 433/868/915MHz Radio Transceiver[S].2004：12-26.

[6]趙繼文，何玉彬.傳感器與應用電路設計[M].北京：科學出版社，2002：89-124.

[7]Thomas L F.Digital Fundamentals[M].UK：Prentice Hall， 2005：45-99.