電動四輪車電感元件路徑行進控制

焦張賓

【摘? 要】汽車自動駕駛是近年來科技領(lǐng)域研究的熱點之一，智能小車也成為人們重要研究的方向。本系統(tǒng)設(shè)計了一款以MK66為微型控制器的智能行徑小車。智能小車能按照路徑預(yù)先鋪設(shè)的電磁軌道，運用車身上安裝的多個傳感器進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)四輪小車的自動駕駛。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分主要通過成組電感元件檢測鋪設(shè)于四輪電動小車行進路徑上傳輸?shù)慕蛔冸娦盘枺瑢⒉煌姼性碾姶鸥袘?yīng)強度信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，分析小車偏離主道中心線的誤差值，提出修正偏差值的算法，運用PWM技術(shù)控制伺服電機以修正方向偏差，控制直流電機轉(zhuǎn)速與之配合，并利用PID技術(shù)保證小車航向控制的平滑與穩(wěn)定。在小車行進控制中，必要時輔以攝像頭檢測行進路徑，并根據(jù)視覺檢測結(jié)果對伺服電機和直流電機控制提供參考。

【關(guān)鍵詞】智能小車 行徑控制 電感元件

一、概述

汽車自動駕駛是人類長期以來的夢想，這個夢想正在逐步成為現(xiàn)實，已經(jīng)成為現(xiàn)在工程應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點，并且取得了許多不錯的進展。自動駕駛技術(shù)又被稱為無人駕駛技術(shù)，汽車自動駕駛無需人對汽車進行操控的情況下自動安全的駕駛，實現(xiàn)汽車自動停車、行駛、避讓行人和障礙物等動作。根據(jù)現(xiàn)代智能化水平不斷的提高，汽車無人駕駛更加滿足現(xiàn)在人們的需求。相比傳統(tǒng)人為駕駛，自動駕駛技術(shù)有更加智能化、方便、準確等優(yōu)點。為了滿足人們生活的需求，汽車自動駕駛將會設(shè)計得更加實用和智能化。

使汽車沿規(guī)定的路線行駛，是自動駕駛技術(shù)研究的初步。根據(jù)參加“恩智浦”競賽的體驗，為了簡化研究，可以采用電磁感應(yīng)路徑檢測和視頻路徑檢測兩種方法。根據(jù)復(fù)雜多變的道路情況和各種不可預(yù)測的外部因素，都會或多或少的影響自動駕駛的實用性和可靠性。自動駕駛的設(shè)計包括了硬件部分和軟件部分組成，智能小車可根據(jù)地面預(yù)先鋪設(shè)的電磁線，通過傳感器接收到的電磁信號自動感知方向，并根據(jù)傳感器接收到的情況分析處理障礙物等外部因素，實現(xiàn)智能的避讓道路上的障礙物。

自動駕駛技術(shù)使得人們的生活更加的便捷，在智能化的時代各種智能技術(shù)也滿足了人們的需求，改變了人們出行的方式，道路的擁堵問題也得到一定的改善。汽車的自動化技術(shù)必將成為未來發(fā)展的趨勢。

二、國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀

（一）背景

隨著汽車發(fā)展技術(shù)的不斷提高，汽車保有量的增加和新技術(shù)的融合，人們對于汽車的性能、安全、穩(wěn)定、外觀等要求越來越高。傳統(tǒng)的汽車已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在人們的需求，智能汽車的出現(xiàn)掀起了新的熱潮。智能汽車相當于是一個可移動的機器人，它擁有一個智能的大腦（CPU）可以分析處理信息，各類傳感器類似于人們的眼睛，感知和收集周圍所有的環(huán)境信息傳遞給CPU。汽車能通過復(fù)雜的算法讓汽車能在道路上安全、穩(wěn)定的自動駕駛，無需人為的操控。

但在目前來說汽車無人駕駛技術(shù)還不夠成熟，很多公司還在測試和改進中，人們最擔心的是安全隱患。因為城市道路環(huán)境復(fù)雜和車流量大等因素，要想汽車自動駕駛比人為操作更精準和安全，還有一些困難。

現(xiàn)在，一輛自動駕駛汽車的成本太高，進行改裝的車輛不多，汽車安全測試數(shù)據(jù)還不夠穩(wěn)定。

（二）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

汽車自動化駕駛的趨勢已經(jīng)逐漸引起全球的重視，中國也在加大汽車自動駕駛發(fā)展的支持力度。自動駕駛技術(shù)需要人定位系統(tǒng)技術(shù)、工智能技術(shù)和自動化技術(shù)等眾多技術(shù)于一體。早在20世紀80年代時我國就有自動駕駛技術(shù)相關(guān)的試驗。而為了促進我國的自動駕駛技術(shù)的發(fā)展和交流，2009年科學(xué)基金委員會舉辦了“中國智能車未來挑戰(zhàn)賽”，之后陸續(xù)有相關(guān)的智能車大賽的舉辦活動，以便促進和改善自動駕駛的相關(guān)技術(shù)。

我國主要的研發(fā)機構(gòu)有汽車廠、研究所、新型創(chuàng)業(yè)公司和高校，例如2002年在國防科技大學(xué)成功研制的紅旗CA7460。紅旗CA7460最高時速可高達110千米每小時，在正常的高速公路上，可根據(jù)道路上的實際情況自動變換車道，躲避前方的車輛。

我國現(xiàn)在幾乎每一家汽車企業(yè)都在研究自動駕駛技術(shù)，國內(nèi)的長安集團、百度公司，也有大量初創(chuàng)企業(yè)加入自動駕駛領(lǐng)域。不少相關(guān)的專家對汽車自動駕駛做出了巨大的努力和貢獻，同時也申請了汽車自動駕駛方面相關(guān)的產(chǎn)品專利。騰訊在2016年下半年成立自動駕駛實驗室，依托360度環(huán)視、高精度地圖、點云信息處理以及融合定位等方面技術(shù)積累，聚焦自動駕駛核心技術(shù)研發(fā)[6]。阿里、樂視等也紛紛與上汽等車企合作開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)汽車[4]。

在汽車自動駕駛技術(shù)方面我國的起步相對較晚，很多技術(shù)還不夠成熟，技術(shù)層面問題存在一定的差異。并且我國汽車自動駕駛的一些設(shè)備和零件都是從國外進口的，所有我國需要進步和改善的方面還有很多。

（三）國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國的加州大學(xué)伯克利分校在1997年，開展了自動駕駛PATH項目，這次項目引起了自動駕駛的新浪潮。PATH項目演示路途的總長度為7.6千米，全程沒有任何駕駛員的干涉，但由于相關(guān)法律干涉，后期的項目并未繼續(xù)開展。

2019年，國外谷歌公司又一次掀起了汽車無人駕駛技術(shù)的新浪潮，2017谷歌公司共開展了汽車自動化駕駛實驗289千米。測試總共有13起交通事故發(fā)生，但大多數(shù)的事故是由于汽車控制不當追尾造成的。但事故主要責任方并不是谷歌公司的自動駕駛汽車，在13起交通事故中也沒有造成人員的傷亡事故。

目前美國和德國的自動駕駛技術(shù)比較領(lǐng)先，而我國正在追趕著這股潮流。在2015年，德國在高速公路上測試了自動駕駛相關(guān)的實驗，在實踐中獲取到了更多的經(jīng)驗。并且相關(guān)部門還給予汽車自動駕駛項目的補貼，以便于更好的實施項目和提供實時的汽車交通信息。日本也有公司在多地進行汽車自動駕駛的相關(guān)測試，通過多次實踐累計的數(shù)據(jù)記錄汽車自動駕駛的安全性。

（四）論文結(jié)構(gòu)

第一章，本文的概述，簡單介紹了汽車自動駕駛的意義和發(fā)展。

第二章，智能小車的研究背景和汽車自動駕駛技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀。

第三章，整體介紹了小車硬件部分的分布和各個硬件模塊，大概介紹了小車底盤、直流電機與驅(qū)動電路、舵機與驅(qū)動電路、視頻檢測模塊、電磁感應(yīng)模塊、紅外與超聲測距模塊、藍牙通信模塊等，分別介紹了這些模塊的優(yōu)缺點。

三、智能小車的結(jié)構(gòu)與組成

智能小車分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計主要分為MK66單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、串口通信模塊、舵機控制模塊、圖像采集模塊等。[10]智能小車車頭安裝了舵機和攝像頭以及用碳素桿做的支架，支架上有4個工字電感。小車共有三塊電路板，CPU主板和電磁板放在小車中部，驅(qū)動板在小車尾部。后輪兩側(cè)有兩個編碼器對小車進行速度控制，兩個編碼器旁邊各有一個電機驅(qū)動，為了小車整體的重量平穩(wěn)7V的電池放在小車底盤中后部。

（一）小車底盤

智能車的底盤是比較關(guān)鍵的一部分，小車底盤需要承載所有硬件的總體重量，在小車行進的過程中保持車身的穩(wěn)定性。智能車底盤的質(zhì)量和硬件的擺放位置也直接影響著小車的速度。通過合理運用小車底盤的空間，調(diào)整小車的平衡性，減輕底盤的質(zhì)量，使得小車在行進中更靈活、快速。

智能車的重心問題會直接影響小車的提速和平穩(wěn)性，小車的重心不能很高，必須把小車的重心降低。為了攝像頭的前瞻性，智能小車安裝于舵機旁邊一點，固定在高25厘米的碳素桿上。使得小車的重心問題更應(yīng)該引起重視，在保證小車的穩(wěn)定性的同時還要兼顧小車的靈活性。小車車模圖如下

（二）直流電機與驅(qū)動電路

智能小車共有兩個直流電機，直流電機的紅線和黑線分別連接驅(qū)動板上的正負極。為了滿足智能小車的速度要求，選用的是RS380-ST型電機，該電機能承受大電流，滿足小車在速度上的變化和電機的正反轉(zhuǎn)。

直流電機在不同的差速和不同的行徑路線中能達到更好的行駛速度。RS380-ST型直流電機與交流電機運用直流電制動，動力更足，對調(diào)節(jié)小車速度相對更容易。電刷和換向器是構(gòu)成直流電機的重要部分，因為電刷和換向器會在線圈中把傳入的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，直流電機不允許超過輸出的最大值。直流電機可正向和反向轉(zhuǎn)動，能夠滿足小車運行時自動化系統(tǒng)的各種特殊運行要求。

通過不斷調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速和電流問題，使小車在行駛過程中速度更穩(wěn)定和平滑，滿足小車行徑中對速度的復(fù)雜和特殊的要求。

（三）舵機與驅(qū)動電路

舵機相當于一個微型的伺服電機，在不停的角度變化中舵機任然能讓智能小車保持平穩(wěn)的速度。舵機的用處也很多，普遍用于飛機、機器人等。舵機安裝于智能小車底板前部，在安裝舵機前先調(diào)好舵機的參數(shù)，避免舵機打死燒壞舵機，讓小車前輪保持正前方的位置。智能小車通過檢測賽道下電磁信號的強弱進行判斷，小車的舵機也得不同的變化角度，控制小車前進的方向。舵機的輸入線共有三條，分別為4.8V的電源線，控制信號線和地線組成。

舵機根據(jù)接收到的控制信號來轉(zhuǎn)換不同的角度變化，如果接收到的控制信號一直不變，舵機就不會改變軸的角度位置。但當接收的信號改變時，軸也會發(fā)生相應(yīng)的角度變化。智能小車采用S3010型舵機，尺寸小，驅(qū)動齒輪能滿足小車需要的扭力，消耗的能量和機械負荷成正比。

（四）視頻檢測模塊

小車選用了MT9v034廣角攝像頭，有優(yōu)質(zhì)的畫質(zhì)和低照度，高動態(tài)成像等優(yōu)點。MT9v034攝像頭最高分辨率是752（H）x 480（V），每秒可輸出60幀。MT9V034攝像頭有DVP、LVDS兩種接口，寄存器寬度為16bit，寄存器的數(shù)據(jù)不易丟失，寫入數(shù)據(jù)后斷點不會丟失數(shù)據(jù)。

攝像頭拍攝的是一幀幀黑白的圖像，除了白色賽道之外的其他顏色的事物都會被當成黑色像素，可以在LCD屏上顯示攝像頭所拍攝的圖像。智能小車的攝像頭就相當于人身上的“眼睛”，在安裝攝像頭之前要調(diào)整好攝像頭的焦距和角度，能讓攝像頭拍攝出的畫面清晰，又能最大限度的拍攝到前方賽道的情況。

（五）電磁感應(yīng)模塊

電磁感應(yīng)模塊是用電感等傳感器感應(yīng)賽道中心的電線的交流電產(chǎn)生的磁場，使智能車不偏離軌道。智能小車用了4個10mH的工字電感，用長20厘米的碳素桿做前瞻支架，其中兩個工字電感垂直于碳素桿中間位置，另外兩個分部在車身兩側(cè)。通過電磁感應(yīng)原理接收預(yù)埋在賽道下電磁導(dǎo)線的電磁信號。

在白色賽道下有一根0.1-1.0mm的漆包線作為引導(dǎo)線，這根引導(dǎo)線會產(chǎn)生100毫安和20赫茲的交流電流。用小車前方的工字電感感應(yīng)漆包線周圍的電磁強度，根據(jù)電磁的強弱判斷賽道的中心位置，舵機也會不斷的轉(zhuǎn)動角度判斷小車前進的方向。小車以電磁感應(yīng)模塊為主，攝像頭為輔對道路進行檢測和方向判斷。

（六）紅外與超聲測距模

隨著自動駕駛技術(shù)的提高，人們對于傳感器的精度和性能要求也越來越高?，F(xiàn)在傳感器的種類很多，普遍被大家所使用的是超聲波傳感器和紅外傳感器。小車通過安裝的各類傳感器采集的數(shù)據(jù)來獲取賽道上的路況信息，比如直到、轉(zhuǎn)彎、上坡、障礙物等，同時也通過傳感器獲取智能車自身的車速和電磁等。

1.紅外傳感器

紅外傳感器利用的是三角測量的方法，把紅外傳感器按照測量好的角度安裝，發(fā)射器會以直線發(fā)射一束紅外光，紅外光在遇到物體的遮擋后會反射回去。檢測到反射的紅外線之后，會有一個偏移的值，形成了三角的關(guān)系。通過傳感器接收到的返回數(shù)據(jù)，單片機做出相應(yīng)的算法處理，知道前方物體的方向和距離等信息。小車會根據(jù)得到的信息做出相應(yīng)的反映和動作。紅外傳感器原理如圖所示。

紅外測距相對超聲波測距速度更快，精度高，受干擾性較小，檢測距離較遠。但太陽對紅外傳感器的影響很大。在白天自然光線很強的情況下，太陽光會增加光線強度，使紅外傳感器測距不準。紅外傳感器會根據(jù)不同的面返回不同的光線強度，白色面返回的數(shù)據(jù)比黑色面高很多。所以光線的強弱以及黑色障礙物返回的數(shù)據(jù)都會對紅外傳感器造成很大的影響。

紅外傳感器的限流電阻為10K，紅外傳輸功率由不同性能的限流電阻決定。限流電阻越大，發(fā)射功率越小。當光線反射回來并且晶體管導(dǎo)通時，LM393的兩個輸入端子在同相輸入端子中用正表示，在相反相輸入端子中用負表示。為了比較這兩種電壓，將固定電壓作為參考電壓或閾值電平施加到任何輸入端。在另一端施加比較電壓。

當反相輸入電壓低于同相輸入電壓時，輸出截止。否則輸出端飽和，輸出接地。只要LM393的兩個輸入電壓差大于10mv，就可以確保輸出從現(xiàn)狀態(tài)可靠轉(zhuǎn)換到另一狀態(tài)。

使用這種比較器，不需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。通過LM393后，在主芯片的控制端口會產(chǎn)生高電平，最終達到檢測的目的，模塊的靈敏度可通過可變電阻VR1進行調(diào)節(jié)[5]。

1.1.1超聲波傳感器

超聲波傳感器每秒340米的速度在空氣中發(fā)送超聲波，聲波碰到障礙物時會反彈回來，發(fā)射超聲波時開始計數(shù)，當傳感器接收到反射的超聲波時結(jié)束計數(shù)，并根據(jù)超聲波在空氣中的速度和時間計算出物體的距離。這種超聲波頻率不低于20kHZ，所有這種聲波頻率不能被人們聽見。

超聲波傳感器相對紅外傳感器檢測距離較短，超聲波傳感器有效距離一般在5-10米之間。超聲波有一定的發(fā)散性，如果測量障礙物的距離比較遠時，超聲波通過空氣的傳播速度和時間的計算會有誤差，導(dǎo)致小車對障礙物的定位不準確。超聲波測距在0.2-1.5米范圍內(nèi)的誤差不大，但在小車與障礙物之間的距離小于0.2米時會有很大的誤差。因為超聲波傳輸?shù)木嚯x太小，當發(fā)射器發(fā)出聲波信號時會產(chǎn)生一個上升時間，測距很短時單片機不能迅速處理返回的信號，會產(chǎn)生一個盲區(qū)影響超聲波的測量。

（七）藍牙通信模塊

隨著藍牙技術(shù)的不斷提高，藍牙的應(yīng)用范圍也越來越廣。藍牙通信模塊可實現(xiàn)近距離無線通信，有低功耗、成本低、支持多種配置方式、可自主通信網(wǎng)絡(luò)等特點。藍牙模塊不用連接線纜，降低了成本的同時也提高了采集數(shù)據(jù)的效率。一對藍牙連接成功之后猶如串口之間的通信般方便，只用UART模塊就能進行發(fā)送數(shù)據(jù)，操作簡單。

（八）單片機智能控制模塊

智能小車采用32位單片機MK66FX1M0VLQ18系列為核心控制器，單片機共有144個引腳。MK66單片機因為有以太網(wǎng)加密，所有它的保密性更好。這款單片機有6個UART模塊，兩個16位SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器與100根通用I/O引腳。Mk66主頻為180M是目前M4系列主頻最高的單片機。低功耗、高處理效率，該系列提供高速USB、全速無晶體USB支持、SDRAM控制器，帶單精度浮點單元和8KB緩存，可以降低CPU負載，實現(xiàn)更快的系統(tǒng)吞吐，并在停止模式提供異步支持。擁有單獨的閃存，能進行固件更新和代碼的并發(fā)執(zhí)行，既不會影響性能，也無需復(fù)雜的編碼歷程。

四、總結(jié)

本文以mk66單片機為系統(tǒng)的主控芯片，通過以電磁模塊和攝像頭共同對道路進行循跡方式，讓智能小車在無人為的操作下也能自主平穩(wěn)的在道路上駕駛。首先介紹了智能小車的背景，分析了智能小車自動駕駛在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。其次從硬件方面介紹了小車所運用到的模塊，主要講解了小車的電機驅(qū)動模塊，循跡檢測模塊、舵機與驅(qū)動電路、單片機智能控制模塊等，通過多個模塊的組合最終實現(xiàn)了小車的硬件部分。然后對小車的直流電機驅(qū)動原理和舵機原理進行了簡單的闡述，以及本設(shè)計軟件部分的算法分析。小車根據(jù)電磁傳感器和攝像頭采集的圖像，通過單片機對采集的圖像進行分析處理，控制小車伺服電機的角度和兩個直流電機的速度，讓智能小車能根據(jù)路況自動控制小車前進的速度和方向。本設(shè)計核心是自動駕駛控制技術(shù)，通過控制算法讓智能小車在行進時更穩(wěn)定，并且能對道路的情況做出及時的反映，更靈敏。

本文分別寫了智能小車的硬件和軟件兩部分，硬件部分包括舵機模塊、電機驅(qū)動模塊、測距模塊、避障模塊等。軟件部分包括電機驅(qū)動原理、舵機驅(qū)動原理、PID算法、圖像識別等。在設(shè)計時對智能小車的基礎(chǔ)知識不夠扎實，很多理論知識了解的不夠透徹。

隨著大數(shù)據(jù)和AI智能技術(shù)的不斷提高，智能小車的自動駕駛技術(shù)會更先進，給人們帶來更方便的出行。在硬件和算法的不斷優(yōu)化下，汽車自動駕駛技術(shù)會更穩(wěn)定和安全。