基于GPS/ICM 路徑規(guī)劃的智能循跡小車

劉佳明，史亞寧，劉明宇，方增斌，王昊天

（華北理工大學(xué)，河北唐山，063210）

0 引言

智能循跡是基于自動引導(dǎo)機器人系統(tǒng)，用以實現(xiàn)小車自動識別路線，以及選擇正確的路線。智能循跡小車是一個運用計算機控制、傳感器、單片機、電機驅(qū)動及自動控制等技術(shù)來實現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)定的模式下，不受人為管理時能夠自動實現(xiàn)循跡導(dǎo)航的高新科技。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于汽車制造業(yè)、倉儲業(yè)，食品加工業(yè)等多個行業(yè)，其中汽車制造行業(yè)中的無人駕駛技術(shù)就體現(xiàn)了此性能。

隨著人工智能技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展，無人駕駛技術(shù)迅速發(fā)展提升。研究人員預(yù)測：到2025 年，人類將看到大約800 萬輛無人或半無人汽車在路上行駛無人駕駛正在如火如荼地展開著，百度和沃爾沃共同研發(fā)L4級別無人電動車，特斯拉的Autopilot，奧迪的Traffic Jam Pilo等等。世界上最主流的無人駕駛技術(shù)都是基于激光雷達、攝像頭視覺、GPS+IMU 的方案。

本次設(shè)計的小車很好地應(yīng)用了當今社會的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，同時以MM32 作主控芯片，充分利用最小系統(tǒng)板的便捷之處，將單片機理論融入智能小車的各個模塊應(yīng)用，為無人駕駛領(lǐng)域提供一種新的思路并且有助于推動單片機技術(shù)的發(fā)展[1～3]。

1 智能車控制系統(tǒng)概述

智能車控制系統(tǒng)由測速模塊、簡易慣導(dǎo)模塊、PID 控制模塊、遙控控制模塊、MM32 控制單元、電機控制單元、舵機控制單元組成[4]。其中，通過GPS 和ICM 組成的簡易導(dǎo)航模塊用來控制小車自身的方位；測速模塊是編碼器通過系統(tǒng)定時中斷實時返回電機轉(zhuǎn)速；PID 控制模塊用來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和舵機旋轉(zhuǎn)角度；遙控控制模塊通過連接主板，可以遠程控制智能車的啟停，以防緊急情況的發(fā)生；MM32 控制單元是整個控制系統(tǒng)的核心，負責系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，中斷響應(yīng)以及串口通信等功能；電機控制單元可以通過PWM 占空比調(diào)節(jié)來控制智能車的速度；舵機控制單元也通過PWM調(diào)節(jié)控制智能車自身角度；設(shè)計中，GPS 通過串口中斷實時傳回智能車當前經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，ICM 通過定時器中斷實時獲得智能車自身方位角信息，見圖1。

圖1 智能車系統(tǒng)構(gòu)架

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在硬件設(shè)計中，外設(shè)包括編碼器、GPS、ICM 等均通過串口通信方式與單片機進行數(shù)據(jù)交換。在本設(shè)計中，編碼器需要主板提供3.3V 標準電壓，并且通過PB4 和PB6獲取電機速度信息，其中PB6 為編碼器方向引腳；電機通過PA5 和PA6 引腳和主板連接，PA5 引腳控制電機轉(zhuǎn)動的方向[5]，PA6 引腳控制主板輸出給電機的PWM；主板通過PA15 引腳給舵機輸出PWM，控制舵機旋轉(zhuǎn)的角度；GPS通過PC11 和PC10 引腳與主板連接；ICM 通過PB13 與PB15 引腳與主板連接。本設(shè)計的硬件原理圖如圖2 所示。

圖2 智能車硬件原理圖

2.1 GPS 模塊

GPS 模塊上有電源供電和通訊接口、復(fù)位按鍵、定位指示燈、天線接口等主要模塊。按下GPS 復(fù)位按鍵后，模塊會重新冷啟動；當GPS 定位成功后，GPS 模塊上的PPS等（定位指示燈）會每秒閃爍一次；本GPS 模塊上的天線為雙頻天線，配以雙頻GPS 使用，可以接收兩個頻率的衛(wèi)星信號，用于定位的衛(wèi)星數(shù)量也相較于單頻GPS 有一定的提升，定位也要比單頻穩(wěn)定一些。

GPS 模塊輸出的信息主要有xxGGA、xxGSV、xxRMC、xxGLL、xxGSA 等類型的數(shù)據(jù)。其中最重要的是xxRMC 和xxGGA 兩種類型的數(shù)據(jù)，通過編程可以對這兩個語句進行解析，可以得到位置、速度、定位狀態(tài)、高度、時間、航向角、用于定位的衛(wèi)星數(shù)量等重要信息，本次設(shè)計中獲取用于定位的衛(wèi)星數(shù)量是為了保證定位精度，在定位衛(wèi)星達到23 或24 顆時，定位效果最好；通過GPS 解析獲得的航向角和位置具有很高的精度，可以作為PID控制模塊的設(shè)定值。

2.2 ICM 模塊

ICM20602六軸陀螺儀模塊可以獲得六個方向的位置。在本次設(shè)計中，由于小車在平面運動，所以只涉及x 軸和y軸的方向角。通過定時器中斷實時讀取ICM 的角度，定時器中斷獲取數(shù)據(jù)時間為5s。通過解析ICM 獲得的方向角，可以作為PID 實時采取的值，在方向環(huán)中，通過實時采集的值與GPS 得到的設(shè)定值作對比，實時控制方向。

2.3 其他功能模塊

其余功能模塊主要還包括編碼器、TFT 屏幕、電機、舵機以及蜂鳴器。通過編碼實時獲取電機轉(zhuǎn)數(shù)，設(shè)定定時器6中斷時間為100ms；在編寫程序時，將GPS 解讀到的經(jīng)緯度信息、距離以及方位和ICM 獲取的自身方位角顯示在屏幕上，方便實時觀測信息。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計方案為：主板供電后，首先進行初始化程序（包括系統(tǒng)函數(shù)初始化和系統(tǒng)功能模塊初始化），初始化程序完成后，智能車進入待機模式，此時可以通過TFT 屏幕檢測各個模塊有沒有正常啟動。若所有的模塊確認正常啟動，則按下遙控按鈕，智能車啟動，程序不斷在主函數(shù)中循環(huán)，直至目標點迭代到達最后一個點，迭代結(jié)束時，程序運行結(jié)束，此時智能車也完成預(yù)定軌跡的循跡，見圖3。

圖3 程序系統(tǒng)運行流程圖

3.1 系統(tǒng)初始化程序

系統(tǒng)上電之后，首先進行的是初始化程序，將各模塊初始化啟動。首先需要初始化芯片時鐘，設(shè)定時鐘工作頻率為120MHz。之后是功能模塊的初始化：(1)電機和舵機初始化：初始化主板輸出給電機和舵機PWM 的通道，并設(shè)定初始頻率，并輸出初始占空比。(2)串口初始化：需要將需要與GPS 通信的串口進行初始化，設(shè)定串口波特率以及發(fā)送接收引腳。(3)外設(shè)模塊初始化：給GPS、ICM、編碼器初始化，使其處于工作狀態(tài)。

3.2 簡易慣導(dǎo)模塊程序

簡易慣導(dǎo)系統(tǒng)是GPS 與ICM 的組合，GPS 可以實時獲取智能車的位置信息，ICM 可以實時獲取自身的方向角。本文設(shè)計的主控方案是通過應(yīng)用GPS 加ICM 的組合慣導(dǎo)來控制智能車的方向。GPS 通過采集坐標經(jīng)緯度計算初始的方向角，將數(shù)據(jù)保存下來傳遞給單片機。ICM 可以獲取小車自身實時的方向角，但是大多數(shù)情況下使用ICM 都會存在零點漂移現(xiàn)象，這時就需要通過濾波技術(shù)對ICM 檢測到的值進行濾波處理[6]，再和單片機保存的方向角作比較，通過PID 控制，使得小車的方向角保持在規(guī)定值。

欲使智能車按照規(guī)定的路徑自主導(dǎo)航，首先需要采集定位預(yù)設(shè)軌道位置信息。需要將GPS 得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GCJ-02 坐標系下的經(jīng)緯度，由于GPS 直接使用的坐標系數(shù)WGS-84，所以需要在程序中加入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，由此得到的坐標可以直接在百度地圖中找到，不會產(chǎn)生較大偏差。ICM實時檢測智能車自身的方位角，并將此數(shù)據(jù)也記錄下來。

3.3 距離檢測程序

通過提前采集軌道位置信息，可以得到兩個一維數(shù)組。第一個數(shù)組保存軌道的緯度信息，第二個數(shù)組保存軌道的經(jīng)度信息。兩個數(shù)組同序號對應(yīng)軌道同一位置。通過程序內(nèi)的算法，可以得到任意兩點之間的距離。而距離檢測可以實現(xiàn)目標點的迭代，先計算好上一次采集點位置和目標點位置之間的距離，智能車通過GPS 實時采集行駛位置的經(jīng)緯度，計算與目標點之間的距離。當距離到達要求時，迭代目標點，將前一次的目標點變?yōu)榇舜蔚钠鹗键c，下一個點變?yōu)槟繕它c。如此重復(fù)直至目標點正好為最后一個點，迭代結(jié)束，完成距離檢測，見圖4。

圖4 基于距離檢測的目標點迭代

3.4 PID 控制程序

PID 控制主要是對系統(tǒng)偏差進行比例、積分、微分三種操作并線性組合成控制量，以減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和響應(yīng)效果。經(jīng)典PID 控制又分為位置型PID 和增量式PID。

（1）比例控制：控制信號與誤差成正比（誤差越大，控制信號越大，控制量越強，改變現(xiàn)狀的能力也就越強），故當目標距離期望較遠時，誤差較大，控制量也較大，可以使得目標快速接近期望，但問題是當目標接近期望時誤差會變得很小，此時控制量也會很小，這又使得目標只能處于接近但始終不能真正達到期望的情況。

（2）積分控制：累積誤差并直接加到控制量上。當穩(wěn)態(tài)誤差存在時，誤差積分就會變大，同時控制量就會增大。

（3）微分控制：計算當前誤差的變化率并加至控制量。當外界發(fā)生一個很強的干擾時，目標受影響程度就會很大，這時就會很快的偏離期望，而微分控制的應(yīng)用就是讓目標偏離期望后給它一個很大的控制量，讓其也能很快的返回穩(wěn)態(tài)。

3.4.1 電機PID 控制程序

電機PID 控制中，需要預(yù)先設(shè)定電機工作的轉(zhuǎn)速，通過測設(shè)找到合適的編碼器轉(zhuǎn)數(shù)來達到控制目的。在控制中，需要電機工作在一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速上，所以PID 的設(shè)定值為設(shè)定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的編碼器轉(zhuǎn)數(shù)，然后通過定時器中斷實時返回的編碼器轉(zhuǎn)數(shù)，設(shè)定值與返回值作差，將此偏差信號輸入到PID 中，通過PID 控制實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制。

3.4.2 舵機PID 控制程序

通過慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以獲得兩個方向角，一個是通過GPS 得到的兩個目標點之間的角度，另一個是通過ICM 實時檢測得到的角度[7]。將通過GPS 得到的數(shù)據(jù)計算得到的兩個目標點之間的角度作為預(yù)設(shè)值，ICM 角度作為反饋值，作PID 控制，控制舵機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，在舵機控制中，采用增量型PID 比位置型PID 有更好的控制效果，這是由于舵機旋轉(zhuǎn)角度是一個較小的值，而且每次調(diào)節(jié)過程中需要調(diào)節(jié)的角度也較小，是一個平緩的調(diào)節(jié)，所以增量型PID 調(diào)節(jié)有更好的效果，見圖5。

圖5 舵機PID 控制原理圖

4 總結(jié)

經(jīng)過對MM32 控制下智能車的調(diào)試與改進，該智能車可實現(xiàn)自動循跡，速度調(diào)控、導(dǎo)航定位等一系列智能化功能。本設(shè)計可以為無人駕駛領(lǐng)域甚至機器人領(lǐng)域提供一個全新的思路，在簡易組合慣導(dǎo)的作用下，智能車可以實現(xiàn)自循跡，良好的完成控制任務(wù)。