梁家泰，程丽平
（山东科技大学,山东 泰安 271019）
摘 要：以全国大学生“恩智浦杯”智能车比赛为研讨布景，为处理单一传感器的智能车体系可靠性低和准确性缺乏的问题，提出了一种选用多种传感器混合操控体系，该操控体系将电磁引导技能、图画辨认技能、超声波检测技能与PID算法相结合的办法完结对智能车方向的实时操控。一起该操控体系选用分段的含糊PID操控算法操控车速，依据赛道的状况完结速度的实时操控。在确保安稳性的前提下进步了均匀速度，完结了对智能车的准确操控。本文从智能车的全体计划、硬件电路、操控战略、参数调整等方面对智能车混合操控体系进行介绍。
关键词：智能车；自动检测；寻迹；混合操控；速度操控
0 导言
循迹智能车作为轿车行业往后发展方向之一，遭到越来越多的企业的重视和追捧然后对循迹小车的研讨深度有待进一步进步 [1] 。循迹小车经过途径辨认模块获取赛道信息，并由程序提取出赛道的中线信息，然后由单片机做出操控决议计划，操控舵机的转角和电机的转速。展望未来赛道元素越来越向实在路途挨近，为习惯赛道元素的杂乱性，处理单一传感器局限性的问题，本文研讨一种混合操控体系的智能轿车。本文就智能车混合操控体系中全体计划、硬件电路、操控算法这3个方面做出论述。
1 全体计划规划
本文规划的操控体系共包含五大模块：电源模块、途径辨认模块、测速模块、驱动模块、无线调试模块。
K60单片机经过途径辨认取得智能车的当时方位，经过图画辨认、电磁检测、超声波检测得到途径辨认模块输出的方位信息，操控器核算得到当时方位差错，然后得到智能车间隔赛道中心线的差错量。终究经过方向闭环的PID调理并结合舵机PWM波的输出，动态调整车身姿势，使其既快又稳地经过规则赛道。经过正交解码获取速度检测模块的速度信号，经过速度闭环的PID调理并结合电机PWM波的输出，完结对智能车的速度操控。一起为实时监控智能车的运转状况，操控体系参加了无线调试模块。智能车全体结构如图1所示。
2 硬件规划
本规划选用MK60FX512Q15单片机作为操控芯片，具有丰厚的模仿、通讯、守时、操控等模块，运用其丰厚的片上资源，规划智能车外围电路，包含电源模块、数据收集、驱动模块等模块。
2.1 电源模块
智能车各模块所需作业电压不同，需求为各模块供给适宜、安稳的作业电压。体系选用电池供电，供电电压7.2 V，规划电源电路，为各模块供给5 V、6.5V、3.3 V的电压，分 别 选 用LM1084_ADJ、L M 1 0 8 4 _ 5 、ASM1117_3.3芯片。因为电机驱动模块驱动电机时电池会发生较大的压降和电流，简略发生对其他模块的搅扰因而，电机驱动模块独自供电。电源电路如图2所示。
2.2 途径辨认模块
为确保杂乱路况的检测可靠性，途径辨认选用图画辨认、电磁检测、超声波检测混合辨认办法。
1）图画辨认
选用OV7725数字摄像头作为收集赛道信息的传感器设备。OV7725数字摄像头可直接完结图画的二值化处理 [2] 。无需再次对图画进行软件二值化，极大减轻单片机的作业量，从而可以开释更多的资源用在算法操控上。
2）电磁检测
依据电磁学原理，在导线中通入改动的电流，如果在导线邻近放置电感，则在电感上会发生感应电动势，且方位不同发生的感应电动势也不同 [3] 。据此，可以确认电感的大致方位。可是其感应信号较弱小，选用电压反应型高速扩大器ad8032进行扩大，因混有杂波，需求对信号进行滤波、检波、扩大处理。
电磁检测电路如图3所示。其间IN1、IN2为信号输入端口，OUT1、OUT2为信号输出端口，输出是经滤波、检波、扩大处理后的电磁信号。
3）超声波检测
选用HC-SR04超声波模块作为检测赛道上妨碍物的传感器。HC-SR04超声波模块是运用已知的超声波在空气中的传播速度，丈量声波在发射后遇到妨碍物反射回来的时刻，依据发射和接纳的时刻差核算出智能车到妨碍物的实践间隔 [4] 。
2.3 电机操控
1）速度检测模块
选用欧姆龙500线编码器对电机进行测速，该编码器的分辨率为500 P/R，经过正交解码获取速度检测模块的速度信号，其差错满意对智能车转速的操控要求 [5] 。
2）驱动模块
选用S-D5舵机作为智能车的转向操控环节中的执行机构。S-D5舵机运用简略，快捷功用强大，可直接由操控单元的输出口操控 [6] 。
驱动电路选用BTN7971芯片来规划电路。选用经典的H桥操控电路，受两个使能端和两个PWM操控端操控，经过使能端改换电机中电流方向，使电机到达正回转的意图。此电路与L298N驱动电路比较具有结构简略、安稳性好、散热效果好等长处。电机驱动电路如图4所示。
2.4 无线调试模块
无线调试模块首要用于显现车模动态运转状况及各操控参数的改动。NRF2401+模块把单片机收集的图画和各种赛道信息以数据包的办法向上位机发送，一起可以承受上位机发送的遥控操控信号等信息，与传统的蓝牙模块比较具有传输速度快的长处 [7] 。一起具有极低电流耗费的长处，当处于作业形式时电流耗费为9 mA，掉电形式和待机形式下电流耗费更低。
3 软件规划
智能车混合操控体系的软件规划经过状况函数切换在操控战略上，运用图画辨认为主，电磁检测和超声波检测为辅的操控办法，较单一操控办法进步了智能车体系的准确性，使得各模块互补，完结了智能车体系的最优操控。
3.1 图画辨认
1）边际提取
经过图画辨认得到像素120×160的图画，在前五行边线选用边际扫描的办法提取，五行今后的边线运用的办法完结对智能车运转形式的操控，所完结的功用有：信息收集、形式辨认、形式挑选速度和方向操控。
经过图画辨认、电磁检测、超声波检测等技能获取赛道和车辆信息。依据获取的信息辨认车辆现在运转形式，并挑选针对各种路况的运转形式，完结对状况函数的切换，改动智能车的运转状况。体系的程序流程图如图5所示。边际盯梢办法，并考虑到边线丢掉状况对赛道边线提取。盯梢边际检测法较传统的边际检测法运算速度快，抗搅扰能力强，而且可以滤除十字穿插和三角黑区的搅扰。
2）中线提取
在边线不丢掉的状况下选用中点法求取赛道中线，当呈现边线丢掉状况，依据边线不丢掉的最终一行的中线为基准对剩下的中线选用平移的办法来弥补，若一条鸿沟悉数消失时，则以上一幅图画中线为基准进行平移。这种中线求解办法有用的处理了均匀法的中线失真状况，进步了中线核算的准确性。
3.2特别元素辨认
1）圆环
依据圆环元素的图画的突变性和不对称性差异圆环和穿插路口。在圆环元素内实施分段操控、嵌套操控办法进步特别元素的辨认功率，完结对智能车的准确操控。
2）路障
当车辆行进时，在赛道中心呈现一处妨碍物且有必定的经过空间，进入避障形式跟从赛道边际行进。当妨碍物消失时，切换正常行进形式。
3）斑马线
为了防止发车时泊车和半途泊车现象，在原有基础上添加判别条件。经过检测特别元素的次数来判别车体在赛道上的进程，当特别元素次数小于规则数，此期间的任何泊车指令都作为伪指令屏蔽。
4）断路
当车辆行进时若路途忽然消失且超声波检测模块判别前方无妨碍，则前方则可认为是短路，这时切换到电磁引导办法，依据电磁量对智能车进行操控。
5）横断路障
当赛车行进时若前方路途忽然截止且经过超声波检测模块判别前方存在妨碍，这时切换到避障形式，当顺畅经过横断路障时康复正常行进形式。
3.3 速度操控
智能车车模选用直流电机，额外电压为7.2 V。选用编码器丈量实践速度值，与设定速度值进行比较，构成闭环负反应速度操控回路 [1] 。智能车的速度操控需求考虑赛道的曲率、特别元素等问题，其操控效果直接影响车体的灵敏度。选用分段的含糊PID操控算法操控车速，可依据赛道的状况完结速度的实时操控。起跑时快速升速，赛道曲率变大时要快速降速，防止冲出赛道，曲率变小时康复到原有速度，特别元素的速度选用分段操控。为完结速度的随动改动以习惯多变的运转环境，可依据赛道中线斜率操控速度，其次对舵机打角限幅可有用防止呈现车身颤动。经过以上办法可完结速度的最优操控，在确保体系安稳性的前提下进步智能车的均匀速度。
3.4 方向操控
依据车辆和赛道中心的差错量和中心线的改动趋势，结合此时的舵机视点，对舵机进行方向闭环PID调理，减小智能车的方位差错，完结混合操控体系对智能车方向的操控 [8] 。
4 体系调试
经过对程序的编译调试，以及对智能车速度、方向两大模块的操控参数进行调整之后，在37.5 m的赛道上进行调试，经过屡次调试后得到实验成果如表1所示。表中共记载10组数据，每跑5次为1组数据，速度单位m/s，0表明冲出赛道。经过丈量数据可以看出，所规划的混合操控体系可以使智能车在赛道上快速运转，且安稳性较好，这表明选用的操控计划合理，参数挑选恰当，各硬件规划合理。
5 定论
该文章针对智能车的混合操控体系，以MK60FX512Q15单片机为中心操控芯片，经过对智能车全体计划、硬件电路、操控算法等几个方面进行规划，选用图画辨认为主电磁检测和超声波检测为辅的多种传感器混合操控，处理了选用单一传感器的智能车体系可靠性低和准确性缺乏的问题，一起进步了智能车的运转的速度和准确度，使智能车体系愈加安稳，并以较为抱负的速度在赛道上运转，关于混合操控智能车的研讨具有必定的参阅和学习效果。
参阅文献
[1] 李延斌, 牛雷, 佟贺. 根据GPS的智能车自动驾驶体系的研发[J]. 电子产品国际, 2018(11):61-63.
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[3] 杨建姣, 朱凤武, 齐迹. 根据K60电磁循迹智能车体系操控战略的规划[J]. 安徽电子信息工作技能学院学报,2016, 15(2).
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[5] 朱阳, 王伟成, 王民慧. 根据电磁学的智能车途径辨认与盯梢算法研讨[J]. 传感器国际, 2014, 20(3):39-43.
[6] 李军, 申俊泽. 超声测距模块HC—SR04的超声波测距仪规划[J]. 单片机与嵌入式体系使用, 2011, 11(10).
[7] 孙肖林, 花怀海, 杨焜, et al. 信标体系及智能车硬件体系的规划研讨[J]. 电子国际, 2017(11).
[8] 葛豪杰, 何志琴, 吴逊. 智能车图画收集及优化处理的研讨[J]. 电子国际, 2018(16).
作者简介：
梁家泰，男，山东科技大学机电工程系电气工程与智能操控专业学生。
程丽平，女，通讯作者，山东济宁人，山东科技大学机电工程系讲师。
本文来源于科技期刊《电子产品国际》2019年第8期第54页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
