電磁循跡式越野智能車的協(xié)調(diào)控制

余善恩，丁禹心，馮小龍，黃繼業(yè)

(1.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著先進(jìn)傳感器、信息融合、導(dǎo)航、人工智能、計(jì)算機(jī)控制、驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛的智能車將成為未來智能交通的主流[1]。目前，智能車對道路識別的方法主要有基于道路標(biāo)志線的圖像識別[2-3]、鋪設(shè)金屬軌道作為循跡引導(dǎo)[4]、利用電磁信號循跡檢測[5]。這些方法中，道路表面的標(biāo)志物易受損，鋪設(shè)的金屬軌道易受干擾，而電磁循跡主要由感應(yīng)線圈經(jīng)諧振得到信號，不存在斷點(diǎn)，且電磁引導(dǎo)線鋪設(shè)簡單，若再結(jié)合先進(jìn)的環(huán)境感知技術(shù)，將具有很好的應(yīng)用前景。目前，分別控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的指令算法已有多種解決方案，包括傳統(tǒng)比例-積分-微分控制算法(Proportion Integral Differential，PID)以及模糊控制[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]等智能控制算法。但是，由于電磁檢測的前瞻距離較短、車體無法滿足電磁越野智能車高速穩(wěn)定行駛所需的良好動(dòng)平衡性能要求、對復(fù)雜路況的適應(yīng)性不夠。因此，本文提出一種智能車舵機(jī)與電機(jī)指令協(xié)調(diào)控制方法，重點(diǎn)探討舵機(jī)指令與直流電機(jī)指令的協(xié)調(diào)控制，以改善行駛的平穩(wěn)性與快速性。

1 總體方案

本文提出的電磁循跡式越野智能車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 電磁循跡式越野智能車控制系統(tǒng)框圖

圖1中，A/D為模擬量輸入口，PI為脈沖量輸入口，PWM0，PWM1為PWM信號輸出口；電磁循跡用于賽道檢測，MCU協(xié)調(diào)控制器根據(jù)輸入的循跡信號及當(dāng)前速度來調(diào)整舵機(jī)、電機(jī)的協(xié)調(diào)控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對智能車的自動(dòng)行駛控制。系統(tǒng)的核心目標(biāo)是實(shí)時(shí)檢測并預(yù)測軌道，協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)向與車速，實(shí)現(xiàn)智能車精準(zhǔn)快速地運(yùn)動(dòng)。

2 賽道循跡檢測方法

電磁循跡式越野智能車的引導(dǎo)線一般為單根漆包銅線，銅線中通過20 kHz、100 mA交變電流在空間中形成交變磁場。安裝在智能小車前瞻處自制的8個(gè)水平工字型諧振式電磁感應(yīng)線圈陣列(也稱電磁循跡傳感器，簡稱工字型電感)可以檢測到磁場信息并轉(zhuǎn)化為多路模擬信號輸出。對輸出的信號進(jìn)行矢量運(yùn)算，獲取當(dāng)前軌道信息，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)獲取賽道位置和方向預(yù)測信號，進(jìn)而得到智能小車此時(shí)的車身位置與賽道中心位置的偏移量，將此偏移量轉(zhuǎn)換為角度誤差并據(jù)此得出舵機(jī)的修正指令，實(shí)現(xiàn)對智能小車的軌跡控制與方向預(yù)測。

3 智能車協(xié)調(diào)控制方法

3.1 賽道循跡信號檢測與處理

通過電磁循跡檢測方法獲得的信號為多路模擬量信號，接到單片機(jī)的A/D輸入口，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算后賽道循跡分辨率可達(dá)2 mm，且基本不受引導(dǎo)線電流變化影響。微控制單元(Micro-Control Unit，MCU)根據(jù)周期中斷定時(shí)器(Programmable Interval Timer，PIT)產(chǎn)生的定時(shí)中斷周期性地進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，控制周期為5 ms；每次中斷處理對A/D信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理與存儲，采樣得到的新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾并舍棄隊(duì)首的數(shù)據(jù)，將隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能加權(quán)運(yùn)算，計(jì)算值作為濾波輸出值，即進(jìn)行加權(quán)遞推平均濾波。由于小車尺寸的限制，電磁檢測前瞻不夠長，小車速度的增加受信號延遲的限制，因此需給予越接近當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)越大的權(quán)值，使系統(tǒng)靈敏度得到提高。5 ms采樣周期相對較短，不會影響信號的平滑度。雖然濾波后檢測信號仍存在一定的滯后性，但經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)濾波后得到的信號平穩(wěn)，更有利于智能車的控制，利大于弊，即加權(quán)遞推平均濾波算法是比較適合智能車引導(dǎo)信號處理的。

3.2 智能車速度與轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制

3.2.1 智能車協(xié)調(diào)控制方案

智能車協(xié)調(diào)控制算法示意如圖2所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)，采用PWM驅(qū)動(dòng)控制，并以增量式光電編碼器檢測行駛速度，構(gòu)成車速閉環(huán)控制系統(tǒng)；舵機(jī)是以電位器作為角度檢測環(huán)節(jié)的直流電機(jī)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，Δθ，Δθ*(單位：°)分別為舵機(jī)方向角及其指令(實(shí)際中是以脈寬作為方向角指令)，ASR為車速調(diào)節(jié)器，V，V*分別為車速及其指令(單位：m/s)，n，n*分別為車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及其指令(單位：rpm)，F(xiàn)L為路面對車輪的摩擦阻力(單位：N)，j為減速比，r為車輪半徑(單位：m)，WV(s)為轉(zhuǎn)速-車速變換傳函，WASR(s)為車速調(diào)節(jié)器ASR的控制算法，Wd(s)為PWM驅(qū)動(dòng)器傳函，其中Ks，Ts分別為PWM裝置的放大系數(shù)、延遲時(shí)間，WF(s)為路況阻力作用通道的傳函，Wm(s)為LS-540SM直流電動(dòng)機(jī)傳函，其中Tm，Tl分別為直流電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)、電磁時(shí)間常數(shù)。

圖2 智能車協(xié)調(diào)控制算法示意圖

(1)

式中，V*為轉(zhuǎn)速指令值(單位：m/s)，Vt0為當(dāng)前初始速度(可正、負(fù))，Vm為最大速度，ΔV為所需的速度改變量(可正、負(fù))，τrd為從Vt0到Vt0+ΔV的所需時(shí)間(單位：s)，τrdN為最大加減速時(shí)間(單位：s)，t為時(shí)間(單位：s)。

3.2.2 智能車速度控制

智能車速度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

(2)

車速調(diào)節(jié)算法WASR(s)在系統(tǒng)頻帶內(nèi)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

顯然，對于智能車而言，為提高自動(dòng)駕駛的平穩(wěn)性與快速性，在設(shè)計(jì)車速控制算法時(shí)，只能在對車速指令跟蹤的快速性與對時(shí)變復(fù)雜路況阻力FL的抗擾性之間取得平衡。

為滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，所用的WASR(s)基本算法如下：

(3)

式中，T0為濾波時(shí)間常數(shù)，kp為比例系數(shù)，τi為積分時(shí)間常數(shù)，τd為微分時(shí)間常數(shù)。

對電樞電流約束控制的前提下，按典II最優(yōu)系統(tǒng)[8]整定參數(shù)，得到：

(4)

式中，Idm為電樞電流限制值，并設(shè)Tl>max{T0,Ts}。為進(jìn)一步提高智能車的控制性能，結(jié)合智能車對實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，車速控制算法在式(3)—(4)基礎(chǔ)上改進(jìn)，采用無擾動(dòng)切換的Bang-Bang/PID綜合控制算法，用計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)時(shí)，PID采用基于不完全微分[9]與抗飽和的增量式離散算法。此外，實(shí)際車速信號取自與電機(jī)通過聯(lián)軸器連接的增量式光電編碼器，用四倍頻及M/T算法以提高數(shù)字測速的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

3.2.3 轉(zhuǎn)向控制

智能車的轉(zhuǎn)向通過舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)的本質(zhì)是基于直流電機(jī)的方向角控制系統(tǒng)，通過輸入脈寬指令進(jìn)行角度控制，一般舵機(jī)指令信號采用周期為5 ms的PWM信號，其指令脈寬0.5～2.5 ms分別對應(yīng)于-90°～+90°(或0°～180°)方向角。舵機(jī)角度控制系統(tǒng)的建模分析方法類似于車速控制系統(tǒng)，限于篇幅故不贅述。實(shí)驗(yàn)證明，采用帶濾波的模糊PD算法不僅可提高舵機(jī)響應(yīng)的快速性，還能實(shí)現(xiàn)對不同路況條件下的轉(zhuǎn)向優(yōu)化控制，如：提高直道行駛的平穩(wěn)性、入彎及出彎迅速、彎道最大程度內(nèi)切以實(shí)現(xiàn)通過時(shí)間最短。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及結(jié)果演示

為了驗(yàn)證本文提出的轉(zhuǎn)向與速度協(xié)調(diào)控制方法的可行性，本文設(shè)計(jì)了電磁越野智能車，并參加了第十四屆全國大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車競賽室外電磁組。根據(jù)競賽要求，參賽的智能車必須在指定車模底盤上加裝各類自主設(shè)計(jì)制作的硬件電路、機(jī)械裝置等，競賽時(shí)須以電磁循跡形式引導(dǎo)車模順利通過所有賽道元素，用時(shí)短者勝。據(jù)此要求，設(shè)計(jì)制作了一輛利用工字型電感檢測賽道、四輪驅(qū)動(dòng)、采用協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行車速及轉(zhuǎn)向控制的智能車模，主要包括硬件、軟件、機(jī)械的設(shè)計(jì)與制作、調(diào)試工作。

4.1 硬件功能

越野智能車采用L型車模，智能車驅(qū)動(dòng)電機(jī)為LS540SM直流電機(jī)，采用PWM驅(qū)動(dòng)控制，8.5 V鋰電池供電，增量式光電編碼器為512P/R，協(xié)調(diào)控制器的MCU采用NXP公司的MKV58F1M0VLQ24，其為CORTEX-M7內(nèi)核，供電電壓為3.3 V，系統(tǒng)頻率可達(dá)240 MHz。該MCU的PTE4～6/12/16～20/24接口可作為電磁循跡的模擬量信號輸入口；FTM2模塊的PTE22/23接口作為增量式光電編碼器的脈沖信號輸入口；FTM0模塊的PTE29接口作為舵機(jī)控制信號的輸出口；FTM3模塊的PTE7/8接口作為小車車速控制信號的輸出口；PTA24～29、PTB0、PTE0～3接口作為人機(jī)界面(LCD、按鍵等)的接口。

4.2 軟件功能

程序主體采用前后臺結(jié)構(gòu)，流程如圖3所示。其中，主函數(shù)中僅執(zhí)行OLED屏幕掃描及鍵盤掃描，核心操作均放在定時(shí)器中斷程序中。上電開機(jī)后，首先對所有硬件接口進(jìn)行初始化，對A/D采集到的電磁循跡電壓信號進(jìn)行分析并計(jì)算出當(dāng)前賽道對應(yīng)的系統(tǒng)最佳運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而控制舵機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖3 智能車控制軟件流程

4.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)部分主要為改進(jìn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以提高轉(zhuǎn)向控制性能，并按動(dòng)平衡要求，對測控裝置的總體安裝進(jìn)行合理布局以提高智能車自動(dòng)行駛的平穩(wěn)性和快速性，限于篇幅故不贅述。

4.4 智能車賽道運(yùn)行結(jié)果

圖4 第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽總決賽的預(yù)賽賽道示意圖

本文智能車所用的直流電機(jī)系統(tǒng)對象參數(shù)為：額定電壓7.4 V、空載轉(zhuǎn)速17 000±10% rpm、最大空載電流1.7 A、最小堵轉(zhuǎn)電流35 A，減速比10.55∶1.00，車輪外徑88 mm，PWM頻率5 500 Hz，Ks=7.4，Ce=0.000 414 V/rpm；控制參數(shù)：β=0.056×10-3V/rpm，Kp=0.5，τi=10 ms，τd=2 ms。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)的智能車經(jīng)一年多的制作、調(diào)試，各項(xiàng)功能與技術(shù)規(guī)范均符合第十四屆全國大學(xué)生“恩智浦杯”智能汽車競賽的各項(xiàng)技術(shù)要求，并據(jù)此進(jìn)行反復(fù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；最后，按上述參數(shù)自行設(shè)計(jì)的智能車參加了2019年全國大學(xué)生智能汽車競賽的分賽區(qū)競賽及全國總決賽，在越野路況下的運(yùn)行情況如下：

(1)賽前試驗(yàn)結(jié)果：賽道長93.7 m，自主循跡駕駛的最短用時(shí)32.1 s，平均速度達(dá)到2.92 m/s；(2)省賽測試結(jié)果：越野賽道長95 m，自主循跡駕駛用時(shí)33.517 s；(3)國賽總決賽測試結(jié)果：越野賽道長165.47 m，自主循跡駕駛用時(shí)68.614 s。賽道元素如圖4所示，在賽道運(yùn)行中全程行駛平穩(wěn)，且無論在分賽區(qū)還是全國總決賽中車速都是最快的。因此，按照本文提出的控制方法設(shè)計(jì)制作的智能車性能優(yōu)異。

5 結(jié)束語

本文提出一種電磁循跡式越野智能車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)注重轉(zhuǎn)向與車速的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使電磁越野智能車兼具前瞻性與穩(wěn)定性。電磁導(dǎo)航技術(shù)具有低成本、高容錯(cuò)率等優(yōu)點(diǎn)，本文方法為智能交通領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展提供一定的參考。同時(shí)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，將智能化理論與本文方法進(jìn)行融合，可以進(jìn)一步拓展其適用性。