基于單片機(jī)的電磁四輪循跡及避障策略

張 旭，高 琴，趙士勛

（防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201）

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)正在向高度自動(dòng)化方向靠攏。其中電磁導(dǎo)航技術(shù)由于其自身穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)等因素成為工業(yè)運(yùn)輸研究的重點(diǎn)。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種電磁四輪的穩(wěn)定循跡且躲避道路障礙的方案。實(shí)驗(yàn)中在小車上安裝5路電磁傳感器感知道路信息；使用運(yùn)算放大電路將獲得的信號(hào)進(jìn)行放大便于數(shù)據(jù)處理；使用夏普公司出品的激光測(cè)距傳感器作為路障標(biāo)志檢測(cè)傳感器；使用大賽統(tǒng)一規(guī)定的恩智浦32位處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后探索出使用舵機(jī)轉(zhuǎn)向和后輪差速相結(jié)合的轉(zhuǎn)向策略，舵機(jī)根據(jù)單片機(jī)處理道路元素得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打角，后輪進(jìn)行差速處理使小車穩(wěn)定應(yīng)對(duì)彎道等，得到一套可以使小車穩(wěn)定繞過路障的方案。

1 道路元素分析[1]

實(shí)驗(yàn)道路上鋪設(shè)有中心電磁引導(dǎo)線，導(dǎo)線通過的交變電流為100 mA/20 kHz。交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在經(jīng)過電感轉(zhuǎn)變成微弱的電信號(hào)，由運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，最后數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，達(dá)到循跡的目的。道路有彎道、十字路、坡道、環(huán)島、及橫斷路障等橫斷路障等元素。其中橫斷路障是寬高為20 cm，長度與道路等寬的立方體。車模遇到橫斷路障可以在距離1 m的范圍內(nèi)駛出道路，繞過橫斷路障后在距離路障1 m之內(nèi)返回道路。圓環(huán)部分需要小車?yán)@行一周后繼續(xù)前行。

2 小車結(jié)構(gòu)分析

2.1 整體結(jié)構(gòu)

本文使用的車模采用四輪結(jié)構(gòu)，后輪由2個(gè)直流電機(jī)提供動(dòng)力，前輪由舵機(jī)提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力，用拉桿連接小車前2個(gè)輪子達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。電感傳感器和距離傳感器位于小車前部自主設(shè)計(jì)的支架上，可以適當(dāng)加長支架，在使小車運(yùn)行速度更快的同時(shí)使小車的運(yùn)行更穩(wěn)定。同時(shí)小車安裝了一個(gè)陀螺儀和加速度傳感器用于記錄小車姿態(tài)。2個(gè)512線尼龍編碼器用齒輪與電機(jī)相連，可測(cè)量小車的速度。

2.2 傳感器排布

電感傳感器排布[2]如圖1所示，考慮到道路的復(fù)雜性，選擇使用兩個(gè)方向的電感排布，對(duì)道路有更好的適應(yīng)性。橫置電感因?yàn)槠涿舾行詮?qiáng)、穩(wěn)定性高，被用于彎道、十字的循跡。豎直電感對(duì)于直道有屏蔽作用但是對(duì)圓環(huán)部分的感應(yīng)更敏感，因此用于圓環(huán)部分的循跡。中間的橫置電感在圓環(huán)部分會(huì)感知2倍于普通道路的電感量，因此用于圓環(huán)的識(shí)別標(biāo)志。距離傳感器安裝在小車最前方，可以具有避免誤觸的功能，同時(shí)使距離測(cè)算更加準(zhǔn)確。

圖1 電磁傳感器排布方案

3 軟 件

3.1 元素判別

由靜磁學(xué)中的比奧-薩伐爾定律可知，隨著距離電磁線距離的增加磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)減小。把每個(gè)電感連續(xù)取得的5個(gè)值進(jìn)行排序，去掉最大值和最小值之后求和取平均值進(jìn)行中值濾波，可使獲得的數(shù)據(jù)更可靠。根據(jù)不同的電感值可以判別出道路的直道、彎道、十字等元素。圓環(huán)部分的判定使用位于中間的橫置電感，當(dāng)中間電感值增大至約為直道的2倍時(shí)可以判定是圓環(huán)；當(dāng)距離傳感器檢測(cè)到距前方障礙物小于一定值時(shí)可以判定前方是路障?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制結(jié)構(gòu)

3.2 控制算法

PID因其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、便于調(diào)試等原因成為智能車控制的主要技術(shù)之一，所以本文采用PID來分別控制舵機(jī)和電機(jī)，這樣可以使小車快速穩(wěn)定運(yùn)行，并在不同的賽道元素中實(shí)現(xiàn)速度變化，公式如下：

（1）方向PD閉環(huán)控制。電感采集到道路信息經(jīng)過單片機(jī)濾波、歸一化處理之后，得到的值與小車相對(duì)于道路中線的偏差成正比，且正負(fù)值和小車偏離的方向相關(guān)。根據(jù)實(shí)際情況給舵機(jī)進(jìn)行限幅處理防止舵機(jī)燒壞?？刂扑惴ㄖ械腜、D需要大量的實(shí)際調(diào)試數(shù)據(jù)來確定。選取合適的值可以使智能車的運(yùn)行更穩(wěn)定。

（2）速度積分分離PI閉環(huán)控制。由于智能車在不同的賽道元素上所需要的速度不同，積分I對(duì)車速的影響較大。所以我們使用了積分分離PID控制算法?？刂扑惴ǖ碾x散化公式為[3-4]：

當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，可取消積分作用；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)引入積分控制，可消除靜態(tài)誤差，提高精度。小車2個(gè)后輪使用2個(gè)512線編碼器進(jìn)行測(cè)速。這個(gè)方法可以避免因?yàn)榈缆吩囟鸬乃俣瘸{(diào)，使小車運(yùn)行更穩(wěn)定。

3.3 控制策略

小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)外兩側(cè)車輪會(huì)移動(dòng)不同的曲線距離，外側(cè)車輪移過的距離大于內(nèi)側(cè)車輪。此時(shí)如果不對(duì)后輪進(jìn)行差速處理會(huì)出現(xiàn)車輪拖滑的現(xiàn)象，這對(duì)于判定小車的速度和位置有很大的影響，所以實(shí)驗(yàn)中選擇舵機(jī)轉(zhuǎn)向和后輪差速結(jié)合的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向。根據(jù)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向給小車轉(zhuǎn)向時(shí)的外輪加上補(bǔ)償，可以有效避免拖滑的現(xiàn)象，使小車對(duì)信息的判定更加準(zhǔn)確，行駛速度更快。

3.4 特殊元素

3.4.1 圓環(huán)

圓環(huán)元素示意圖如圖3所示。小車在靠近圓環(huán)時(shí)中間電感值會(huì)增大，到切點(diǎn)處時(shí)會(huì)增加到最大值，約為直道的兩倍。這時(shí)便可以確定為圓環(huán)元素。確定為圓環(huán)之后2個(gè)豎直放置的電感因?yàn)閳A環(huán)的電感線而導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度增加。這時(shí)只需要關(guān)閉橫置電感，用豎直電感進(jìn)行循跡即可。進(jìn)入圓環(huán)之后選擇合適的時(shí)機(jī)關(guān)閉豎直電感，用橫置電感循跡小車就會(huì)轉(zhuǎn)出圓環(huán)繼續(xù)行駛。

圖3 圓環(huán)示意圖

3.4.2 路障

路障元素示意圖如圖4所示。路障元素為本屆大賽新增元素。規(guī)則要求車?？梢栽诼氛锨? m駛出道路，繞過路障后在路障1 m之內(nèi)返回道路。因此團(tuán)隊(duì)探索出了一個(gè)使用陀螺儀輔助通過的方案。當(dāng)距離傳感器檢測(cè)到路障之后，根據(jù)勾股定理可以大致計(jì)算出小車行駛到路障處的距離。使舵機(jī)向道路外打角，由陀螺儀積分得到轉(zhuǎn)向角度，并且同時(shí)由編碼器積分得到小車行駛的路程。當(dāng)積分的角度可以通過時(shí)，舵機(jī)打角回正繼續(xù)積分角度使小車直行。直行至可以通過的距離之后，給舵機(jī)一個(gè)反方向的固定角向道路內(nèi)行駛。當(dāng)小車的2個(gè)橫置電感值增大到一定值時(shí)可以判定車?；氐降缆分?，可以繼續(xù)循跡行駛。

圖4 路障示意圖

4 結(jié) 語

目前，電磁四輪因成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)分揀機(jī)器人等領(lǐng)域，并且還有更多方面的應(yīng)用待探索。本文對(duì)電磁四輪的循跡以及避障策略做了分析，使用電感及距離傳感器可以快速穩(wěn)定的完成循跡功能。在控制策略方面，本文探索出的控制策略雖然已經(jīng)可以滿足循跡的需求，但是還有更加穩(wěn)定的模糊控制需要去探索。