智能小車自動糾偏與避撞的實現

張 俊，周 暉，王 超，徐榮華，孫小磊，朱松盛

（南京醫科大學 生物醫學工程系，江蘇 南京 210029）

智能車輛[1-3]是一種機器人，它可以按照預先設定的模式在一個環境里自動行駛，也可以根據現場情況自主執行特定操作。其設計內容涉及自動控制、計算機技術、傳感與檢測技術等多個學科。智能小車在自動控制領域具有廣闊的應用前景。其中，如何保證車輛直線行駛，而不是“之”字形行駛、轉彎過程如何保證平行行駛，和超車是其中3個需要解決的基本問題。文中根據3個問題分別提出了解決方法，實際實驗效果良好。

1 現實應用模擬原理

本文模擬現實應用，借助圖1所示跑道（2塊細木工板拼接而成，離地面高度8 cm，板上邊界線由約2 cm寬的黑膠帶構成；虛線由 2 cm寬、長度為 10 cm、間隔為10 cm的黑膠帶構成）實現如下功能：甲車車頭緊靠起點標志線，乙車車尾緊靠邊界，甲、乙兩輛小車同時起動，先后通過起點標志線，在行車道同向而行，在超車區超車，并實現兩車交替超車領跑功能。

2 系統結構

系統組成結構如圖2所示。小車主要由控制中心（MSP430F149單片機[4]）、避撞檢測模塊、轉彎線檢測模塊（兼作彎道糾偏）、直道糾偏檢測模塊、電機驅動模塊、簡易按鍵、nRF905[5]通信接口、電源等組成。

圖1 行駛路線圖Fig.1 Road map

2.1 避撞檢測模塊

圖2 系統結構Fig.2 System structure

圖3 避撞檢測模塊Fig.3 Avoid bump detection module

2.2 轉彎線檢測模塊

采用紅外反射收發對管來檢測黑色標志線，放置在小車車頭，用于檢測圖1中的轉彎標志線和超車標志線，紅外發射管發出的紅外線照射到平板上，若紅外接收管不能接收到反射回的光線則表示光線全被吸收，則檢測出黑色標志線，從而輸出高電壓，若能接收到反射回的光線則表示檢測到非黑色標志線，輸出低電壓。

2.3 直道糾偏檢測模塊

行車道40 cm，邊界由2 cm黑膠帶圍成，如果不加防護措施小車容易滑落。正常如果不加防護措施，小車容易脫離跑道。由小車側面兩個E18-D80NK紅外傳感器[6]進行直道中的糾偏，將兩個紅外避障傳感器分別向外傾斜一定角度，安裝在小車兩側，如圖 4所示，調節紅外避障傳感器的感應距離，使避障距離介于傳感器到跑道與傳感器到地面之間，當傳感器探測到跑道時，輸出低電平，表示小車在跑道上，當探測到地面時，輸出高電平，說明小車即將脫離跑道，這時及時糾偏，確保小車正常行駛。

2.4 通信接口

超車時，為了確定兩車的位置、及時調節兩車的速度、減少超車時間，需要使用nRF905在兩車間進行無線通信。nRF905是挪威 Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，使用SPI接口與微控制器通信。

2.5 電機驅動模塊

采用L298N驅動直流電機，利用它內部的橋式電路來驅動電機，這種方法的優點是利用PWM波來控制電機速度，其余端口可以控制電機的正反轉。

圖4 小車整體圖Fig.4 Car appearance

3 軟件設計

小車行駛模式分為：自主模式、跟隨模式。自主模式即前面的車依照事先設定的速度行駛，并自動糾偏。跟隨模式即后車緊跟在前車后面，保持一定距離，并自動糾偏。自主模式和跟隨模式能自動切換。

3.1 直道糾偏算法

小車行駛過程中，直道糾偏采用兩次糾偏的方式。如果僅采用一次糾偏，如圖5左所示，雖然可以把小車的前進方向糾正，但小車整體處在跑道邊緣，偏離跑道中心，在下次出現偏離時很容易出現來不及糾正而小車已經掉落跑道的情況。根據否定之否定規律，采用兩次糾偏，在糾正行車方向同時，調整小車位置趨向跑道中心。該算法如下：

圖5 兩種直道糾偏算法比較Fig.5 Two straight correction algorithm

直道糾偏的同時開啟TimerA計時；小車離開跑道邊緣時關閉TimerA，保存計時值：nTurnHold。

繼續轉彎，時長為2*nTurnHold（繼續保持 2*nTurnHold轉彎是為了將小車調整向跑道中間）；反向轉彎，時長為nTurnHold（反向轉彎是為了糾正小車方向）；恢復原來的行駛模式。具體流程圖如圖 6所示，先判斷接近的是左或右邊線，做好左右轉標記，然后以直道兩次糾偏算法進行計算，最后根據左右轉標記進行反方向糾偏。

圖6 直道糾偏流程Fig.6 Correction flow chart in straight

3.2 彎道糾偏算法

采用小車兩邊轉速不同、輔以延時的方法來實現轉彎，因此延時時間是關鍵。然而，通常在過轉彎標志線時，車身與線不垂直且角度也不固定，如圖7所示。這將造成無法確定一個固定的延時值。為此，采用彎道糾偏的方法，確保小車過彎后姿態可控，該方法流程圖如圖8所示。其中，每輛車配有兩塊對稱分布于車頭兩邊的轉彎線檢測模塊，當其中有一塊檢測到轉彎線時，先判斷是左還是右，如果是左邊先檢測到線則符號為“+”，否則為“-”，然后立刻打開 MSP430的計時器TimerA，計算兩塊傳感器檢測到轉彎線的時間差。根據符號是“+”或“-”，將上面得到的時間差以一定比例加/減到固定延時時間上，這個比例無準確計算方法，實際數值主要根據跑道的摩擦力，小車速度等客觀條件確定，進而得到最終的時間參數（即轉彎時長nVeerTime），轉彎函數調用此參數。這樣一種“負反饋式修正”的方法，能使小車在轉彎后基本平行于跑道，且趨向跑道中間。

圖7 過彎模擬圖Fig.7 Turn corner simulation

轉彎時長：nVeerTime；左、右傳感器探測到轉彎時間差：nDiffValue；轉彎固定延時值：nStaticTime；比例系數：fRatio。

nVeerTime=nStaticTime+nDiffValue*fRatio

超車時需要多次轉彎，因而超車標志區設置多條黑線，可以多次調整，將保證小車進入超車區后的姿態最理想。

圖8 彎道糾偏流程Fig.8 Correction flow chart in corner

3.3 超車糾偏算法

到達圖1中超車區后，先經超車標志區多條線采用類似彎道糾偏方法調整好小車姿態。然后，根據超聲測距的結果判斷本車是前車還是后車。若是后車，轉彎進入超車道，加速超車后返回行車道，發送無線信號告知另一車超車已完成，最終恢復自主模式行駛。若是前車，則減速慢行，等待后車的超車結束信號，最終恢復跟隨模式行駛。超車時后車進入超車區行駛，前車則在原跑道行駛，只要保證兩車速度差足夠大，就可以保證后車順利超過前車。

具體流程圖如圖 9所示，其中關鍵是兩車配合的時間問題，通過無線模塊可以使兩車進行同步。小車在直道、轉彎、超車過程中，自動糾偏將一直運行，并實現自主模式和跟隨模式自動切換。

圖9 超車流程Fig.9 Overtaking flow chart

3.4 避撞算法

在直線行駛中，為了防止后車撞上前車，需要使用避撞檢測模塊來保持車距。本文采用HY-SRF05超聲測距傳感器測量兩車間距離，并預設安全值25 cm。車距大于安全值時，后車可加速行駛；車距小于安全值時，則減速。如此，可使得后車跟隨前車，實現跟隨行駛，但在轉彎及超車時，全部自主行駛，不再跟隨前車，當轉彎，超車等特例操作結束后，再恢復自主行駛/跟隨行駛。避撞算法流程圖如圖10所示。

圖10 避撞流程Fig.10 Avoid bump flow chart

4 結束語

文中針對具有引導線環境下的路徑跟蹤這一熱點問題，采用多傳感器，通過單片機控制，實現智能小車的路徑跟蹤和自動糾偏的功能，在此基礎上還實現了車輛的超車功能。在實際測試中，運行一圈大約需要14.85±1.52 s，小車運行穩定，在測試的25圈中未出現掉落的情況。表明效果較好，并易于實現。

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[2]王洪升，田蔚風，金志華.一種面向智能交通的移動機器人控制系統[J].自動化技術與應用，2004，23（1）：45-48.

WANG Hong-sheng，TIAN Wei-feng，JIN Zhi-hua.The control system of a mobile robot for ITS[J].Techniques of Automation 8 Applications，2004，23（1）：45-48.

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[5]Nordicsemi INC.nRF905 Single Chip 433/868/915MHz Radio Transceiver[S].2004：12-26.

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