導盲系統方向與速度綜合控制及FPGA實現

靖固　馮曉雪　張學松

摘要：以預瞄與跟隨理論為基礎，設計了以FPGA為控制核心的導盲小車控制系統，可實現正常盲道行進、障礙物避障行進和紅綠燈識別行進控制，為盲人出行提供安全保障.系統首先建立了基于平面幾何約束的角度與速度綜合控制模型，在此基礎上提出了一種適于FPGA實現的基于模糊規則的自校正舵機控制算法，進而實現對導盲小車的方向與速度綜合控制，本設計首先在Matlab環境下進行建模與調試，調試成功后運用Quanus II對控制器進行設計與仿真，實驗證明該系統具有很強的實時性與可靠性，可極大程度的保障盲人出行的安全。

關鍵詞：導盲系統；FPGA；方向與速度綜合控制模型；模糊規則的自校正舵機控制

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.011

中圖分類號：TP391.41

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）0-0055-06

0.引言

導盲小車是盲人出行的重要輔助工具，而導盲小車控制系統的實時性與可靠性是尤為重要的，目前常用的導盲控制系統大都采用GPS定位和超聲波導盲控制，使系統成本高，實時性不理想；而模糊PID算法具有超調小穩定性高的特點，但響應速度一般，本文采用了高度集成的FP-GA芯片作為導盲小車的控制核心，與預瞄跟蹤理論相結合，建立了基于平面幾何約束的角度與速度綜合控制模型，根據預期路徑獲取預瞄點位置和路徑方向的相關信息，經基于模糊規則的自校正舵機控制算法，實現對導盲小車的方向與速度綜合控制，進而提高盲人出行的安全性。

1.導盲小車的硬件系統

導盲小車以FPGA為控制核心，同時配備了電機和舵機以及他們的驅動裝置、紅外傳感器檢測裝置、速度光電編碼器、轉角光電編碼器以及電源和時鐘模塊.導盲小車的控制系統結構圖如圖1所示。

1.1遠紅外檢測裝置

本文采用紅外測距傳感器對小車行駛的盲道線邊界進行檢測，紅外測距傳感器具有一對紅外信號發射和接收二極管，發射管發射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來，被接收管接收，由于光的傳播速度為3×10⁸m/s，只要記錄下光信號的往返時間，用光速乘以往返時間的二分之一就是所需測量的距離。

1.3其他裝置

驅動裝置主要包括電機驅動和舵機驅動，電機的驅動采用PWM來控制電機的正反轉，改變其占空比調節電機的轉速，產生的控制信號通過BTS7960驅動電路控制電機，復位、時鐘以及電源模塊為系統上電時提供復位信號、時鐘信號和電源的供給，以確保整個系統的正常運行，整個系統的電源控制選用LM317可調穩壓電源實現。

2.導盲小車方向與速度綜合控制

2.1參數設定

2.1.1盲道小車的速度與預瞄周期T的確定

本設計假設在正常盲道上行進時為勻速運動，考慮盲人行進過程中的心理因素和生理因素的影響，選取速度介于正常人行進速度1.2m/s與病人的步行速0.7m/s之間；根據時間與速度計算公式t=s/v（s為導盲小車到盲道中線的最大距離），預瞄周期取最長控制時間870ms的八分之一；根據《城市道路和建設無障礙設計規范》取s=0.8m，選取的預瞄周期因速度不同而不同，在正常盲道上，選取v=0.9m/s，預瞄周期選取T₁=134ms；當遇到障礙時導盲小車做加速度為α₁，=-0.2m/s²的勻減速運動，預瞄周期選取T₂=126ms；當行進至交叉路口時，遇到綠燈則做加速度為α₂=0.2m/s²的勻加速運動，預瞄周期選取T₃=167ms；遇到紅燈則停止.

2.1.2車與盲道中線距離的測定

導盲小車在行進過程中的最佳控制是沿著盲道中線前行，由于紅外檢測只能檢測小車到盲道兩個邊緣的距離，建立一個以小車為坐標原點的絕對坐標系f（x.y），經過任意一個預瞄周期T_p時（p為任意采樣時刻），檢測到小車距盲道左右邊緣的坐標分別為f（x_m.y_n）和f（X_n，y_n），由此得到導盲小車到盲道中線的距離L（l_p）為：

2.2角度與速度綜合控制模型設計

2.2.1基于平面幾何約束的方向控制

根據預瞄與跟蹤理論，對盲道小車的方向進行基于模糊規則的自動校正舵機控制.在每次預瞄控制的間隔時間T_p，根據傳感器所采集的路況信息，確定最優曲率預瞄點，當檢測到L（l_p）>0，則小車向右轉，反之，J（t_p）<0，向左轉.小車行進軌跡如圖2所示，在建立的坐標系中，P₁為某位置的預瞄點，P₂為經過一個預瞄周期后的預瞄點，α₁和α₁分別為他們的預瞄角度。

2.2.2基于平面幾何約束的綜合控制模型

當導盲小車遇到障礙物或是交叉路口時，需要對小車的速度和方向同時進行控制，在原勻速運動的基礎上做如下的假設：

1）遇障礙物做小曲率勻減速運動；

2）遇綠燈做小曲率勻加速運動；

控制模型的外圍觸發邏輯狀態圖如圖3所示，當紅燈亮、避障失敗、尋徑失敗這3個條件中的任何一個觸發時，則導盲小車停止前行；綠燈亮和避障成功觸發時，系統進行勻加速或勻減速方向與速度綜合控制；在尋徑成功觸發后，系統再回到原有小曲率勻速運動的模糊舵機自校正控制，交叉口狀態和避障狀態只有系統探測到交通燈和障礙物時才會觸發，而尋徑狀態則一直伴隨導盲系統整個工作過程中。

2.3基于模糊規則的自動校正舵機控制算法

在理想狀態下，預瞄角度α等于小車的實際轉角y'但是由于阻力等環境因素以及自身結構因素的影響，α和y存在一定的角度偏差.所以本文提出了基于模糊規則的自動校正舵機控制算法.該算法的目的就在于得到自校正角度β，使得實際轉角y無限接近于預瞄角度α基于平面幾何約束的自校正控制算法設計流程如圖4所示。

2.3.1模糊控制方案設計

基于模糊規則的自動校正舵機控制系統如圖5所示。

模糊控制器采用典型的雙輸入單輸出的模糊控制結構，輸入量分別為α與y的偏差E以及α的變化率△E，輸出量u為自校正角度屆.

對偏差E、偏差變化AE以及控制量U的模糊集及其論域定義如下：

假設小車做小曲率的勻速運動，所以E的論域為M，M的范圍[-30，30].在論域上定義7個模糊子集{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，記為{NB，NM，NS，NO，Ps，PM，PB}。

小車速度為0.9m/s，則在預瞄周期內小車行進距離為0.6m，偏差變化率AE變化不會太大，因此，AE的論域N為{-10，10}，在論域上定義7個模糊子集{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，記為{NB，NM，NS，NO，PS，PM，PB}。

u的模糊集為{SB，SM，ss，SO，Js，JM，JB}7檔，分別表示{減大，減中，減小，零，加小，加中，加大}.u的論域范圍為[-20，20]。

描述輸入、輸出變量的詞匯都具有模糊的特性，可用模糊集合來表示，因此模糊概念的確定問題就直接轉變為模糊集合隸屬函數的問題。

模糊控制器的控制規則是以手動控制策略為基礎的，手動控制策略一般都可以用if then形式的條件語句來加以描述。

根據專家經驗總結出的舵機校正模糊控制規則如表1所示。

當小車預瞄角度與實際的轉角的偏差正大以及α的變化率都正大時，輸出一個負的較大的β；當偏差正大而偏差變化率向負方向變化很大時，說明偏差正在變小，此時輸出一個負較小的β。

3.FPGA控制系統的設計與仿真

利用Matlab對控制系統進行建模和控制算法的設計與仿真.在預瞄與跟蹤理論的基礎上，在Matlab軟件的simulink環境下搭建了基于平面幾何約束的方向與速度綜合控制模型，并使用Fuzzy log—ic模塊設計模糊控制器及模糊規則，圖6為自校正舵機控制系統的simulink仿真模型圖。

將清晰化的控制量u制成表放在FPGA中，用來進行查詢的對應輸出值，調用在Quartus II中的LPM—ROM的IP核，通過查詢該表得到每對e和Ae所對應的輸出值。

根據導盲小車檢測到是否在盲道上，將控制系統分為2大模塊，頂層設計采用自下而上的設計思想進行模塊劃分，并采用了模糊規則自校正算法的并行處理方法，利用Quartus II的原理圖輸入法進行頂層設計的輸入.控制系統的頂層設計原理圖如圖7所示，圖8為導盲小車控制系統仿真波形圖，仿真結果表明導盲小車的實際轉角y與預瞄角度α非常接近，在一個控制周期內y和α的差不超過0.9°，響應時間為80ns，控制效果能滿足系統要求，

4.結論

應用Quartus II完成了導盲系統控制器的設計與仿真，實驗證明該系統具有很強的實時陛，能很好地實現正常盲道行進、障礙物避障行進和紅綠燈識別行進過程控制，特別在小車的速度與方向綜合控制的響應時間方面較文[4]所耗時節省20%（文[4]的PID模糊控制器的響應時間為97.25ns）；由于本系統采用FPGA技術、并行處理算法，最大程度地節省了時間，具有省時、高效、處理效果好的優點，能滿足盲道控制系統的實時性和準確性要求，不足之處是在復雜的交通環境下，路徑是否為最佳選擇還有待驗證。