基于電磁巡航技術(shù)的無人車研究與設(shè)計(jì)

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 張海平 何志琴 李安華

0 引言

當(dāng)代社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛智能車可能會(huì)是將來發(fā)展的目標(biāo)。它可以根據(jù)預(yù)先定義的規(guī)則在環(huán)境中或在多個(gè)環(huán)境中自動(dòng)操作，而不需要人為再額外的做任何操作。本文介紹了一種新的基于電磁巡航技術(shù)的無人車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并給出了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案[1,2]。本次設(shè)計(jì)中使用舵機(jī)控制方向，后輪作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，使用兩個(gè)直流電機(jī)，在彎道時(shí)，可以通過差速控制輔助舵機(jī)轉(zhuǎn)彎，使無人車可以更加的迅速且平穩(wěn)的過彎，舵機(jī)控制算法方面采用分段PID控制，轉(zhuǎn)向平滑迅速[3]。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

電磁式巡航無人車在道路上的位置信號(hào)由安裝在車體前面的電磁傳感器獲取，經(jīng)濾波和放大電路進(jìn)行處理后，將該信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)上，利用單片機(jī)內(nèi)部的AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過一些數(shù)據(jù)處理的方法得到能夠直接利用并能夠控制無人車自行運(yùn)作的參數(shù)。通無人駕駛智能車需要獲取當(dāng)前車速作為調(diào)節(jié)車輛速度的標(biāo)準(zhǔn)，所以使用編碼器作為反饋，利用編碼器的脈沖計(jì)數(shù)功能獲取無人駕駛智能車的當(dāng)前速度。利用控制算法產(chǎn)生PWM波控制H橋電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)[4]。此外，還增加了輔助調(diào)試模塊——OLED顯示屏，解決了在電腦上觀看數(shù)據(jù)的不方便性。

圖1 系統(tǒng)的整體框架圖

如圖1所示，本系統(tǒng)主要是由K60單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)控制、信號(hào)采集、編碼器測(cè)速、電源電路和OLED顯示屏等模塊構(gòu)成。

2 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了有效的避開其他磁場(chǎng)的干擾，選擇頻率為20kHz的交變磁場(chǎng)作為路徑中心信號(hào)線的磁場(chǎng)信號(hào)，但產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào)非常微弱，為了去除別的干擾信號(hào)的影響，故利用了LC并聯(lián)諧振電路進(jìn)行選頻放大處理電路。

圖2 LC并聯(lián)諧振電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 方向控制

舵機(jī)的控制實(shí)質(zhì)上就是小車的方向控制，主要是以小車自身的位置為參考，通過“始終使小車逼近道路中心的電磁信號(hào)線”的思想，控制舵機(jī)進(jìn)行打角進(jìn)而控制電磁式巡航無人車的前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，因此選擇一個(gè)比較合適的控制算法，提高舵機(jī)打角的“平滑度”從而提高無人車的運(yùn)動(dòng)性能，有著非常直接的影響[5]。此處選擇分段PD，它把道路的寬度分成很多段，在每一個(gè)小段內(nèi)，都有對(duì)應(yīng)的一套PD參數(shù)控制，使得舵機(jī)打角變得細(xì)化，舵機(jī)會(huì)根據(jù)彎度的大小而做出響應(yīng)，增加了舵機(jī)打角的“平滑度”[6]。

3.2 速度控制

速度控制的基本思想是“直線道度加速，曲線道路減速”，其程序流程圖如圖3所示。

其中，Speed_Dy0是一個(gè)常量，也是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，在此處是10；是小車速度的一個(gè)臨時(shí)值，它是一個(gè)中間變量；和分別是小車的最高速度和最低數(shù)度，一般是在調(diào)車是根據(jù)不同的PD參數(shù)而設(shè)置；是偏差的中心值，此處我設(shè)置的是100，它也可以看作是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值；是本次設(shè)計(jì)的電磁式巡航無人車的當(dāng)前車速，是輸出速度。

圖3 速度控制程序流程圖

4 結(jié)論

智能車技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，它主要包含了自動(dòng)控制理論、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、數(shù)模電等多門學(xué)科的技術(shù)[6]。電磁式巡航無人車技術(shù)只是當(dāng)中的一個(gè)分支而已，在智能交通方面擁有者比較廣闊的應(yīng)用前景，[7]。本文介紹了電磁式巡航智能車的兩大系統(tǒng)——硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了電磁式巡航無人車自主的檢測(cè)路徑中間的電磁信號(hào)線所產(chǎn)生的電磁信號(hào)，從而使無人車自主的循跡行駛，本文重點(diǎn)介紹了無人車硬件電路的設(shè)計(jì)，并針對(duì)性的設(shè)計(jì)了針對(duì)電磁式巡航無人車的兩大控制對(duì)象舵機(jī)和電機(jī)的控制算法。