摘要：本設(shè)計(jì)以第八屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽為背景，提出了一種根據(jù)線性CCD采集圖像引導(dǎo)直立小車(chē)循跡行駛的方案。本文介紹了這一方案的基本思想，所依據(jù)的物理原理，并重點(diǎn)介紹在雙速度控制算法下對(duì)轉(zhuǎn)向及障礙問(wèn)題的優(yōu)化處理，并根據(jù)方案實(shí)際制作了小車(chē)。實(shí)踐證明該方案是可行的，并且效果較好。

關(guān)鍵詞：智能車(chē);直立;速度控制;Kinetis K10;TSL1401CL

引言

以往的智能車(chē)競(jìng)賽分為光電組、攝像頭組及電磁組。在本屆比賽中，光電組首次嘗試小車(chē)直立行走，并且首次采用線性CCD作為圖像采集傳感器。本文介紹以飛思卡爾Kinetis K10為主控芯片，如何使用線性CCD所采集的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過(guò)程以及基于獨(dú)創(chuàng)的雙速度控制算法，從速度控制上解決了智能車(chē)過(guò)障礙的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 數(shù)據(jù)采集算法

檢測(cè)路徑參數(shù)可以使用多種傳感器件，如光電管陣列、CCD圖像傳感器、激光掃描器等。各種檢測(cè)方法都有相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)，其中最常使用的方法為光電管陣列和CCD圖像傳感器。如何有效利用單片機(jī)內(nèi)部資源進(jìn)行路徑參數(shù)檢測(cè)，是確定檢測(cè)方案的關(guān)鍵。

CCD傳感器是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件，它能存儲(chǔ)由光產(chǎn)生的信號(hào)電荷。當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便可在CCD內(nèi)作定向傳輸而實(shí)現(xiàn)自掃描。CCD有面陣和線陣之分，面陣是把CCD像素排成1個(gè)平面的器件;而線陣是把CCD像素排成1直線的器件。本設(shè)計(jì)中使用線性CCD作為圖像傳感元件。

在本設(shè)計(jì)中選用TSL1401CL線性CCD，TSL1401CL線性傳感器陣列由一個(gè)128×1的光電二極管陣列、相關(guān)的電荷放大器電路和一個(gè)內(nèi)部的像素?cái)?shù)據(jù)保持器構(gòu)成。該陣列由128個(gè)像素組成，其中每一個(gè)像素的光敏面積為3 524.3μm2，像素之間的間隔是8μm。該芯片操作簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)串行輸入信號(hào)和一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。

在CCD采集上，所采用的曝光時(shí)間自適應(yīng)策略如圖1所示。

從圖1可看出，該曝光時(shí)間自適應(yīng)策略就是一個(gè)典型的閉環(huán)控制，控制對(duì)象是線性CCD模塊的曝光時(shí)間，反饋是線性CCD感應(yīng)到的曝光量。調(diào)節(jié)的目標(biāo)是設(shè)定曝光量。控制器的工作原理是將設(shè)定的曝光量減去實(shí)際曝光量，差值即為曝光量的偏差e，曝光量調(diào)節(jié)器用Kp乘以e再加上上次的曝光時(shí)間作為新的曝光時(shí)間進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間調(diào)整后直接影響實(shí)際反饋的曝光量，如此反復(fù)進(jìn)行調(diào)節(jié)就能達(dá)到適應(yīng)環(huán)境光的目的。我們的做法是取一次采集到的128個(gè)像素電壓的平均值作為曝光量當(dāng)量，設(shè)定的曝光量也就是設(shè)定的128像素點(diǎn)平均電壓。

1.2 數(shù)據(jù)處理算法

在圖像處理中，采用邊緣檢測(cè)法檢測(cè)賽道。因?yàn)橘惖啦苫貓D像電壓值不同，白色賽道與黑色賽道邊緣的交界處會(huì)出現(xiàn)圖像的凹槽，也就是圖像數(shù)值的下降沿。將CCD的128個(gè)圖像點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)注，由0～127，就可以確定出兩邊黑線的左右值。

得到左右坐標(biāo)，根據(jù)公式“中線=(左坐標(biāo)+右坐標(biāo))/2”，就提取到了中線。當(dāng)然還要考慮邊線丟失的情況，我們采取補(bǔ)線的策略，如果這一時(shí)刻坐標(biāo)丟失就采用上一時(shí)刻未丟失的坐標(biāo)代替，這樣無(wú)論在十字彎、直道、彎道還是虛線，都可以實(shí)現(xiàn)很好的識(shí)別與控制，適應(yīng)各種不同的賽道要求。

對(duì)電機(jī)的控制上，采用傳統(tǒng)的PID控制算法。PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一。PID控制器綜合了關(guān)于系統(tǒng)過(guò)去(I)、現(xiàn)在(P)和未來(lái)(D)三方面的信息，控制效果令人滿(mǎn)意。工業(yè)控制95%以上都采用了PID結(jié)構(gòu)，具有簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

PID算法示意圖如圖2所示。

其中，所采用的數(shù)字PID算法公式如下：

綜上所述.在小車(chē)控制系統(tǒng)的閉環(huán)部分均采用了傳統(tǒng)數(shù)字PID算法或改進(jìn)型智能PID算法。

2 雙速度控制算法方案設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)速度控制算法

由于車(chē)模的整個(gè)行駛過(guò)程是時(shí)刻變化的，在賽道構(gòu)成復(fù)雜且車(chē)模運(yùn)行速度很高的情況下，對(duì)于系統(tǒng)的響應(yīng)要求很快。因此速度控制必須具有迅速、準(zhǔn)確、響應(yīng)快的特點(diǎn)。由PID原理知：I(積分項(xiàng))的遲滯效果會(huì)讓控制系統(tǒng)響應(yīng)變慢，因此為適應(yīng)直立車(chē)模高速運(yùn)行下的各種不同類(lèi)型賽道，放棄官方設(shè)計(jì)方案中所推薦的PI控制，而采用反應(yīng)更迅速、調(diào)節(jié)速度更快的PD控制。

直立車(chē)模是雙電機(jī)分別控制左右輪，并且通過(guò)左右輪的差速進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。在直立車(chē)的電機(jī)控制中，PWM波的輸出是由直立控制量、速度控制量與轉(zhuǎn)向控制量共同組成的，即：

電機(jī)輸出量=直立控制量+速度控制量+轉(zhuǎn)向控制量 (1)

傳統(tǒng)速度控制算法中控制公式為：

速度控制量=速度設(shè)定值=速度測(cè)量值=速度設(shè)定值-(左輪速度+右輪速度)/2 (2)

由上式可知，實(shí)際值為左右輪速度的平均值。得到速度控制量同時(shí)加給左右電機(jī)，即左右電機(jī)速度控制量始終相同，由此可知左右電機(jī)速度控制量始終相同。在傳統(tǒng)速度控制算法下，轉(zhuǎn)向控制量相對(duì)于速度控制量來(lái)說(shuō)相當(dāng)于是一種擾動(dòng)量。

2.2 雙速度控制算法

我們所設(shè)計(jì)雙速度控制的思想如下：

左電機(jī)輸出量=直立控制量+左輪速度控制量+轉(zhuǎn)向控制量 (3)

右電機(jī)輸出量=直立控制量+右輪速度控制量-轉(zhuǎn)向控制量 (4)

因?yàn)樵谛≤?chē)行駛過(guò)程中，小車(chē)保持直立，因此在小車(chē)直立行駛狀態(tài)下，直立值為固定值，所以：

左速度控制量=沒(méi)定值-左輪速度測(cè)量值 (5)

右速度控制量=設(shè)定值-右輪速度測(cè)量值 (6)

左、右輪速度值均由該輪速度控制量與轉(zhuǎn)向控制量同時(shí)給定。

由此可知：

左輪速度控制量=設(shè)定值-(速度控制量測(cè)量值+轉(zhuǎn)向控制量測(cè)量值)

右輪速度控制量=設(shè)定值-(速度控制量測(cè)量值+轉(zhuǎn)向控制量測(cè)量值)

則實(shí)際上，轉(zhuǎn)向控制量為速度控制閉環(huán)中一部分，在C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)時(shí)，將兩控制量由同一控制算法計(jì)算。最終輸出量為：

電機(jī)輸出量=直立控制量+速度與轉(zhuǎn)向控制量

由原理可知，在直道上行駛時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)向控制量接近于零，所以傳統(tǒng)速度控制與我們所使用雙速度控制下的速度輸出量相同。轉(zhuǎn)向時(shí)，由于圖像采集后的PID控制產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎控制量，形成左右輪差速，實(shí)現(xiàn)車(chē)模轉(zhuǎn)彎。傳統(tǒng)速度控制模式下轉(zhuǎn)彎控制量并不受速度控制調(diào)整，轉(zhuǎn)彎量相對(duì)速度控制參數(shù)來(lái)說(shuō)是一種擾動(dòng)量，在雙速度控制算法下，轉(zhuǎn)彎量因?qū)Ξ?dāng)前輪胎轉(zhuǎn)速造成影響，故受到該輪速度控制調(diào)節(jié)。雙速度控制下，當(dāng)車(chē)模運(yùn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，雙速度控制實(shí)際上會(huì)減緩車(chē)模入彎控制速度，加快車(chē)模出彎控制速度。實(shí)驗(yàn)效果上，因雙速度控制減緩車(chē)模入彎控制量，則在很大程度上減小了車(chē)模因快速入彎而造成的側(cè)滑以及側(cè)翻，而對(duì)于出彎的快速調(diào)整，使車(chē)?？梢栽诔鰪澓蟾斓卣{(diào)整車(chē)模位置，便于處理連續(xù)彎道及出彎后的障礙、虛線、起跑線等特殊賽道情況。因此，雙速度控制下，轉(zhuǎn)彎時(shí)速度控制量不為零，相當(dāng)于系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎時(shí)始終有速度閉環(huán)存在，輪子的左右差速由速度閉環(huán)控制。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以下為各種不同道路情況下，測(cè)得系統(tǒng)在不同路況下所能通過(guò)的最短時(shí)間，由光電門(mén)測(cè)量計(jì)時(shí)，如表1所列。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，在彎道越多時(shí)，雙速度控制所帶來(lái)的速度提升越明顯，而在連續(xù)小S彎道時(shí)所帶來(lái)的提升不大。

在本屆智能車(chē)競(jìng)賽中，對(duì)光電平衡車(chē)來(lái)說(shuō)，對(duì)于速度提升最大的考驗(yàn)是本屆智能車(chē)首次加入的障礙部分。障礙部分最大的難點(diǎn)在于，車(chē)模直立狀態(tài)經(jīng)過(guò)障礙時(shí)，不可預(yù)測(cè)是車(chē)模的左輪還是右輪先經(jīng)過(guò)障礙。在車(chē)模高速行駛經(jīng)過(guò)障礙時(shí)，會(huì)出現(xiàn)車(chē)模騰空、車(chē)模電機(jī)失速的現(xiàn)象。當(dāng)電機(jī)失速時(shí)，車(chē)模落地時(shí)左右輪哪一個(gè)先落地同樣不可控，由此車(chē)模回歸地面速度不可控，造成車(chē)模倒地或側(cè)翻。

雙速度控制在很大程度上可以減小車(chē)模在過(guò)障礙時(shí)的失速。當(dāng)車(chē)模經(jīng)過(guò)障礙時(shí)，無(wú)論是左輪還是右輪先經(jīng)過(guò)障礙，車(chē)輪失速、雙速度控制下，雙電機(jī)的速度控制是獨(dú)立的，又由于對(duì)電機(jī)的控制采用調(diào)節(jié)速度很快的PD控制，可以控制電機(jī)在失速回歸地面后迅速調(diào)整車(chē)身姿態(tài)，在車(chē)身重心較低情況下，高速通過(guò)單個(gè)障礙。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，PD控制下的雙速度控制可以很好地克服車(chē)模過(guò)障礙時(shí)對(duì)車(chē)模產(chǎn)生的影響，效果很好。

結(jié)語(yǔ)

本屆競(jìng)賽，組委會(huì)首次要求光電組直立，本設(shè)計(jì)基于飛思卡爾K10芯片，首次嘗試使用線性CCD作為圖像處理傳感器。根據(jù)線性CCD所采圖像，通過(guò)PID控制原理，采用雙速度控制算法對(duì)高度復(fù)雜的不同路況、障礙等情況都實(shí)現(xiàn)較好處理，效果良好。