智能汽車競賽技術(shù)報告(節(jié)選)

第五屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車邀請賽在原有CCD組和光電組基礎(chǔ)上增加了電磁組，以100mA的交變電流為賽道，自主開發(fā)檢測傳感器。檢測賽道信息。鑒于電磁組與光電、CCD在檢測方法上有本質(zhì)的不同，我們在傳感器設(shè)計上采用電感線圈檢測磁場，通過在多個點布置不同方向的檢測傳感器獲取賽道信息，利用所獲取的信號進行處理，實現(xiàn)對賽車轉(zhuǎn)向、速度進行控制。同時，我們利用前幾屆比賽積累下的經(jīng)驗，繼續(xù)加強在電源管理、噪聲抑制、驅(qū)動優(yōu)化、整車布局等方面的研究工作，使智能車能夠滿足高速運行下的動力性和穩(wěn)定性需求，獲得了良好的綜合性能和賽場表現(xiàn)。

整車設(shè)計思路

控制系統(tǒng)

智能車的工作模式如圖1所示：電磁傳感器獲取賽道某點電磁特性，信號輸入到s12控制核心，進行進一步處理以獲得賽道信息：通過光電編碼器轉(zhuǎn)速傳感器檢測車速，并采用S12的輸入捕捉功能進行脈沖計數(shù)計算車速和路程：通過片上AD檢測電池電壓：舵機轉(zhuǎn)向采用分段PID控制；電機轉(zhuǎn)速控制采用PID控制，通過PWM控制驅(qū)動電路調(diào)整電機的功率。

整車布局

鑒于賽車和賽道的特點，并且車模不變、今年在整車布局上仍延續(xù)基本布局的思路，采用低重心緊湊型設(shè)計。井架高舵機以提高響應(yīng)速度。為調(diào)整整車重心位置，采用碳桿支撐電磁傳感器，減小轉(zhuǎn)動慣量。在降低整車重心方面采用了低位主板的布局，同時設(shè)計了強度高質(zhì)量輕的電磁傳感器安裝架，減輕信號采集電路板重量，降低電池架高度，降低賽車前方底盤高度，如圖2。

電磁組主要特點

1 傳感器信號為模擬值

電磁組需要檢測的信號為大小100mA，頻率為20KHz的方波信號，賽道由導線鋪成，導線周圍分布著交變的電磁場，由于賽道的各種形狀，使得磁場發(fā)生疊加，不同的賽道形狀形成不同的特征磁場，如下圖為十字線附近的磁場。賽道信息相對于傳統(tǒng)黑白線具有信號可以提供模擬信息的優(yōu)勢，我們利用電磁賽道這種優(yōu)勢，完善小車控制算法，達到了較好的控制效果。

2 傳感器信號具有方向性

磁場是矢量，在空間的分布為具有方向性，所以傳感器檢測到的信號也具有特定的方向性。在實際檢測的時候發(fā)現(xiàn)、不同方向傳感器的變化規(guī)律有很大的不同，這也和磁場的分量變化規(guī)律相一致。比如，磁場垂直分量變化的比較早，但是受相鄰賽道的影響較大，而磁場的水平分量恰好相反。

硬件設(shè)計

傳感器方案

磁場檢測傳感器

使用10mH電感和6.8nF電容并聯(lián)諧振，來感應(yīng)20kHz的磁場信號，經(jīng)放大電路放大后，得到正弦波，再用AD采樣，得到正弦波的峰值，以判斷傳感器離導線的距離，從而定位導線。由于官方給出的三極管放大電路不易調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，檢波電路信號變化速度較慢，我們決定使用運放放大直接由AD采樣。電路圖如圖4。運放使用了TL082雙運放，能夠?qū)⑿盘柗糯髱浊П叮梢詽M足探測的需要。電磁起跑為并排放置的3000gauss的磁鐵，經(jīng)過對霍爾傳感器和千簧管的試驗，最終選擇使用千簧管做起跑檢測，以達到較高的檢測精度和較大的檢測距離。

傳感器的布局

電磁傳感器測出的信號為當前所在位置的某個方向的磁場信息，所以傳感器的布局至關(guān)重要。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當傳感器相距較大，視角寬，得到的賽道信息量大。所以，采用盡量架寬主要傳感器的方式，以獲得豐富的賽道信息，并且提前預(yù)知賽道形狀。

主扳電路設(shè)計

主板上主要包括電源模塊、電機驅(qū)動、信號檢測電路、各模塊的接口。

信號檢測電路

多個傳感器的信號接到主板上后，通過模擬開關(guān)cD4051芯片選通，然后輸出給單片機AD進行采樣，框圖如圖6。模擬開關(guān)使用性能優(yōu)良的CD4051芯片，8路信號輸入。

賽道識別

傳感器的布局方案為車的賽道識別提供了一定的前瞻，軟件的設(shè)計方案就要利用好這樣的前瞻，更早地識別賽道變化情況，提高行進速度。同時，除了前瞻以外，還需要考慮車前方近處的賽道情況。綜合考慮二者的情況，給出的賽道識別信息，可以同時滿足遠處和近處的要求，實現(xiàn)在“s”形彎道盡可能直沖、彎道切內(nèi)線并且提前轉(zhuǎn)向的效果。

此外，還需要對于一些特殊情況進行特殊的處理。首先，是十字線的處理。從圖3中可以看到，在前瞻較大的時候，十字線的磁場分布與正常的九十度彎道非常類似，容易出現(xiàn)忽略十字線直接轉(zhuǎn)向的情況。進入十字線之后，內(nèi)側(cè)的磁場與螺線管類似，遠大于外側(cè)的磁場，容易出現(xiàn)內(nèi)切過大的情況。為此，我們在十字線附近采用了特殊的識別策略。并且在識別之后，在交叉線附近的直道上降低舵機的擺動。這樣可以降低十字線的特殊磁場的干擾。

其次，由于提高前瞻的考慮，傳感器的視角并不是很大，容易出現(xiàn)迷失的情況。我們通過嘗試發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)迷失之后，兩個水平傳感器的信號之和會變小。通過這一點，我們找到了判定迷失的條件。迷失之后，降速，舵機打到一個比較大的角度。

最后，是坡道的處理。在坡道上，同樣會出現(xiàn)兩個水平傳感器的信號之和會變小的情況。有所不同的是，坡道上，傳感器之間的差不會很小。通過這一點，我們解決了坡道上會出現(xiàn)錯誤迷失的情況。

點評：

飛思卡爾智能車比賽已舉行了五屆了，回顧這幾年的技術(shù)發(fā)展，從第一年以光電車為主，到第二年攝像頭車成績遙遙領(lǐng)先，到第三年激光管車的出現(xiàn)，每一個新的檢測方法的出現(xiàn)都使車速提升到一個新的高度。今年，組委會又加設(shè)了電磁組，從分賽區(qū)成績來看，電磁車采用新的檢測形式并沒有在速度上輸給傳統(tǒng)光電和CCD，并且由于電磁信號具有方向性、連續(xù)性必然會在以后的發(fā)展中展現(xiàn)出更多的優(yōu)勢。我們在電磁前瞻上做了一些研究和嘗試，但是相對于光電和攝像頭還差太遠，并且電磁前瞻對賽道參數(shù)依賴性很強、易受電磁環(huán)境影響，還有很多不穩(wěn)定因素和不明確的地方。但是，我們有信心，電磁信號的優(yōu)勢一定能在以后的比賽中發(fā)揮出來，長距離、高穩(wěn)定性的前瞻在檢測手段和精度不斷提高的基礎(chǔ)上一定可以實現(xiàn)。期待明年智能車賽場上有令人驚異的技術(shù)的出現(xiàn)。