基于MK60的室內(nèi)導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計

張仁均，陳 誠，田 琦

（火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025）

近年來，慣性導(dǎo)航技術(shù)廣泛運用于航天、航海、海洋勘測、石油探測等領(lǐng)域，具有自主性高、隱蔽性好、抗干擾性好等特點。室內(nèi)定位技術(shù)主要有紅外技術(shù)、超聲波、WiFi和UWB定位。

紅外技術(shù)的傳輸距離短，容易受其他光線的干擾；超聲波受環(huán)境影響精度較低；WiFi技術(shù)受限于無線覆蓋區(qū)域；UWB定位技術(shù)雖然精度較高，但是需要建設(shè)相應(yīng)的基站，成本高。故本文采用慣性導(dǎo)航技術(shù)進行室內(nèi)定位研究，克服了復(fù)雜的環(huán)境變化影響，以智能車作為載體，通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對智能車進行導(dǎo)航控制，研究了基于慣性導(dǎo)航技術(shù)在無GPS信號地區(qū)的適用性。實驗表明，在慣性元件精度可靠、速度積分處理精確的條件下，慣性導(dǎo)航技術(shù)的精度較高，能夠在一定時間范圍內(nèi)用于對智能車的精確導(dǎo)航，具有較好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

整個智能車慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以恩智浦公司32位單片機MK60FN1M0VLQ15作為主控芯片，核心傳感器是超核公司的IMU9250傳感器、5000線高精度編碼器及200w模組攝像頭，在現(xiàn)有智能車平臺上構(gòu)建完整的智能車慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

整個智能車慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理如圖1所示。首先，智能車驅(qū)動部分設(shè)計了2個閉環(huán)控制，一個是單片機通過編碼器信息完成對直流電機的閉環(huán)控制，另一個是通過攝像頭采集信息獲取車輛偏移道路角度對舵機進行閉環(huán)控制。具體來說，利用編碼器和IMU9250輸出信息，并用200w模組攝像頭對場地目標參數(shù)進行識別處理，輸入到單片機進行加權(quán)處理，算法計算后得到智能車實時坐標及軌跡參數(shù)。其次，設(shè)計了遠程調(diào)試控制，通過無線調(diào)試器對智能車軌跡進行在線調(diào)試，發(fā)送控制指令和監(jiān)測參數(shù)。最后，設(shè)計數(shù)據(jù)管理，通過藍牙通信和SD卡存儲的智能車軌跡參數(shù)輸入到上位機觀測智能車運行時的各點位信息，進行數(shù)據(jù)分析和參數(shù)擬合。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

MK60FN1M0VLQ15單片機是恩智浦公司生產(chǎn)的一塊32位高性能單片機，具有豐富的系統(tǒng)資源和外部電路接口，包含144個引腳[1]。其電路圖如圖2所示。

圖2 MK60FN1M0VLQ15電路圖

MK60FN1M0VLQ15單片機的FTM3通道輸出PWM用于對舵機進行閉環(huán)控制，F(xiàn)TM0通道連接電機的4個驅(qū)動端口，控制直流電機。NRF24L01無線傳輸模塊通過K60的SPI0接口進行數(shù)據(jù)傳輸，藍牙通信使用UART5串口，傳輸波特率選用115 200.2個編碼器分別通過FTM1和FTM2通道進行正交解碼采集轉(zhuǎn)速后輸入到單片機，MPU9250按照一定的通信協(xié)議通過UART2串口輸入到單片機。

2.2 IMU9250傳感器

一言以蔽之，課程整合即旨在通過學(xué)校教學(xué)時空的重新分配，引導(dǎo)學(xué)校思考存在的價值和育人模式，重新組織教育要素，調(diào)整教學(xué)秩序；引導(dǎo)教師重新思考學(xué)科本質(zhì)、跨學(xué)科的必要性和多路徑選擇，引導(dǎo)學(xué)生穿跨學(xué)科壁壘，聯(lián)通直接知識與間接知識，關(guān)聯(lián)知識與生活，彰顯學(xué)習(xí)的實踐性與創(chuàng)新性，過與以往不同的學(xué)校生活。

2.3 5000線高精度編碼器

2輪的速度采集由2個編碼器完成，5000高精度編碼器能夠在很大程度上減少脈沖丟失的情況，減小積分后的位移誤差。圖3展示的是使用的5000線編碼器。

(1)FRP布加固裂紋的等效旋轉(zhuǎn)彈簧剛度和裂紋閉合臨界載荷依賴于裂紋深度和FRP的材料參數(shù)等,FRP布加固裂紋的等效旋轉(zhuǎn)彈簧剛度值隨裂紋深度的減小以及FRP材料彈性模量和含量增加而增大.

圖3 5000線編碼器

圖4 200w模組攝像頭

2.4 200w模組攝像頭

智能車系統(tǒng)采用200w模組攝像頭懸掛在場地上方對場地信息進行采集，鏡頭采用120°廣角鏡頭，輸出信息已經(jīng)做過無畸變處理。圖4顯示的是使用的200w模組攝像頭。

2.5 電源模塊

智能車系統(tǒng)采用7.2 V的Ni-Cd蓄電池供電，并根據(jù)不同模塊所需的電壓進行驅(qū)動設(shè)計。單片機和SD卡模塊采用3.3 V供電；編碼器5 V供電，利用LM1117芯片加外圍電路完成；電機12～24 V供電，電池電壓不足以提供這樣的電壓時，采用MC34063完成升壓工作；舵機6.5 V供電，直接用LM1084加電位計完成調(diào)壓。

舵機控制采用傳統(tǒng)的位置式PID控制算法。通過測試，在Ki置零時，舵機的動態(tài)性能更強，所以調(diào)節(jié)參數(shù)時可以直接將Ki置零。Kp和Kd參數(shù)的設(shè)置在模糊化處理時根據(jù)每段需要進行實際調(diào)節(jié)。通過合理的PD調(diào)節(jié)，使得智能車能夠按照預(yù)定的軌跡進行穩(wěn)定行駛。

3 軟件設(shè)計

3.1 程序整體框架

圖5為軟件的總體流程圖。軟件工作時需要初始化單片機的各個模塊及需要的初始參數(shù)，其中，初始化包括I/O口初始化配置、FTM模塊初始化、PIT模塊初始化、UART模塊初始化、單片機時鐘配置、各參數(shù)的初始化、坐標初始化。初始化完畢后，等待發(fā)車指令而后發(fā)車，進入跑車階段：各傳感器采集信號輸入到單片機，完成一次采樣后，智能車根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)與過去的狀態(tài)獲取電機和舵機的PWM輸出值，實現(xiàn)智能車的閉環(huán)控制。通過上位機和無線調(diào)試器可以監(jiān)測智能車的運行狀態(tài)并進行調(diào)試和控制。

3.2 二維模糊控制器的程序?qū)崿F(xiàn)

［4］仇靜，夏蓮.基于PID的直線電機控制方法及實驗研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

由于大棚棚內(nèi)的溫度相對較高，水分的蒸發(fā)較快，同時草莓的生長速度較快，因此對肥料和水分的需求量很大。施肥應(yīng)以有機肥為主，化肥作為輔助肥料。施足底肥，然后在葉片數(shù)量超過3片時，澆水的同時施1次肥料，通常情況下，每畝施復(fù)合肥40公斤、菌肥20公斤、鉀肥5公斤。當(dāng)草莓開花結(jié)果后，應(yīng)該追施肥料約4次。

圖5 程序流程圖

圖6 理論軌跡與實際軌跡對比圖

3.3 舵機量PWM輸出

圖3所示是本文提出的時頻域結(jié)合抗干擾原理框圖。前端的信號、干擾和噪聲先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，分別進行時域和頻域的抗干擾抑制。其中，時域模塊由IIR陷波器構(gòu)成，頻域模塊由加窗、FFT、干擾抑制、IFFT和1/2數(shù)據(jù)塊延遲組成。上支路加窗后進行干擾抑制，然后進行1/2數(shù)據(jù)塊的延遲；下支路先進行1/2數(shù)據(jù)塊的延遲，然后再加窗，最后進行干擾抑制。上支路和下支路都進行了1/2數(shù)據(jù)塊的延遲保證了上下支路相加時在時間上時對應(yīng)的。

公式如下：

［3］史恩秀，黃玉美.自主導(dǎo)航小車AGV定位方法的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（1）：233-236．

4 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖6所示，圖中白色軌跡為實際運行軌跡，黑色軌跡為理論軌跡。通過對比，在誤差允許范圍內(nèi)，理論軌跡與實際軌跡十分吻合，證明智能車慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有較高的精確度和可行性。

本文研究的出發(fā)點是在文獻[19]提取高置信度規(guī)則的基礎(chǔ)上,引入了一個評估規(guī)則覆蓋能力的度量,即似然比統(tǒng)計量。通過設(shè)置合理的閾值,即可提取具有較高置信度且具有較強覆蓋能力的規(guī)則。在此基礎(chǔ)上,給出了一種保持規(guī)則置信度不變的屬性約簡啟發(fā)式算法。

5 結(jié)論

本文選用室內(nèi)智能車導(dǎo)航系統(tǒng)作為研究平臺，建立了地球坐標系與慣性坐標系的聯(lián)系，并進行高精度誤差處理，利用慣性導(dǎo)航原理對智能車進行導(dǎo)航控制、軌跡優(yōu)化和障礙規(guī)避。結(jié)果表明，基于地球坐標系的慣性導(dǎo)航方法是一種高精度的輔助導(dǎo)航方法，可為車輛在室內(nèi)或特殊環(huán)境下區(qū)域提供位置信息和導(dǎo)航。

［1］Freescale Semiconductor，Inc.MK60DN512ZVLQ10 芯片手冊［M］.［出版地不詳］.http://ishare.iask.sina.com.cn/f/35566836.html.

參考文獻：

IMU9250傳感器是一款高性能的9軸運動組件，它擁有易用的數(shù)據(jù)輸出接口、高精度的姿態(tài)角、收斂速度極快的絕對航向角。除此之外，本模塊內(nèi)置了NXP低功耗微控制器，能夠提供極好的用戶體驗。

［2］劉文超，卞鴻巍，王榮穎，等.慣導(dǎo)系統(tǒng)橫向坐標法導(dǎo)航性能研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2015，40（11）：1520-1525.

式（1）中：PWM為舵機輸出控制量；Perr為這次采集的輸入值；Derr為2次采集值的差值；Kp和Kd分別為比例和微分系數(shù)。

本導(dǎo)航系統(tǒng)采取二維模糊控制器，輸入變量qcl、Scl分別為智能車的轉(zhuǎn)角值和轉(zhuǎn)角變化率，輸出量為前輪轉(zhuǎn)向角，通過改變電路輸出的PWM波的占空比來改變打角值。在智能車轉(zhuǎn)角的模糊控制系統(tǒng)中，智能車所獲取的目標打角qcl和Scl是精確的量，將此精確量轉(zhuǎn)變成語言變量就是模糊化處理。在實際操作中，根據(jù)qcl和Scl的大小，按照一定的權(quán)重對控制路線進行分段處理，在每一段中再由具體的qcl和Scl分配比例轉(zhuǎn)化成一個模糊量PWMbuff，作為對舵機進行PID調(diào)節(jié)的控制量。

［5］張華倩，魏東，王夢卿.卡爾曼濾波在車載組合導(dǎo)航中的應(yīng)用研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2017.

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［8］王守寬.基于MEMS低成本微型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2016.

當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時,作為激光器選頻元件的光纖光柵的反射波長會隨溫度發(fā)生線性變化,激光器的激射波長也隨之發(fā)生變化。光柵的反射波長與溫度變化呈現(xiàn)一定的變化關(guān)系,所以可用探測到的激光波長反映環(huán)境的溫度變化。圖4(a)給出激光光譜隨溫度變化情況,箭頭標出了溫度增加的時候,光譜溫漂的方向。探測信號的OSNR超過40 dB。圖4(b)給出激光激射波長隨溫度變化關(guān)系,我們看到溫度傳感系數(shù)為9.571 pm/℃,激光波長與光柵溫度呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。

教師專業(yè)化是教學(xué)達到目標的基本前提。思想品德課和政治課教學(xué)教師應(yīng)具備從事本學(xué)科的專業(yè)知識和專業(yè)技能。要嚴把資質(zhì)關(guān)，不是什么人都能教授這門課。

［9］朱新宇，陶庭葉.基于行人航位推算和MEMS慣性傳感器的室內(nèi)定位算法研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

紅琴熱烘烘的氣息彌漫在茶莊，與風(fēng)影冷冷的眼神形成了鮮明的對比。她是個感覺敏銳的人，總覺得氣氛有些不太對頭，眼前這個四大皆空的和尚好生奇怪。他素喜清靜，諸事看淡，可說他四大皆空，只不過是她的戲謔之詞，事實上他還沒有到空的地步。他并不能完全的脫離紅塵，似乎又厭倦紅塵，至少他的心態(tài)是出世的。他和別人不一樣，跟山下那個男人更是霄壤之別，她有些怕了，怕就怕在他與眾不同，神秘莫測得反常。真沒想到一個還俗的和尚還有那么堅硬的棱角。