4輪循跡小車過彎性能優化研究

謝智陽 ， 譚 勇

（1.河源職業技術學院，廣東 河源 517000；2.河源市工業機器人技術應用工程技術研究中心，廣東 河源 517000）

一直以來，智能小車、循跡小車都是機器人基礎領域研究的熱點，如文獻［1］將智能小車應用于機器人巡邏領域，然而良好的移動性能應需具備在直線賽道時快速穩定運行，在遇到各種彎道時能平穩快速通過，為此需在小車的機械機構、動力驅動和控制算法上進行優化設計。文獻［2-4］運用模糊控制策略在智能車控制中取得了一定的控制效果，文獻［5］將灰色PID控制算法應用于智能車控制系統。然而眾多研究中卻忽略了PWM驅動頻率和傳感器的安裝位置對智能小車控制的影響。本文以Arduino Uno為控制核心設計了4輪驅動循跡小車，重點在這兩個方面進行了實驗研究。

1 系統總體設計方案

圖1 系統總體設計框圖

系統總體設計框圖見圖1。該系統以Arduino UNO單片機為控制核心，主要由14V電池、DC-DC可調降壓模塊、電機驅動模塊BTS7960、黑皮電機、光電傳感器、紅外傳感器和車體組成。由于系統采用了4輪電機進行驅動，因此選用了相對高電壓和大容量的14V電池模塊，確保系統的穩定運行。14V電池模塊經DC-DC可調電壓模塊降壓后給單片機系統和傳感器等部件供電。

1.1 驅動模塊設計

本文采用BTS7960芯片組成的全H橋驅動模塊來驅動黑皮電機，在電路中加裝了光耦器件以減少驅動對單片機的干擾沖擊，使單片機可以正常穩定工作。該電機模塊在緊急制動、驅動方面具有良好的使用效果。

1.2 直流電機選型

電機是小車主要的動力裝置，步進電機和直流電機是市面上主要的兩種驅動電機。步進電機的優點是對速度跟移動距離的控制更加精準，但最大的缺點是移動速度相對緩慢，沒有直流電機速度快；一般的直流電機，速度雖快，但扭矩不夠，容易造成空轉。因此本文采用GM25-370黑皮微型直流減速電機 （減速比1∶20），空載轉數參數為490r／min、0.3A，較大的扭矩可以適應復雜路段，具有較強的動力及制動性能。

1.3 循跡模塊設計

循跡傳感器用于檢測賽道的信息，其前瞻性和檢測精度是影響小車的過彎性能和速度的重要因素。本文選用5路紅外循跡模塊，為了讓小車具有較好的前瞻性，在小車設計上采用的是短軸距的設計理念，將小車的循跡模塊前移5～7cm，這樣可以讓系統提前獲取賽道信息并進行預判，更容易在彎道中提前轉彎，走出最優路徑。模塊安裝距離車輪較短，會導致小車反應時間過短，預判性不強，性能較差；模塊安裝距離車輪較長，會導致在上坡時發生剮蹭，到達坡頂時亦會丟失信號，導致小車失控。本文采用“八”字形對傳感器進行非均勻分布布局，中間密兩邊疏，以提高檢測的連續性，利于算法控制，具體布局見圖2，模型3D設計圖見圖3。

圖2 5路循跡模塊安裝位置圖

圖3 智能小車設計模型圖

1.4 轉向策略

本文所設計的小車并無轉向機構，需要通過4個輪子的差速實現轉彎。以單片機為控制核心，5路循跡模塊、電機驅動模塊和黑皮電機形成閉環控制，該閉環的輸入為5路循跡模塊對路徑判別經模糊控制處理后輸出PWM所需的值，控制電機驅動模塊直接驅動4個輪子的電機。以小車的位置情況作為賽道路線判別反饋給單片機，形成一個閉環控制系統，具體策略見圖4。

圖4 智能小車轉向系統圖

小車在賽道行駛過程中，要求精準控制轉彎角度，本文通過4個黑皮電機差速控制實現小車轉向，針對小車轉彎角度θ有：當θ＞0時，左電機反轉，右電機稍微減速，小車向左轉向，u左＜u右；當θ＜0時，右電機反轉，左電機稍微減速，小車向右轉向，u左＞u右；當θ=0時，左右電機同速運行，直向行駛，u左=u右。

2 小車控制程序設計

2.1 循跡傳感器映射

通過5路循跡模塊上的LED指示燈工作狀態判斷小車的實際路徑探測情況。為了能更加準確地判斷出小車的運動狀態，制定了LED指示燈與小車運動狀態對照表，見表1，用于后續的編程實現。

表1 小車運動狀態對照表

2.2 總體控制流程

為了避免多個if語句來判斷是否接收信號帶來的延遲，本文采用switch語句，可以從性能上提高小車的控制實時性，對5路循跡傳感器采集的路徑信息進行加權求和，并將結果賦值給Possum，通過判斷Possum的值選擇性執行相關的子程序，具體控制流程見圖5。

圖5 系統程序框圖

本文的試驗賽道中有直道、普通彎道、大彎道、S型彎道和上下坡等情況，賽道情況復雜，單一的控制方式難以獲得良好的控制效果，需對各種彎道調試出小車的控制程序及相關的PWM參數值。

3 系統的測試與分析結果

3.1 調試PWM頻率

直流電機的PWM調速方式大致可分為3種，分別是調頻調寬法、定寬調頻法和定頻調寬法［6-9］。定頻調寬法是目前最常用也是最有效的方法，本文用此方法對驅動電機進行調速，PWM調速策略除了受占空比的影響之外，PWM信號的頻率亦會對電機的調速產生較大的影響，因此首先需通過試驗獲得PWM調速的最佳頻率，然后再通過調整PWM的占空比實現對電機的調速。

經實驗測試，驅動電機的PWM頻率小于150Hz時，小車速度抖動明顯，PWM頻率大于500Hz時，小車行駛速度隨著頻率的增高而下降。本文最終確定PWM的頻率為490Hz，小車在該頻率點工作平穩，控制效果較好。

3.2 循跡傳感器前瞻性對差速轉向的影響

經測試，小車在低速的時候穩定性良好，當車速高于一定值時，小車時常沖出賽道。在此背景下，本文通過實驗研究了傳感器安裝距離對小車差速轉向的影響，為此，設定了3種實驗方案，運用相同的控制方法沿賽道跑3圈，并記錄運行3圈的時間，觀察小車沿黑線行駛性能，在失誤的地方做標記。

1）方案1：傳感器與車前輪的距離為5cm，輪胎使用65mm的抓地胎。

2）方案2：傳感器與車前輪的距離在5cm的基礎上加長5～7cm，輪胎使用65mm的抓地胎。

3）方案3：傳感器與車前輪的距離在5cm的基礎上加長10cm，輪胎使用65mm的抓地胎。

測試數據如表2所示，各種過彎的軌跡圖如圖6所示。實驗表明，方案2取得了最佳效果。

3.3 坡道試驗分析

由于循跡傳感器前瞻過長，在坡頂時，小車容易接收不到信號，導致飛出賽道。實驗結果表明，適當地增加小車的前瞻性，小車能以較快的速度穩定地通過各種彎道，并且運行軌跡非常理想，小車始終沿著賽道中心線的位置運行。在速度較快時，有效緩解了電機響應速度慢和轉彎不連續的缺點，同時增加了控制的實時性。圖7為小車上坡檢測距離圖。

表2 實驗數據表

圖6 3種方案過彎軌跡圖

圖7 小車上坡檢測距離圖

4 結論

本文以Arduino單片機為控制核心，闡述了4輪小車的硬件設計思路和軟件控制策略，并得出了部分模塊的參數、硬件布局和系統軟件設計流程，實驗分析了PWM技術對黑皮電機調速性能的影響，以及分別從3個實驗方案實驗測試了傳感器布局和前瞻性對循跡小車差速轉向系統的影響。實驗得出了最佳的PWM控制頻率和最優的傳感器布局距離，有效增加小車控制的實時性、響應性，運行速度較快且很穩定。本文給出的研究方法能有效提高循跡小車控制效果，是提高比賽成績的有效策略。