基于虛擬儀器口袋實驗室的循跡雙車跟隨實驗

岑文廣，李俊賢，張志明，趙文瑞，歐 銳

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 200092）

高等院校工程教育專業認證要求工科類專業培養學生具備解決復雜工程問題的能力[1]，工程人才培養需要學生在理論知識支持下完成大量的動手實驗操作。目前新工科實踐教學面臨諸多挑戰，以自動化類專業為例，其課程同時具備較強的專業理論性和工程實用性[2-3]，一方面需要通過教學使學生理解和掌握基本理論和基本方法；另一方面也需要在實踐過程中加深對知識點的理解，熟悉其在工程實際中的應用[2-4]，提高學生的創新意識和實踐能力。

現實教學中，傳統的實驗實踐教學方式要求指定時間在固定地點實驗室中進行，普遍存在實驗資源短缺（儀器設備不足、時空利用率低）、設備維護成本高、現有實驗內容單一空洞、綜合性、創新性不足等問題。解決此問題的可行方法是引入當前生產生活中的實際工程問題，與相關聯的專業課程教學需求相結合，設計新的實驗案例，多門專業課程融合[5-7]，理論聯系實踐，開設綜合設計性實驗和自主創新性實驗。

1 循跡雙車跟隨實驗

隨著現代工業信息化、自動化、智能化程度的需求提高，自動導引車（AGV）由于具有無需駕駛員、可靠性強、成本低、操作便利性高等特點，在制造生產業、工業運輸業等輔助搬運領域得到了廣泛應用[8-9]。AGV的設計與實現是一個復雜的工程問題，也是一個典型的負反饋控制系統，涉及傳感器的定位和避障、控制算法運算、電機運動控制等一系列的專業課程知識和實訓實踐工作。現有的綜合性實驗實踐中，通常是將 AGV簡化為循跡小車，利用嵌入式微控制器MCU來實現設計、制作、裝配、調試到成品等流程的學習[10-11]，由于 MCU的種類繁多，開發環境各不兼容，編程學習會占用學生大量的精力和時間，影響學生對理論知識的掌握。

本文依托自動控制原理、傳感器與檢測技術、計算機控制系統等自動化類專業課程的理論教學內容，提出將NI學生隨身創新設備myDAQ結合LabVIEW測試開發軟件應用于綜合創新性實驗設計，引導學生在高效集成的實驗環境下提高工作效率，基礎理論知識與專業理論知識相銜接，將核心工作集中到算法的理論仿真與物理實現上。與常規循跡小車單車實驗相比，雙車循線導航及跟隨運動的實驗內容進一步擴展與提高，試驗場景更加復雜，并需要學生自主完成。

2 虛擬儀器口袋實驗室

虛擬儀器技術的引入使得計算機在硬件平臺的支持下可以由軟件實現常規儀器測量功能和控制信號輸出功能，豐富了實驗手段[12-13]。myDAQ是NI公司推出的一款便攜式 USB接口虛擬儀器口袋實驗室[14]，外觀和接口如圖1所示。與本次實驗相關的硬件資源包括：2個差分模擬輸入通道、2個模擬輸出通道、8個數字量輸入/輸出接口等；軟件支持圖形化系統設計環境LabVIEW二次開發功能。myDAQ與虛擬儀器技術相結合，配合軟件開發平臺LabVIEW，可快速綜合多個課程的知識并專注于核心問題付諸實踐，從理論無縫過渡到仿真和實驗，在較短時間內獨立開發完成一個完整的自動化專業實體類工程項目應用[15-16]。

圖1 虛擬儀器口袋實驗室myDAQ外觀及接口[14]

實驗采用myDAQ作為系統主控制器，使用myDAQ的模擬輸入、模擬輸出通道和數字輸入/輸出通道代替常規實驗中MCU的類似功能I/O接口，以LabVIEW為開發工具[17]，通過簡潔易用的圖形化界面操作，完成雙車實驗系統的傳感器數據采集、控制器算法運算和驅動信號輸出，實時獲取實驗動態過程參數，繪制和顯示數據和曲線，并提供實驗數據及實驗結果記錄功能。

3 實驗設計與實踐

3.1 實驗對象車模

為簡化設計，兩輛實驗車模選用同一型號的博思公司F型三輪車，為車模選配的電子電路和功能模塊也相同，其中配套專用直流有刷電機型號為RS-380，動力控制采用雙后輪驅動方案，方向控制通過后輪電機的差速實現（前輪為萬向導輪）。組裝好的實驗車模如圖2所示。驅動電路電源采用標準7.2 V/2 000 mAh Ni-cd電池供電。myDAQ及循跡傳感器的+5 V工作電源由計算機USB數據線提供。myDAQ自身不帶操作系統，整個實驗過程需要連接計算機，編寫LabVIEW終端程序完成控制。

圖2 實驗對象車模

3.2 傳感器選型及信號處理

3.2.1 循跡傳感器

紅外對光管模塊循跡傳感器采用定制的高靈敏度一體式光敏對管，能對顏色變化不明顯的灰度值進行識別，對管下方的顏色如果偏向于黑色，則返回低電平（“0”）；如果偏向于白色，則返回高電平（“1”）。僅使用單個對管時，測量效果不佳，故實驗選用的傳感器模塊由8路紅外傳感器組成，內部集成采集電路和處理程序，能較為精準地區分背景和軌跡的顏色，確保能返回正確的數字量，再由車載控制器程序控制myDAQ多路數字采集端口讀取并依此判斷識別引導線賽道。

3.2.2 測距傳感器

雙車跟隨實驗過程中，需要對后車和前車之間的距離進行實時測量，完成車距閉環控制。本次實驗中選用 GP2Y0A21YK0F紅外距離傳感器作為測距傳感器，標稱有效測量范圍為20~150 cm，輸出模擬電壓信號。實驗中通過myDAQ的模擬通道對傳感器的輸出信號進行采集，再經過內部標度變換運算獲得探測距離。

在專業課程知識點基礎上，針對實踐中傳感器的使用要求，學生需要對測距傳感器實際輸出信號進行標定方能正確使用[18]。實測發現，該傳感器在檢測距離14≤d≤60 cm時，輸出電壓數值U與距離d之間基本上呈線性關系，函數表達式可擬合為：d=–22.515U+75.134；當 d<14 cm，信號電壓與距離之間的關系發生突變，且不再保持線性。綜合考慮傳感器適用范圍和小車實際運動狀態，實驗中雙車之間的距離設定值定為30 cm。

3.3 電機驅動輸出控制

車模配套的 RS-380直流電機的驅動電路采用帶死區的 H橋結構[19]，每個 H橋電路驅動一個直流電機，用于控制調速和換向，含4個功率 MOS管和 2個IR2184S芯片，結構簡單、可靠性強，其電路原理如圖3所示，直流電機接入到MO1+和 MO1–端子之間。實驗所設計的雙極性PWM全橋驅動電路需要提供兩路開關脈沖 PWM1+和 PWM1–，控制功率 MOS管按時序導通/關斷，實現電機的正轉/反轉功能，調整電機轉速則通過改變PWM信號占空比來實現。

圖3 電機驅動輸出控制電路原理圖

實踐中發現，如果采用常規設計，需要產生4路獨立可控的PWM波形，但由于myDAQ本身只有1路PWM輸出，同時模擬輸出也只有2路端口，因此實驗中使用軟件生成2路模擬PWM波形分別控制左/右輪電機，此時電機只能正轉不能反轉，在差速轉向時只能進行加法而不能進行減法運算。實驗對象小車一般在低速狀態下運行，因此上述方法不會影響電機驅動功能的正常實現，從而在理論仿真設計和有限硬件資源之間取得平衡和適應。

3.4 閉環負反饋PID控制器

循跡雙車跟隨實驗要求后車跟隨前車，雙車編隊按一定距離間隔巡線運行，車載控制器需要在控制車體運行同時完成賽道循跡和跟隨距離控制功能。雙車閉環負反饋控制系統框圖如圖4所示。對于先導前車，實驗中方向閉環控制循跡為主，速度開環控制。跟隨后車除了循跡閉環控制之外，還需要根據車間距信息計算構成速度/定距閉環控制，故存在方向和速度/定距雙閉環控制。實驗要求學生先對車模建立合適的二階或三階線性數學模型，在 MATLAB環境中仿真實現基于速度PID算法[20]的小車自動巡線行駛和雙車定距跟隨，并在實車實驗過程中以 LabVIEW 軟件和 C語言結合編程的方式加以驗證和修正，以獲得滿意的響應輸出。

3.4.1 循跡算法

巡線循跡是小車運動的基本要求，根據循跡傳感器的8路信號采集結果感知賽道信息，計算方向偏差，輸入到加權 PD閉環控制器，計算得到控制量后輸出驅動雙電機，實現基本的閉環方向控制，即保障小車正常循跡行駛。為提高巡線效果，將數字量輸入值近似為模擬量，越遠離賽道中心在偏差計算上的權重越大；引入微分環節減少循跡超調量，使小車運行更平穩；記錄小車實時轉向，當小車丟失車道信息（駛出車道）時，按照歷史記錄繼續運行，直到重新采集到車道信息，再繼續正常運行。

圖4 雙車閉環負反饋控制系統框圖

3.4.2 雙車間距控制

在設計原型實驗系統時，雙車間距控制器采用比例環節調節，將距離信號與設置的定距數值之差作為控制器的輸入量偏差，通過取用合適的反饋增益即可使得后車在車距較小時減速，車距較大時加速，實現車距的控制。在比例調節器作用下，系統一旦出現偏差，比例調節立即產生調節作用以減少該偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，會使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。此外，考慮到距離過近時，傳感器測量非線性化嚴重的因素，故將允許期望距離設置在合適范圍之內。

3.5 軟件設計與編程調試

實驗中的軟件基于統一的 LabVIEW 平臺進行設計和開發，采用數據流方法驅動圖形化編程語法，將主要精力用于專業領域內的算法和功能實現，同時與C文本編程源語言進行互操作，復用其代碼或程序庫，從而降低軟件編程的復雜性，及時把所設計的控制算法轉換為執行代碼，簡化系統設計和調試工作[17]。核心主程序的前面板（GUI人機交互界面）和后面板（源代碼）分別如圖5(a)和5(b)所示。

3.5.1 LabVIEW人機交互前面板

主程序前面板（GUI人機交互界面）中，主要由兩部分數據區域組成。上部區域為小車運行時重要參數的顯示部分，用于調試與記錄當前運行狀態，包括實際輸出控制量（小車驅動板的電壓信號、PWM 波占空比、兩側車輪的驅動偏置電壓、小車當前運動方向等）、雙車跟隨距離狀態（速度/定距控制器的輸出控制量-左/右輪驅動電壓初值）、循線傳感器狀態（8路數字信號、相關處理算法的計算中間值和最后結果）。下部區域用于控制參數的顯示和輸入，用于調試時方向和速度/定距雙閉環控制器參數的在線實時調整，包括占空比參數調節（左/右輪驅動PWM波占空比）、驅動電壓參數調節（PD控制器的比例環節系數Kp、微分環節系數 Kd、左/右兩輪的驅動電壓初值設置）、距離反饋參數調節（控制器的增益系數、兩車間距期望值、小車速度上限）。

圖5 循跡雙車跟隨實驗核心主程序

雙車實驗中的前車和后車兩輛車模的機械和電路結構相同，故控制程序可同時部署在兩輛車上，無需單獨開發。對于先導前車，實驗中只進行循跡方向閉環控制，速度開環控制，故在程序中無需讀取距離傳感器，且距離反饋環節增益為零。此外，由于雙車結構和組件對象存在細節差異，在實驗中需要根據實際情況在其初始化模塊中分別調整對應的初始參數。

3.5.2 LabVIEW源代碼后面板

后面板（LabVIEW源代碼）中，主要實現傳感器數據讀取和運算、數字控制器、控制量驅動輸出等功能。為優化程序結構，學生在實踐編程中將傳感器信號采集、控制量驅動輸出（運算后輸出驅動參數）這兩部分和硬件密切相關的程序在調試成功后封裝為子VI，再放置于主程序中調用子 VI進行運算，從而提高程序可讀性，整體布局更加整潔直觀。在程序拓撲上，基于生產者/消費者設計模式，設計信號處理（傳感器的數據讀取處理、控制器內部運算，負責生成數據）和驅動輸出（運算后輸出驅動參數，負責處理數據）兩個循環獨立的架構，并行處理，使得小車運動控制周期合理取值，運行速度得以提升，從而改善當程序運行周期較長時引起的控制滯后，導致行駛時車身抖動等問題。

3.5.3 基于myDAQ的數據采集與信號生成

根據實驗要求，程序設計需要注重數據的準確性和實時性，myDAQ需要完成的任務包括：采集灰度傳感器的8路數字信號、采集紅外測距傳感器的1路模擬信號、生成 2路脈寬和幅值均可調的模擬 PWM信號，各子VI的程序框圖如圖6所示。

循線傳感器數據采集子 VI創建數字輸入采集通道，物理通道為 myDAQ2/port0/line7:0，對應硬件設計中傳感器的8路數字量輸出，配置讀取模式為N通道單采樣，采集得到的8位bool型數據轉換為一維整型數組，輸出提供給后續環節進行數據處理。

紅外測距傳感器數據采集子 VI創建模擬輸入采集通道，物理通道為 myDAQ2/ai0，配置讀取模式為單通道單采樣，采集模擬電壓信號后換算成雙車間距。為確定較為精確的電壓-距離標定關系公式，學生先采集到足夠的傳感器數據并保存，再離線采用標定擬合的方法計算得到電壓-距離的關系，最后在線編程變換，獲得浮點型數據“距離”作為輸出。

實驗中采用軟件模擬的方式同時生成2路電機驅動信號，輸出PWM信號是脈寬調制和幅值調控二者結合下的產物，以滿足 0~100%變化區間內的轉速控制要求。模擬信號生成子 VI創建模擬輸出通道，物理通道為myDAQ2/ao0:1，采樣模式配置為N通道、N采樣。選用硬件定時的方式，根據 Nyquist采樣定理合理配置采樣頻率及輸出信號頻率。使用“任意信號發生器”函數，模式選擇“方波”，給定可調的信號占空比和電壓幅值作為輸入參數，生成連續模擬PWM信號波形，再將波形數據合成為數組形式寫入myDAQ設備輸出。

3.5.4 數字控制器程序設計

實踐中發現，數字控制器設計比較復雜，如果繼續使用圖形和線條來描述數學公式和算法過程，會顯得比較煩瑣。在自動控制原理、計算機控制系統、嵌入式系統等專業課程的綜合性實驗中，針對直流電機對象的閉環控制器的設計已有相應工作基礎，但其代碼一般以C語言形式完成。故在編程設計和調試時，調用 LabVIEW 集成內置的公式節點，將圖形化編程與文本編程相結合，使用 C++相似的語法結構和元素，直接利用已有文本代碼，移植到程序框圖中，執行復雜數學運算。循線方向和定距運動雙閉環控制器的公式節點架構如圖 5(b)所示，具體代碼不再贅述。學生可將主要精力集中于控制算法和功能的實現及調試工作，無需再糾結于編程和語法細節，從而提高實驗效率。

圖6 基于myDAQ的數據采集與信號生成程序

4 結果與分析

4.1 實驗場景設置

在實驗室地面上鋪設白線賽道，如圖7所示，包括十字交叉、圓弧形和S形曲線等基本要素，按照擴展實驗要求還可以加入路障、其他車輛等更復雜的要素。為驗證本文中實驗方法的有效性，在組裝好雙車后，按照理論分析和數據仿真結果，依次調試前車和后車的程序參數，先進行循跡實驗測試，達到實驗要求后再進行雙車跟隨實驗調試，調試結果和數據保存為實驗記錄文件，供后續分析使用。

圖7 基于虛擬儀器口袋實驗室的循跡雙車跟隨實驗現場

4.2 實驗數據

實驗開始時設定預期雙車間距離為定值，前車循線前進（速度開環控制），后車控制本身運行速度從而在一定范圍內保持與前車的距離。實驗示例結果表明：前車和后車均能正常循線運行。其中5次循跡雙車跟隨實驗實測數據（雙車間距）如圖8所示，數據采樣率為15 Hz，雙車間距離要求在運行時保持30 cm，5次實驗起始時的雙車間距初始值分別為20、25、35、40、45 cm。其中原始數據如圖8(a)所示，曲線存在比較多的毛刺干擾，誤差較大，經過數字濾波處理后的修正數據則如圖 8(b)所示，誤差減少，能較好地反映實際情況。

數據曲線能反映雙車的行駛情況：當距離超出預期值并且繼續增大時，前車較后車速度快，此時后車需要在正常循線的同時加速追趕，縮短雙車間距；當距離小于預期值并且繼續減小時，后車速度更快，此時后車需要減速行駛拉大雙車間距以免與前車追尾；如果距離數值曲線在預期值附近做小幅度的振蕩波動，表明雙車的跟隨情況良好，其車距基本能夠維持在所設定的預期值30 cm左右，符合實驗要求，如第1、4、5次實驗數據后半程所示，波動較小，無明顯過高的峰值或過低的波谷，雙車實際運行中循線穩定、車距控制合理，實驗較為成功。

圖8 循跡雙車跟隨實驗實測數據處理

4.3 結果分析

雙車間距實測數據經過分析后可以反饋改進實驗控制方案，結果表明：雙車循跡跟隨的距離控制基本滿足實驗要求，即能保證兩車的間距不會太小或太大。但是兩輛車之間的距離變化并不穩定，實驗數據存在較為陡峭的曲線部分，表明后車的加速/減速動態性能不能滿足理論指標，可考慮在控制器中加入積分環節和微分環節，進一步優化控制算法。原始數據中有超過實際車距的過大峰值和持續較長時間的大數值距離數據，是由于初始設計時未考慮到后車在循跡過程中與前車并不能一直保持在同一軸向上，距離增大超過一定范圍后，紅外測距傳感器會因為安裝位置、車模方向、復雜場地路線、車體機械振動等因素出現比較大的動態偏差（采集的數據會比實際雙車間距更大），不能真實反映實際距離。在實驗的后續改進中，如因成本因素仍使用本類型傳感器，需要在調試數據處理的過程中實時濾波修正，方能更好地分析實驗數據后對實際運行參數進行修改，提高循線跟隨雙車實驗效果。

5 結語

以循跡雙車跟隨綜合創新性實驗的設計為例，引入基于虛擬儀器技術的學生便攜式口袋儀器實驗室，軟件和硬件結合，為專業課程提供效費比高的工程實踐平臺。在此實驗平臺基礎上，可繼續深入結合更多的專業課程理論知識，拓展實驗內容，豐富實驗手段，完成各項綜合性和創新性自主實驗。學生在理論指導下，經過實驗的設計、仿真、調試和測量等動手實踐后，分層次實現實驗要求，從而提高學習興趣和實踐效率，激發自主學習的積極性，培養創新思維和工程能力，達到“具備解決復雜工程問題”的高等院校工程教育專業認證要求。