基于聲源定位的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 智,嚴(yán) 超,潘曉輝

(無錫太湖學(xué)院,江蘇 無錫 214063)

0 引言

聽覺傳感器技術(shù)日趨成熟,可以彌補(bǔ)單一視覺傳感器在視野和能見度方面的限制。將聲源定位技術(shù)[1]運(yùn)用在智能汽車中,不僅可以實(shí)現(xiàn)緊急規(guī)避,還能根據(jù)不同聲源特征及時(shí)做出響應(yīng),提高復(fù)雜路況下無人自動(dòng)駕駛控制精度。本文通過麥克風(fēng)傳感器,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能夠自主識(shí)別信標(biāo)的智能小車,研究聲源定位技術(shù)在智能汽車領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

1 總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)聲音定位需求,智能小車以麥克納姆全向輪H型車模為主體結(jié)構(gòu),采用四列麥克風(fēng)陣列實(shí)現(xiàn)聲源定位[2],前后安裝避障模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)行進(jìn)方向上障礙物的合理規(guī)避。

智能小車控制系統(tǒng)主要分3個(gè)部分:控制器、傳感器和驅(qū)動(dòng)模塊。控制器用單片機(jī)負(fù)責(zé)處理由各傳感器采集到的環(huán)境信息,并且根據(jù)環(huán)境信息輸出控制信號(hào)[3];傳感器包括FM傳感器、麥克風(fēng)模塊、編碼器等,負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息和小車運(yùn)行狀態(tài)信息;驅(qū)動(dòng)模塊有電機(jī)及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路,接收單片機(jī)控制信號(hào),對(duì)小車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì),如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體流程為:FM模塊和麥克風(fēng)模塊檢測(cè)環(huán)境信標(biāo)發(fā)出的Chirp聲音信號(hào)并傳給單片機(jī);編碼器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速并傳給單片機(jī),形成速度閉環(huán)控制,電機(jī)采用增量式PID控制,用PWM波控制電機(jī)輸出功率。單片機(jī)通過FM模塊和四路麥克風(fēng)模塊得到的信息,判斷出車的相對(duì)位置,計(jì)算出電機(jī)的期望速度值,通過速度環(huán)控制小車速度,并控制車模運(yùn)動(dòng)方向,包括旋轉(zhuǎn)、平移。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

智能小車硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)主要分為電源管理模塊、聲音采集模塊、速度采集模塊、單片機(jī)處理核心模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和交互模塊。穩(wěn)定性是硬件的基本要求[4],選取線性電源芯片給MCU供電,降低主控電路復(fù)雜度,按照車模外形設(shè)計(jì)電路板的外形,將驅(qū)動(dòng)電路與MCU分開,分成主控和驅(qū)動(dòng)部分電路。

2.2 主控電路

智能小車采用TC264芯片作為主控芯片,該芯片具有高性能、功能全等優(yōu)點(diǎn),可以滿足對(duì)車模的準(zhǔn)確控制和交互。采用線性穩(wěn)壓源,結(jié)合MC34063轉(zhuǎn)壓芯片,為各模塊穩(wěn)定供電。

智能小車需要接收信標(biāo)燈發(fā)出的Chirp音頻信號(hào),因此需要使用麥克風(fēng)傳感器接收音頻波形[5]。采用Max9814麥克風(fēng)模塊,具有可控自動(dòng)增益功能,能較好地接收遠(yuǎn)距信號(hào)。為降低信號(hào)噪聲[4],在數(shù)字處理之前對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行優(yōu)化,避免噪聲被放大或衰減。在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行無損轉(zhuǎn)換和高品質(zhì)音頻信號(hào)處理,保持原有信號(hào)的音質(zhì)。

智能小車避障采用易于使用且性能穩(wěn)定的E18-D80NK紅外避障傳感器,盡可能地減少傳感器的數(shù)量,以提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。H車模適合正反雙向行駛,因此需要在前后各安裝兩個(gè)避障傳感器,增加車模的避障范圍。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)為分立元件制作的直流電機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器,其功率元件由LR7843型MOSFET管組成,能夠極大地提高電機(jī)工作的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。采用IR2104S芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制,采用航空鋁材質(zhì)的K14-ODZ-512 P/R型號(hào)編碼器構(gòu)建速度采集電路,在減輕重量的同時(shí)又有極佳的耐撞性。

3 軟件設(shè)計(jì)

高效穩(wěn)定的軟件程序和高適應(yīng)性的算法是智能車快速平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。使用PID控制算法完成對(duì)智能車的轉(zhuǎn)向和速度控制,使在尋線中的智能車達(dá)到快速的效果。程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程

3.1 數(shù)據(jù)采集

麥克風(fēng)采樣頻率為每秒2 048次。在理想情況下,返回的Chirp信號(hào)應(yīng)與FM接收到Chirp信號(hào)完全一致。但是由于環(huán)境噪聲、車模自身噪聲等因素干擾,收音效果存在一定影響。采用卡爾曼濾波算法[6]過濾噪聲干擾。該算法響應(yīng)速度快,靈敏度高,占用資源少,適合于嵌入式系統(tǒng)解決實(shí)時(shí)問題。

使用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型,控制輸入,考慮不同時(shí)間的聯(lián)合分布以及多個(gè)連續(xù)測(cè)量來形成系統(tǒng)變化量的估計(jì),較只使用單次測(cè)量獲得的估計(jì)卡爾曼濾波更精準(zhǔn),有明顯優(yōu)勢(shì)。卡爾曼濾波器在預(yù)測(cè)步驟會(huì)生成當(dāng)前狀態(tài)下的變量及其對(duì)應(yīng)不確定性估計(jì)。若在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中觀察環(huán)境噪聲等隨機(jī)誤差引起的異常,卡爾曼濾波器就會(huì)更新這些估計(jì)值,以更高的確定性給予估計(jì)值更多的權(quán)重。

3.2 控制算法

小車運(yùn)動(dòng)過程中需要躲避熄滅的信標(biāo)燈和其他小車,系統(tǒng)接收紅外光電傳感器模塊信號(hào),使小車接近障礙物時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行規(guī)避動(dòng)作。考慮H車麥克納姆輪可斜移的特點(diǎn),如果開環(huán)控制不對(duì)車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制則極易出現(xiàn)打滑、漂移、甩尾等問題。采用增量式PID控制算法[7]來實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的閉環(huán)控制,以保證小車的穩(wěn)定運(yùn)行。

以小車實(shí)時(shí)位置為坐標(biāo)原點(diǎn),左右橫向?yàn)閤軸,前后縱向?yàn)閥軸,以目標(biāo)點(diǎn)y軸坐標(biāo)絕對(duì)值作為速度控制誤差輸入控制器。設(shè)置上限速度,距離較遠(yuǎn)時(shí)以上限速度運(yùn)動(dòng),距離近時(shí)受PD控制器調(diào)節(jié)減速,便于新一輪尋燈時(shí)輸出速度目標(biāo)轉(zhuǎn)速。編碼器將捕獲的小車速度作為反饋量,經(jīng)過PID計(jì)算后傳輸給MCU,主控芯片經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)的處理、分析后,將快速計(jì)算出的消除誤差控制輸出量再次實(shí)時(shí)反饋給小車驅(qū)動(dòng)模塊,實(shí)現(xiàn)小車平滑控制。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的基于聲源定位的智能小車,依靠聲音信標(biāo)信號(hào)到達(dá)各個(gè)麥克風(fēng)收音模塊的時(shí)間差估計(jì)以及時(shí)間延遲估計(jì),實(shí)現(xiàn)模擬環(huán)境中信號(hào)的測(cè)向和測(cè)距,使小車對(duì)運(yùn)行路徑做出合理規(guī)劃,在運(yùn)動(dòng)過程中躲避障礙物,為智能汽車聲源檢測(cè)與定位系統(tǒng)的研究提供實(shí)踐參考。