雙排傳感器循跡策略研究

摘要： 本文以循跡策略為主要研究對象，以采用雙排傳感器的智能車為例，做出了優(yōu)化的直線、大彎、S彎等不同道路情況的循跡策略。經(jīng)實驗證明，此策略緊密結(jié)合雙排紅外的特點(diǎn)，發(fā)揮出了雙排的優(yōu)勢，使智能車實現(xiàn)了以穩(wěn)定為先，并追求極限速度的要求，適應(yīng)能力強(qiáng)，能在各種賽道上均有出色發(fā)揮。
關(guān)鍵詞： 雙排；傳感器；路徑識別；循跡策略

雙排傳感器的優(yōu)勢

　　目前，大多數(shù)智能車采用單排傳感器的道路檢測方式，這種方式獲得的道路信息少，對智能車的狀態(tài)和道路的狀況都不能很好地區(qū)別，造成控制上的麻煩。為了彌補(bǔ)不足，形成了大前瞻的單排傳感器的道路檢測方式，這種方式檢測的距離更遠(yuǎn)，能夠更早地判斷出道路的走向，在一定程度上彌補(bǔ)了檢測精度低的缺點(diǎn)，但也無法有效地區(qū)分智能車狀態(tài)與道路狀況。

　　比賽的車?？蛇x用攝像頭或傳感器的方式進(jìn)行道路信息檢測，我們的車模采用的是雙排紅外的循跡方式，采用大前瞻雙排傳感器可以得到更多的賽道信息，更早地采取策略處理，形成更好的行車軌跡。是采用復(fù)雜的攝像頭方案的一種替代方式。

　　可以在直道中實現(xiàn)穩(wěn)定控制，加速順暢的能力；在S彎中以小曲線的方式前進(jìn)，減少行進(jìn)路線和舵機(jī)調(diào)整次數(shù)。在大彎中實現(xiàn)提前轉(zhuǎn)彎，切內(nèi)彎的效果。尤其是在轉(zhuǎn)彎方面，通過前后排共同對彎道的預(yù)測，達(dá)到延伸物理識別距離的能力，從而做出提前的動作，減少由于檢測距離近而帶來的負(fù)面影響，達(dá)到上述效果。

傳感器陣列布局

　　圖1中僅以接受管示意傳感器位置。

圖1 傳感器陣列布局

　　布局方式說明
　　·前排傳感器伸出距離較遠(yuǎn)，小車中心偏離黑線后，會在前排傳感器上產(chǎn)生較大偏移量。

　　·后排傳感器伸出距離較近，小車中心偏離黑線后，會在后排傳感器上產(chǎn)生較小偏移量。

　　·利用前后排傳感器對小車偏移時不同的敏感度對小車進(jìn)行控制。

　　·為了使前后排體現(xiàn)出更明確的分工和采集到更遠(yuǎn)處的信息，我們把前排傳感器傾斜約45o角，使前排的前瞻距離更大，更能體現(xiàn)出前排的優(yōu)勢和特點(diǎn)。

直道識別方式、控制策略

　　直道識別方式
　　(1)采用此種方式布局雙排紅外，對于直道的判別方法可有以下5種物理方式，每種方式應(yīng)用的時機(jī)列在表后。

　　第一種直道情況(圖2)

圖2 第一種直道情況

　　在左轉(zhuǎn)大彎后，出彎時最可能出現(xiàn)的前后排傳感器檢測到黑線時的組合情況。適用于左轉(zhuǎn) 90°彎、180°彎。提前得到出彎信息，舵機(jī)向左轉(zhuǎn)動較小角度，并在此時采取加速動作，起到彌補(bǔ)前瞻不足的作用。此情況在賽道的s彎出現(xiàn)時，不滿足直道的第二種識別方式，故不會加速。

　　第二種直道情況(圖3)

圖3 第二種直道情況

　　此情況是對第一種情況的再確認(rèn)，左轉(zhuǎn)大彎并經(jīng)過第一種情況后，再經(jīng)歷此種情況，可確認(rèn)無誤前方為直道，繼續(xù)提升小車的加速能力?？刂瞥绦蛴蓮澋莱绦蚯袚Q到直線穩(wěn)定程序。

　　第三種直道情況 (圖4)

圖4 第三種直道情況

　　此時采取直線穩(wěn)定控制。由于前兩種情況已經(jīng)明確識別為直道，此種情況只是增加直道識別的成功率。

　　第四種直道情況(圖5)

圖5第四種直道情況

　　與第二種情況類似，對第五種情況的再確認(rèn)，右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)大彎并經(jīng)過第五種情況后，再經(jīng)歷此種情況，可確認(rèn)無誤前方為直道，繼續(xù)提升小車的加速能力?？刂瞥绦蛴蓮澋莱绦蚯袚Q到直線穩(wěn)定程序。

　　第五種直道情況(圖6)

圖6第五種直道情況

　　在右轉(zhuǎn)大彎后，出彎時最可能出現(xiàn)的前后排傳感器檢測到黑線時的組合情況。適用于右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 90o彎、180o彎。提前得到出彎信息，舵機(jī)向右轉(zhuǎn)動較小角度，并在此時采取加速動作，起到彌補(bǔ)前瞻不足的作用。在賽道的s彎出現(xiàn)時，不滿足直道的第二種識別方式，故不會加速。

　　(2)直道識別，程序輔助確認(rèn)

　　進(jìn)入彎道后，隨著小車的行進(jìn)，會發(fā)生振蕩，致使出彎時不一定滿足上述5種情況。為了提高直道的識別成功率，增加第二種直道判別方法。兩者同時起作用，滿足第一種后經(jīng)過最多15ms確認(rèn)是直道。

　　程序是循環(huán)執(zhí)行，我們的程序執(zhí)行頻率是2KHz。采用定時中斷(15ms)的方式，對前排中間3個傳感器(編號為3、4、5)使用3個計數(shù)器分別計數(shù)，每次執(zhí)行程序若是其中一個檢測到黑線，相對應(yīng)的計數(shù)器加1。經(jīng)過計算，15ms內(nèi)所能計數(shù)的最大值為31。我們設(shè)定計數(shù)的最大值，若在15ms內(nèi)達(dá)到所要求的計數(shù)值，就認(rèn)為是直道，切換直道程序并將計數(shù)器清零；若15ms內(nèi)沒有達(dá)到所要求的計數(shù)值，計數(shù)器清零，重新計數(shù)。例如小車為2m/s的速度，小車行進(jìn)3cm。我們只要判斷2~2.5cm內(nèi)為直道即可。所以設(shè)最大計數(shù)值為20~25即認(rèn)為是直道，跳出彎道程序。

　　當(dāng)然也可以采用更嚴(yán)格的方法來判斷，只需調(diào)整定時中斷的時間和計數(shù)值即可。此條件在進(jìn)入直道后總能滿足，所以作為第一種直道判別方式的補(bǔ)充，保證直道的穩(wěn)定可靠識別。

直線穩(wěn)定控制策略

　　小車出彎后，由于舵機(jī)的反應(yīng)不靈敏，智能車會發(fā)生振蕩，隨后才能達(dá)到穩(wěn)定，為了盡早減小振蕩，采用如下方式控制小車出彎后的動作：

　　在彎道策略中設(shè)置標(biāo)志位，進(jìn)入直線程序后，識別標(biāo)志位，對控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向的公式采取修正設(shè)置。公式為：q=K1q1+K2q2；其中q為最終送給舵機(jī)的控制量，q1為前排光電傳感器的返回轉(zhuǎn)角值，q2為后排紅外返回轉(zhuǎn)角值。K1、K2分別為前后排傳感器的加權(quán)比例值。通常情況下K1、K2為

　　1，需要時則改變賦值。

　　當(dāng)小車從彎道進(jìn)入直道并成功識別出直道后，減小K1的值，由于后排傳感器距離小車的前輪(轉(zhuǎn)向輪)很近，小車中心偏離黑線時，不會在后排傳感器橫向位置產(chǎn)生很大位移(相對于前排傳感器)，故小車在直線上舵機(jī)調(diào)整的次數(shù)就會明顯減少，直線的穩(wěn)定性會好。同時，根據(jù)前后排不同傳感器的組合，給出不同的轉(zhuǎn)角策略(在程序中以列表的方式體現(xiàn))，近一步提高直線的穩(wěn)定控制能力。

參考文獻(xiàn)：

1．邵貝貝，單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M]，清華大學(xué)，2004
2．卓晴等，學(xué)做智能車，北京航空航天大學(xué)出版社，2007.3