基于智能車(chē)非勻速行駛記憶算法的研究和實(shí)現

摘要： 本文對基于非勻速行駛狀態(tài)下光電智能車(chē)的記憶算法進(jìn)行了深入研究，詳細介紹了系統硬件設計、原始數據的記憶、數據處理和記憶算法的實(shí)現。

關(guān)鍵詞：智能車(chē)；非勻速；記憶算法；

硬件實(shí)現原理

　　按照競賽的某些規定，本文設計了如圖1所示的硬件原理框圖。紅外傳感器采用一排13對紅外發(fā)射接收管，利用其接收的電平大小經(jīng)過(guò)MCU的ADC后由MCU判斷當前黑線(xiàn)所處的位置，為了降低功耗，系統中還增加了MOS開(kāi)關(guān)管，當檢測某紅外傳感器時(shí)該傳感器供電打開(kāi)，其余的則關(guān)閉。賽道中具有十字交叉路口，同時(shí)必須判斷起始(即終止線(xiàn)),因此智能車(chē)預先可以配置當前賽道的總的十字交叉個(gè)數，同時(shí)通過(guò)軟件算法可以判斷出是否經(jīng)過(guò)世紀交叉口(起始終止線(xiàn)可以作為一個(gè)十字交叉線(xiàn))。系統運行時(shí)，按照紅外傳感器采集的信息可以判斷出當前引導線(xiàn)的位置，即在小車(chē)的左邊、中間或右邊，偏離多少，MCU據此以及由Hall測速傳感器獲知的當前小車(chē)的速度確定小車(chē)當前的行為，主要控制舵機即小車(chē)的方向和電機即小車(chē)的速度。

圖1 系統硬件框圖

軟件控制算法

　　系統軟件控制主要包括兩部分，也即記憶算法的兩個(gè)過(guò)程，從行駛過(guò)程中看即第一圈和第二圈，其流程框圖如圖2所示。

圖2 系統軟件控制流程圖

　　初圈的控制和記憶

　　智能車(chē)在行使第一圈時(shí)的主要目的就是記憶賽道信息特征，并進(jìn)行一定的處理。按常規方法小車(chē)需要勻速行駛，以便在固定的時(shí)間間隔或固定的路程間隔記憶相關(guān)的道路信息。數據記憶時(shí)，采用了12個(gè)磁鋼的霍爾傳感器，車(chē)輪轉一圈得到12個(gè)計數，即使在速度很快的情況下響應時(shí)間也是us級的，精度足夠滿(mǎn)足要求。

　　在非勻速的條件下，采用了新的數據存儲格式。首先對當前的狀態(tài)進(jìn)行彎直的判斷，根據迷糊控制得到的舵機的轉角值c_ang，判斷得到當前車(chē)的彎直情況。同時(shí)由于車(chē)是非勻速行駛的，而第二圈所行駛的時(shí)間間隔和路程間隔也并不一定和第一圈完全相同，因此只判斷彎直情況，在彎道時(shí)，記憶每一個(gè)測試點(diǎn)的轉角值，而直道時(shí)，既沒(méi)必要存儲轉角，又可節省大量存儲空間，因此對于直道時(shí)只記憶直道的起點(diǎn)和終點(diǎn)路程，而該路程是小車(chē)相對于起始點(diǎn)的絕對路程，也即霍爾傳感器檢測到的磁鋼的個(gè)數ect_cnt。

　　系統按照前一狀態(tài)和當前狀態(tài)的不同情況分別進(jìn)行數據存儲，其算法如下：當前一狀態(tài)是彎道，現狀態(tài)是直道時(shí)，即彎直態(tài)，則寫(xiě)入0x7f，ect_cnt，其中ect_cnt是當前的路徑計數；當直直態(tài)時(shí)，不存儲；當直彎時(shí)，寫(xiě)入當前的ect_cnt，0x7f，當前的c_ang；當彎彎時(shí)，寫(xiě)入c_ang。系統初始化時(shí)為彎道，則開(kāi)始行駛后，進(jìn)入起跑線(xiàn)，此時(shí)檢測到是直道，進(jìn)入彎直狀態(tài)，寫(xiě)入0x47和當前的ect_cnt，這就是道路的起始存儲數據。

　　數據的分析及處理

　　第二圈過(guò)起跑線(xiàn)時(shí)，系統配置成進(jìn)入彎直狀態(tài)，此時(shí)應該根據第一圈記錄的數據算出直道的長(cháng)度，這樣車(chē)在直線(xiàn)上就可以以很高的速度行使，并且能夠提前減速，安全進(jìn)彎，達到很好的控制效果。

　　在由直線(xiàn)進(jìn)彎時(shí)，如果在彎道中出現直道，并且計算出其長(cháng)度小于某一值的時(shí)候，認為是過(guò)彎過(guò)程中出現的小范圍的直線(xiàn)，仍按照彎道處理。本算法的核心也在于如何過(guò)濾彎道中出現的直道，以及從分析不同的彎道形式。把彎道分成以下幾類(lèi)：

　　(a) 急彎：這里所說(shuō)的急彎也就是競賽規定的曲率最小的彎。在急彎時(shí)，轉角的個(gè)數相對較少，轉角值相對較大，并且在正常情況下所有的都是同向的。

　　(b)圓形彎道：相比于其他幾種賽道元素，圓形賽道的識別比較簡(jiǎn)單，當同一個(gè)方向的轉角大于某一個(gè)數值時(shí)，并且中間過(guò)程中沒(méi)有換向發(fā)生，便可以認為小車(chē)進(jìn)入了圓形賽道。因為在角度的控制上，本系統采用了模糊控制，車(chē)在進(jìn)彎時(shí)能夠迅速調整角度，并以一個(gè)恒定的角度過(guò)彎，以上的數據是驗證了這一結果。

　　(c)小S彎：小S彎的特點(diǎn)是：在過(guò)彎的整個(gè)過(guò)程中既有左轉又有右轉的，并且左轉角度的個(gè)數和右轉角度的個(gè)數都應該大于某一個(gè)值。此外，單次左轉或者右轉的角度的個(gè)數小于某一個(gè)值?？紤]到小S的前后可能會(huì )接著(zhù)其他彎道，本系統在第一個(gè)換向點(diǎn)之前，按照其彎道行走，在換向點(diǎn)之后采取小S的行走策略，在最后一個(gè)換向點(diǎn)之前結束。

　　(d)大S彎：大S相比小S而言，其賽道特征是相似的，只是判斷的標準稍有不同。首先，大S之間有較長(cháng)距離的直道，必須加大直道的判斷范圍才能將其過(guò)濾掉。其次，單次左轉或者右轉的角度的個(gè)數應該大于小S的個(gè)數。

　　針對以上賽道分析，系統首先分辨下一步的賽道元素，然后按照行駛策略，將第二圈的行駛速度及方向進(jìn)行控制。其主要思想為：

　　(a)直道行駛：將直道分為短直道和長(cháng)直道，短直道就做一般加速處理；長(cháng)直道在起始處全力加速，末端進(jìn)行線(xiàn)型減速，也即將速度分成高速，中速，低速，從高到中再到低。經(jīng)實(shí)驗發(fā)現直接從高速轉為低速時(shí)，小車(chē)在過(guò)彎時(shí)不穩，容易測滑，不僅影響速度，啟動(dòng)也慢。采用線(xiàn)型減速后過(guò)彎流暢，能達到很好的效果。這樣就避免了由于車(chē)本身的某些局限性，如舵機響應時(shí)間、賽道摩擦系數、輪胎抓地力、傳感器布局等因素的影響所造成的直線(xiàn)速度不能加到最高的缺點(diǎn)。

　　(b)對于小S，理想的情況下是實(shí)現同CCD同樣的效果，采取高速直線(xiàn)過(guò)彎的策略。為了安全起見(jiàn)也可以采用滯后過(guò)彎的策略，讓智能車(chē)采取較小的轉角高速過(guò)彎。

　　(c)對于大S賽道，不同的曲率彎道，小車(chē)有它最佳極限速度存在。利用初圈得到彎道的曲率半徑以及S道之間直線(xiàn)的長(cháng)度，在過(guò)各彎道時(shí)將車(chē)速調至它相應的極限速度，從理論上就是它所能跑出的最優(yōu)成績(jì)了。

　　(d)對于圓形彎道，需要在彎道的曲率和過(guò)彎的速度之間做一個(gè)權衡。當行駛的曲率較大時(shí)，那么車(chē)可以以較高的速度行駛，當走內圈時(shí)，由于半徑的減少，離心力的增大，就不能以較高的速度行駛，但是可以找到兩者之間的平衡點(diǎn)。

參考文獻：

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　　2.  卓晴、黃開(kāi)勝、邵貝貝，學(xué)做智能車(chē)，北京航空航天大學(xué)出版社，2007.3