1、韓國智能模型車技術(shù)方案分析黃開勝 金華民 蔣狄南（清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 ）摘 要：韓國智能模型車競賽是韓國漢陽大學(xué)舉辦的以單片機控制為核心的可以自行尋跡行駛、以速度快慢為主要評判指標(biāo)的大學(xué)生課外科技競賽，國內(nèi)也將舉辦此類比賽。為了幫助參賽隊伍更好地認(rèn)識智能模型車的特點，提高參賽隊伍水平，本文針對2005年韓國大學(xué)生智能模型車競賽的16支隊伍的技術(shù)方案，對電源管理、路徑識別、電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)向控制、車速傳感等硬件結(jié)構(gòu)及軟件控制特點進(jìn)行了分析，對智能模型車的設(shè)計提出了建議。關(guān)鍵詞：智能車；道路自動識別；單片機；控制 引言韓國大學(xué)生智能模型車競賽是韓國漢陽大學(xué)汽車控制實驗室在飛思

2、卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCS12單片機為核心的大學(xué)生課外科技競賽。組委會將提供一個標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機和可充電式電池，參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路線的智能車，在專門設(shè)計的跑道上自動識別道路行駛，誰最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術(shù)報告評分較高，誰就是獲勝者。制作智能車，需要參賽隊伍學(xué)習(xí)和應(yīng)用嵌入式軟件開發(fā)工具軟件codewarrior和在線開發(fā)手段，自行設(shè)計和制作可以自動識別路徑的方案、電機的驅(qū)動電路、模型車的車速傳感電路、模型車轉(zhuǎn)向伺服電機的驅(qū)動以及微控制器MC68S912DP256控制軟件的編程，等等。其專業(yè)知識涉及控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個

3、學(xué)科，對學(xué)生的知識融合和實踐動手能力的培養(yǎng)，對高等學(xué)?？刂萍捌囯娮訉W(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的長期的推動作用。隨著賽事的逐年開展，將不僅有助于大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對于高校相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平的提升也有一定幫助，最終將有助于汽車企業(yè)的自主創(chuàng)新，得到企業(yè)的認(rèn)可。這項賽事在韓國的成功可以證明這一點。2000年智能車比賽首先由韓國漢陽大學(xué)承辦開展起來，每年全韓國大約有100余支大學(xué)生隊伍報名并準(zhǔn)予參賽，至今已舉辦5屆，得到了眾多高校和大學(xué)生的歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的極大關(guān)注。韓國現(xiàn)代公司自2004年開始免費捐贈了一輛轎車作為賽事的特等獎項。德國寶馬公司也提供了不菲的資助，邀請3名獲獎學(xué)生到

4、德國寶馬公司研究所訪問，2005年SUNMOON大學(xué)的參賽者獲得了這一殊榮，圖1為他們設(shè)計的智能車模型。圖1 韓國SUNMOON大學(xué)參賽車我國將于2006年8月舉辦第一屆大學(xué)生智能模型車競賽。為了幫助參賽隊伍更好地認(rèn)識智能模型車的特點，提高參賽隊伍水平，本文針對漢陽大學(xué)汽車控制實驗室在網(wǎng)上公布的2005年韓國大學(xué)生智能模型車競賽16支隊伍的技術(shù)方案，對電源管理、路徑識別、電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)向控制、車速傳感等硬件結(jié)構(gòu)及軟件控制特點進(jìn)行了分析，對智能模型車的設(shè)計提出了建議。1 智能車系統(tǒng)方案智能車系統(tǒng)以MC68S912DP256為核心，為了使智能車能夠快速行駛，單片機必須把路徑的迅速判斷、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服

5、電機控制以及直流驅(qū)動電機的控制精密地結(jié)合在一起。如果傳感器部分的數(shù)據(jù)沒有正確地采集和識別，轉(zhuǎn)向伺服電機控制的失當(dāng)，都會造成模型車嚴(yán)重抖動甚至偏離賽道；如果直流電機的驅(qū)動控制效果不好，也會造成直線路段速度上不去，彎曲路段入彎速度過快等問題。智能車系統(tǒng)一般由電源模塊、傳感器模塊、直流電機驅(qū)動模塊、路徑識別模塊、通訊及調(diào)試模塊、單片機模塊等組成。其中，轉(zhuǎn)向伺服電機一般由單片機直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)向伺服電機的型號主要有FUTOBA、SANWA和HITEC（HS）三種，其性能指標(biāo)參數(shù)基本相同，國內(nèi)競賽統(tǒng)一采用了SANWA牌的轉(zhuǎn)向伺服電機；為了調(diào)試的方便，有的參賽隊伍在組委會提供的嵌入式單片機開發(fā)調(diào)試接口模塊BD

6、M、Codewarrior基礎(chǔ)之上，還加上了藍(lán)牙通訊模塊；也有的參賽隊伍在車上加裝了LCD顯示屏，幾個主要的參數(shù)可以方便地顯示和在線調(diào)整。車輛的后輪驅(qū)動是主流，但是也有參賽隊采用了4輪驅(qū)動的方案。在速度控制上，為了提高行駛特別是彎道行駛的穩(wěn)定性，有些隊還采用了自行制作的解碼器來感知車速的變化，從而更有效地控制了速度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖2 智能車硬件結(jié)構(gòu)特點21 電源管理模塊智能車系統(tǒng)根據(jù)各部件正常工作的需要，對配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。其中，單片機系統(tǒng)、路徑識別的光電傳感器和接收器電路、車速傳感器電路需要5V電壓，伺服電機工作電

7、壓范圍4.8V到6V，直流電機可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄電池直接供電。智能車電壓調(diào)節(jié)電路示例見圖3。圖3 電壓調(diào)節(jié)圖最常見的電源管理芯片是7805和7806?？紤]到由驅(qū)動電機引起的電壓瞬間下降的現(xiàn)象，低壓降的電壓調(diào)節(jié)器如LM2940、LM2575等也被廣泛地采用。22 路徑識別模塊路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。在以往比賽中光電傳感器尋跡方案應(yīng)用最多，單獨采用CCD攝像頭尋跡方案或者CCD攝像頭尋跡與光電傳感器尋跡結(jié)合在一起的方案也都有應(yīng)用。所謂光電傳感器尋跡方案，即路徑識別電路由一系列發(fā)光二極管、接收二極管組成，由于賽

8、道中存在軌跡指示黑線，落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強度與白色的賽道不同，由此判斷行車的方向。光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點是電路簡單、信號處理速度快。圖4 多個光電傳感器的尋跡電路光電傳感器的排列方法、個數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法密切相關(guān)，彼此之間的影響將另文專門敘述。但一般的認(rèn)識是，在不受到外部因素影響的前提下，能夠感知前方的距離越遠(yuǎn)，行駛效率越高。由于光電傳感器電路板不可能伸出車體太遠(yuǎn)，因此不少參賽隊伍調(diào)整了光電傳感器電路板與地面的夾角，使光電傳感器可以感知更遠(yuǎn)一點的賽道情況。圖5 僅3個光電傳感器的尋跡電路圖4、圖5是兩種典型的光電尋跡方案。圖4中模型車采用了8對光電傳感器且

9、分布得較寬，圖5中模型車只采用了3對光電傳感器，放置在向外伸出的小電路板上，探測的范圍較小。具體何種方案合適，與光電傳感器掃描前方的距離和寬度以及控制策略密切相關(guān)。在光電尋跡方案中，為了得到質(zhì)量較高的接收信號，一般還附加了由電阻、電容組成的RC高通濾波器。這樣就能夠一定程度上避免由外部光線因素引起的路線識別不正確問題。有的模型車設(shè)計的傳感器離地面較遠(yuǎn)，為了能夠接收更多的從發(fā)光傳感器反射過來的光線，也有使用凸透鏡的情況。CCD攝像頭尋跡方案的優(yōu)點是可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，但是信號處理比較復(fù)雜，如何對攝像頭記錄的圖像進(jìn)行分割和識別，加快處理速度是攝像頭方案的難點之一。圖6是一款以CCD攝像頭

10、為路徑識別傳感器的模型車。圖6 采用CCD攝像頭尋跡的模型車23 直流電機驅(qū)動模塊直流電機的控制一般由單片機的PWM信號來完成，驅(qū)動芯片一般采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的半橋式驅(qū)動器MC33886。電路圖示見圖7。圖7 MC33886電路示意圖部分設(shè)計沒有采用PWM的控制方式，直流電機的電壓由一個可調(diào)電壓的低壓降電壓調(diào)節(jié)器，如LM2575ADJ來完成，單片機控制LM2575ADJ的電壓調(diào)節(jié)端口。部分設(shè)計沒有采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的橋式驅(qū)動器MC33886，而是采用了MOSFET芯片IRF540等驅(qū)動。考慮到智能車在直線加速區(qū)間的末端可能會遇到突然出現(xiàn)的拐彎區(qū)間，部分模型車設(shè)計了專門的制動部。值得注意

11、的是MC33886具有制動的功能，在行駛過程中可以通過單片機的控制使直流電機緊急制動。但是在韓國智能車的設(shè)計中沒有見到類似的應(yīng)用。 3 智能車控制方案及軟件流程單片機系統(tǒng)需要接收路徑識別電路的信號、車速傳感器的信號，采用某種路徑搜索算法進(jìn)行尋線判斷，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向伺服電機和直流驅(qū)動電機的工作。單片機的控制功能框圖見圖8。圖8 單片機控制功能框圖韓國智能車控制策略可以分為速度優(yōu)先型和穩(wěn)定優(yōu)先型兩種，即有的控制目標(biāo)鎖定在盡可能快地行駛上，有的重點放在智能車行駛的穩(wěn)定性上。總之，設(shè)計目標(biāo)不同，接下來的控制方法也就隨之不同，從而產(chǎn)生了各種各樣的設(shè)計方案。智能模型車的路徑搜索算法（Line Searchi

12、ng Algorithm）是智能車設(shè)計的關(guān)鍵部分，智能車設(shè)計的大部分工作都是圍繞它來展開的。下面介紹三種不同的路徑搜索方法。1、利用8對傳感器進(jìn)行道路識別，每個傳感器間隔2厘米，成直線排列。傳感器對白色的反射率設(shè)為最大，對黑色的反射率設(shè)為最小。把最大、最小值之間分為四個index（0，1，2，3）區(qū)間，通過對各個傳感器index值的組合基本能夠確定智能車的位置。但劃分成4個區(qū)間不足以精確控制方向，因此，又把每一個區(qū)間劃分成12個二重區(qū)間，即每一個傳感器index區(qū)間增加到48個。此時對位置和行駛方向都能較精確的控制。但這種方法對識別道路的計算量大，計算時間較長。圖10 PID控制塊圖2、使用4

13、對傳感器，分別安裝在智能車前部的左右兩側(cè)，4對傳感器之間的間隔分別是4厘米、8厘米、4厘米。先使用內(nèi)側(cè)的兩對傳感器來識別路徑，再使用外側(cè)的兩對傳感器進(jìn)行二次識別。當(dāng)黑色路線在四個傳感器的正中間位置時ADC值最小，而有偏離時ADC值就會變大。利用此原理得到路線相對位置偏差。傳感器工作情況如圖9所示。圖9 傳感器布置及發(fā)光二極管照射前方示意圖這種方法的特點是用了較少個數(shù)的傳感器進(jìn)行道路識別，而且充分利用MCU里的ADC(Analog to Digital Converter)功能。3、采用三個傳感器進(jìn)行線路識別，傳感器放置在伸出車體的小電路板上（見圖5）。安裝在兩邊的傳感器，可以算出偏移量及偏移方

14、向。中間的傳感器主要負(fù)責(zé)判斷智能車是否脫離路線。小電路板可以用一個伺服電機控制左右輕微擺動來尋線。轉(zhuǎn)向伺服電機和驅(qū)動電機一般采用PID控制，部分設(shè)計僅對驅(qū)動電機采用PD控制，對伺服電機采用P控制，也能較好地完成速度和轉(zhuǎn)向的控制。常見的其他控制方法，如模糊控制等，在2004和2005年公開的技術(shù)方案中沒有涉及。下面簡單介紹驅(qū)動電機的PID控制算法。對驅(qū)動電機的控制，通過下面公式實現(xiàn)。 其中，、：當(dāng)前和上次操作量：當(dāng)前操作量微分、：當(dāng)前，上次，上上次偏差、的數(shù)值通過實驗得到。為了得到與目標(biāo)速度的偏差，要利用電機解碼器或者其他的轉(zhuǎn)速傳感器測量當(dāng)前驅(qū)動電機的速度。圖10是PID控制框圖。4 智能車設(shè)計

15、的注意事項根據(jù)韓國智能車競賽參賽隊在設(shè)計中得到的經(jīng)驗看，設(shè)計智能車時需要考慮以下幾點。1、外部因素外部因素主要有環(huán)境光線、賽道材質(zhì)等因素。以采用光電尋跡方案的智能車為例，如果接收的信號中有很多噪聲成分，或者黑白區(qū)分不清晰，就很難識別路線，從而對后續(xù)的控制過程造成很大影響。因此，合理的傳感器離地間隙和反射角度、較好的濾波電路設(shè)計都是需要考慮的。2、重量因素整車質(zhì)量的增加，對系統(tǒng)動力性有較大影響。因此，除了智能車工作必須的電路之外，應(yīng)盡可能減少車重。即使是必備部件，可應(yīng)該采用輕量化的設(shè)計。比如為了測量模型車的速度，需要在驅(qū)動輪上加裝轉(zhuǎn)速傳感器，一般購買的電機編碼器重量都較大，有的隊伍就利用鼠標(biāo)上的

16、光電電路設(shè)計制作了一個輕量化的轉(zhuǎn)速傳感器，從而大大減小了重量。3、發(fā)熱因素韓國部分參賽隊伍發(fā)現(xiàn)，當(dāng)智能車行駛時由于追求快速，模型車動力源，即直流電機的發(fā)熱現(xiàn)象很嚴(yán)重。因此，要采取適當(dāng)?shù)膶Σ弑苊獯爽F(xiàn)象的發(fā)生。4、車輪因素為了達(dá)到更快的速度，而且避免在拐角處的滑移現(xiàn)象出現(xiàn)，有的隊伍重新選裝了模型車的輪胎。在飛思卡爾半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品中，有加速度傳感器，可以利用MMA6260等雙軸慣性傳感器，感知前進(jìn)方向和側(cè)向的加速度變化，防止直線行駛時的車輪打滑和彎道行駛時的側(cè)滑。5、過度轉(zhuǎn)向的避免由于是后輪驅(qū)動，在彎曲的路線上加速可能會出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，因此在車輛彎道行駛時需要小心控制車輛的轉(zhuǎn)向速度。6、根據(jù)國外

17、的經(jīng)驗，為了提高行駛穩(wěn)定性，很多設(shè)計都把重點放在了使傳感器感知更遠(yuǎn)的距離上。7、提高轉(zhuǎn)向伺服電機的反應(yīng)速度。8、探索更有效的行駛算法以及設(shè)計快速識別路線的系統(tǒng)。為了適應(yīng)各種各樣具有挑戰(zhàn)性的賽道，控制方法的簡單、可靠往往比復(fù)雜的控制更能取得好的成績。參考文獻(xiàn)：1 fttp:/.Overview of Design for Korea Intelligent Model Car Design ContestHuang Kaisheng Jin Huamin Jiang Dinan(State Key Laboratory of Automotive Safety an

18、d Energy, Tsinghua University, Beijing , China)Abstract: Intelligent model car design contest is focus on microprocessor control and autonomous lane tracking. In order to help all teams that want to take part in the contest in China to improve design level, the paper introduces voltage management circuit, lane tracking circ