為響應(yīng)教育部關(guān)于加強大學(xué)生創(chuàng)新意識、合作精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的號召，清華大學(xué)汽車工程系積極組隊參加了屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽。從2005年12月開始著手進(jìn)行準(zhǔn)備，歷時8個月，研制了6代基于光電傳感器的路徑識別方案，開發(fā)了智能車仿真研究平臺，提出了基于路徑記憶算法的轉(zhuǎn)向及驅(qū)動控制策略，在電源管理、噪聲抑制、驅(qū)動優(yōu)化等方面也都進(jìn)行了研究工作，通過大量的仿真試驗、道路試驗和基礎(chǔ)性能測試，開發(fā)了基于光電傳感和路徑記憶的智能車導(dǎo)航系統(tǒng)，為整車系統(tǒng)的優(yōu)良性能奠定了堅實基礎(chǔ)。本文將從該智能車總體方案、路徑識別方案選擇、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動控制及路徑記憶算法等方面進(jìn)行介紹。

       智能車總體方案

　　智能車系統(tǒng)以飛思卡爾公司的MC68S912DP256為，由電源模塊、傳感器模塊、直流電機驅(qū)動模塊、轉(zhuǎn)向電機控制模塊、控制參數(shù)選擇模塊、單片機模塊等組成，如圖1所示。智能車系統(tǒng)工作電壓由+1.6V、+5V、7.2V三個系統(tǒng)混合組成，其中 7.2V用于給驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向舵機供電，5V給車速傳感器、MCU以及光電傳感器接收管供電，1.6V給發(fā)光管供電。為了在線控制參數(shù)的調(diào)整方便，還設(shè)置了一個控制參數(shù)選擇模塊，可以通過幾個按鍵的設(shè)置，調(diào)用不同的程序或控制參數(shù)，以適應(yīng)不同場地條件的要求。

圖1 智能車總體結(jié)構(gòu)

　　智能車的工作模式是：光電傳感器探測賽道信息，轉(zhuǎn)速傳感器檢測當(dāng)前車速，電池電壓監(jiān)測電路檢測電池電壓，并將這些信息輸入單片機進(jìn)行處理。通過控制算法對賽車發(fā)出控制命令，通過轉(zhuǎn)向舵機和驅(qū)動電機對賽車的運動軌跡和速度進(jìn)行實時控制。

　　想要取得智能車比賽的好成績，模型車底盤參數(shù)優(yōu)化和硬件設(shè)備的可靠性是非常重要的。其中，前輪定位參數(shù)優(yōu)化、轉(zhuǎn)向舵機力臂增大和底盤重心位置調(diào)整對于車模的機械性能有著較大的影響。底盤參數(shù)的優(yōu)化參見[1]，本文不贅述。

         路徑識別方案選擇與電路設(shè)計

         路徑識別方案是首先需要確定的，主要有以下幾個問題。
*光電識別還是攝像頭識別；
*傳感器如何排列？間隔多大、形狀如何、單排還是雙排；
*傳感器可向前探測的遠(yuǎn)度；
*傳感器信號采用數(shù)字式還是模擬式；
*電路上如何實現(xiàn)。

　　由于光電識別方案簡單可靠，因此本文采用了光電識別方案。

       數(shù)字式光電識別與模擬式光電識別

　　比賽組委會要求傳感器個數(shù)多為16個，除掉1個轉(zhuǎn)速傳感器，可用于探測路徑的傳感器為15個，而傳感器允許布置的總寬度為25cm，如果采用數(shù)字式光電傳感器均勻分布，對道路的探測只能達(dá)到17mm左右，這樣賽車在前進(jìn)過程中很難達(dá)到很高的控制和響應(yīng)速度。從本質(zhì)上講，數(shù)字式光電傳感器的劣勢就在于它丟掉了路徑探測中的大量信息。

　　模擬式光電傳感器從理論上可以大大提高路徑探測。模擬式光電傳感器的發(fā)光和接收都是錐角一定的圓錐形空間，其電壓大小與傳感器距離黑色路徑標(biāo)記線的水平距離有定量關(guān)系：離黑線越近，電壓越低，離黑線越遠(yuǎn)，則電壓越高(具體的對應(yīng)關(guān)系與光電管型號以及離地高度有關(guān))，如圖2所示。

圖2 傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖

　　因此，只要掌握了傳感器電壓—偏移距離特性關(guān)系，就可以根據(jù)傳感器電壓大小確定各傳感器與黑色標(biāo)記線的距離(而不是僅僅粗略判斷該傳感器是否在線上)，進(jìn)而獲得車身縱軸線相對路徑標(biāo)記線的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息。

　　根據(jù)實車試驗，可以將路徑探測的提高到1mm。這樣傳感器采集的信息就能保證了單片機可以獲得的賽道信息，從而為提高賽車的控制提供了保證。

       雙排排列與前瞻設(shè)計

　　本文開發(fā)了智能車性能仿真平臺[2]，對傳感器的布局進(jìn)行了深入研究[3]。由于轉(zhuǎn)向舵機、電機和車都是高階慣性延遲環(huán)節(jié)，從輸入到輸出需要一定的時間，越早知道前方道路的信息，就越能減小從輸入到輸出的滯后。檢測車前方一定距離的賽道就叫前瞻，在一定的前瞻范圍內(nèi)，前瞻越大的傳感器方案，其極限速度就會越高，其高速行駛過程中對引導(dǎo)線的跟隨也相對較高，系統(tǒng)的整體響應(yīng)性能較好。因此路徑識別模塊設(shè)計成抬起與地面形成一個夾角，前排傳感器用于前瞻，后排傳感器對賽道始點進(jìn)行識別、計算車身縱軸線與賽道中心線的偏差斜率，以利于更好地調(diào)整車輛的姿態(tài)。