摘 要： 針對(duì)飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽中的磁導(dǎo)航智能車(chē)，研制了路徑信息采集系統(tǒng)。硬件上提出了利用儀表用差動(dòng)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理的方法，同時(shí)采用加速度傳感器對(duì)車(chē)體姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；軟件上通過(guò)對(duì)傳感器輸出量的歸一化處理并結(jié)合曲線擬合，提出了基于最小二乘法的有限數(shù)據(jù)量曲線擬合算法。該算法兼顧了處理器運(yùn)算能力與系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)體位置的快速準(zhǔn)確判斷。測(cè)試結(jié)果表明該方案是有效的。
關(guān)鍵詞： 差動(dòng)放大電路；歸一化；曲線擬合算法；最小二乘法；磁導(dǎo)航；智能車(chē)
磁導(dǎo)航技術(shù)在智能交通領(lǐng)域中是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)，以國(guó)家智能交通系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心(ITSC)的研究成果為例，其采用磁性參考/感知原理，即以車(chē)道中心線上布設(shè)的離散磁道釘為車(chē)道參考標(biāo)記，通過(guò)車(chē)載磁傳感器探測(cè)到磁信號(hào)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，來(lái)判斷車(chē)輛當(dāng)前的位置情況。這是采用永磁體作為參照物的實(shí)例[1-2]。
鑒于磁導(dǎo)航技術(shù)具有的實(shí)用價(jià)值，飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽在原有的光電組與攝像頭組的比賽項(xiàng)目上，于2010年新增了通過(guò)感應(yīng)賽道中心導(dǎo)線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)進(jìn)行路徑檢測(cè)的電磁組[3]。
根據(jù)電磁組的路徑信息采集原理，可以得出磁場(chǎng)傳感器的基本設(shè)計(jì)方法和路徑信息提取算法的基本要求。對(duì)于電磁組賽車(chē)，交變磁場(chǎng)分布范圍廣泛，傳感器得到的數(shù)據(jù)是一系列有分布規(guī)律的離散點(diǎn)。可以根據(jù)離散點(diǎn)的輪廓、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和誤差要求選擇一條曲線來(lái)近似逼近磁場(chǎng)在傳感器處的分布情況。另外根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則，處理器必須采用飛思卡爾公司的HCS12系列單片機(jī)，由于其數(shù)據(jù)處理能力不足，必須選用一種數(shù)據(jù)處理量較小的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)離散點(diǎn)的曲線擬合，以保證控制的實(shí)時(shí)性。
以設(shè)計(jì)合理的路徑信息采集系統(tǒng)來(lái)對(duì)車(chē)體位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，同時(shí)選用一種路徑信息采集算法從傳感器信號(hào)中準(zhǔn)確提取出賽道信息是本文研究的重點(diǎn)。
1 磁導(dǎo)航智能車(chē)系統(tǒng)
磁導(dǎo)航智能車(chē)通過(guò)感應(yīng)外界電磁環(huán)境對(duì)路徑信息進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而通過(guò)舵機(jī)和電機(jī)對(duì)車(chē)體方向和速度進(jìn)行控制，達(dá)到自主尋跡的目的。系統(tǒng)主要分為核心控制模塊、路徑信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊，其原理框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)的磁場(chǎng)環(huán)境為埋設(shè)在跑道中通用的20 kHz、100 mA交變電流的導(dǎo)線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。利用交變磁場(chǎng)進(jìn)行磁導(dǎo)航的技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的實(shí)例較少，其中清華大學(xué)根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則設(shè)計(jì)了一種電磁組賽車(chē)，該賽車(chē)使用兩個(gè)傳感器采集車(chē)體兩邊的磁場(chǎng)信號(hào)，以控制小車(chē)的走向。該設(shè)計(jì)方案是用運(yùn)放、三極管等一些基本電子元件對(duì)車(chē)體進(jìn)行粗略控制。如果采用更多的傳感器、更精確的信號(hào)處理方法和單片機(jī)，再配合一定的算法則可以對(duì)道路的形狀進(jìn)行準(zhǔn)確判斷、優(yōu)化控制策略和改善控制效果[4]。
2 路徑信息采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
路徑信息采集系統(tǒng)通過(guò)對(duì)路徑的檢測(cè)來(lái)獲取路徑信息，從而對(duì)車(chē)體的方向和速度進(jìn)行精確控制。該系統(tǒng)主要包括交變磁場(chǎng)檢測(cè)、起始線檢測(cè)和車(chē)體姿態(tài)檢測(cè)三個(gè)部分，其原理如圖1中虛線框所示。
2.1 交變磁場(chǎng)檢測(cè)
交變磁場(chǎng)檢測(cè)主要是對(duì)特定的交變磁場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。本文選用LC選頻振蕩電路檢測(cè)交變磁場(chǎng)，然后通過(guò)放大電路的放大和檢波電路的檢波處理，得到與振蕩信號(hào)峰峰值成正比的直流電平，以便于A/D轉(zhuǎn)換。其原理框圖如圖2所示。
(1)選頻部分
采用LC振蕩電路的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)LC振蕩電路諧振頻率計(jì)算公式和市場(chǎng)上電感電容型號(hào)，選用一定量值的電感和電容。電感選型時(shí)要注意其Q值和內(nèi)阻，Q值會(huì)影響其諧振增益和交變磁場(chǎng)的檢測(cè)。
(2)放大部分
信號(hào)的放大有多種方法：基本放大電路、帶電壓偏置的放大電路、運(yùn)算放大電路等。對(duì)于基本放大電路信號(hào)，其靜態(tài)工作點(diǎn)易受溫度變化的影響，輸出信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)失真[5]。這就需要帶電壓偏置的放大電路，偏置電路給三極管提供合適的工作點(diǎn)，保證三極管在放大交流信號(hào)時(shí)工作在放大區(qū)，同時(shí)能夠保證靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定，使工作點(diǎn)少受或基本上不受環(huán)境溫度的影響。但是由于帶電壓偏置的放大電路的三極管靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)較為繁瑣，且在多路信號(hào)需放大的情況下電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。因此，從對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確放大的角度考慮，本文選用儀表用差動(dòng)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。其電路原理圖如圖3所示。
該放大電路輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如下：
采用這種由三運(yùn)放組成的儀表用差動(dòng)放大電路可以提高輸入電阻，提高共模抑制比，運(yùn)放U1A、U2A性能相近，簡(jiǎn)化了溫度補(bǔ)償電路。該放大電路具有低失調(diào)電壓、低漂移、低輸入偏置電流、高共模抑制比等特點(diǎn)[6]。
(3)檢波部分
檢波部分選用倍壓整流檢波電路的設(shè)計(jì)方案。該電路可以獲得正比于交流電壓信號(hào)峰峰值的直流信號(hào)，便于A/D轉(zhuǎn)換。
2.2 起始線檢測(cè)
根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則，起始線處放置永磁體作為標(biāo)志。起始線檢測(cè)即是對(duì)永磁體檢測(cè)。本文采用霍爾元件方案，當(dāng)垂直方向上穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)強(qiáng)度方向改變時(shí)，霍爾元件的輸出端將產(chǎn)生電平跳變，通過(guò)檢測(cè)該電平跳變來(lái)檢測(cè)起始線。
2.3 車(chē)體姿態(tài)檢測(cè)
對(duì)于車(chē)體姿態(tài)檢測(cè)，本文采用Freescale公司量程為±1.5 g的低重力加速度傳感器MMA7361L，用于測(cè)量車(chē)體相對(duì)于水平面的傾斜程度。
MMA7361L是一款低功耗、低重力三軸加速度傳感器，具有信號(hào)調(diào)理、穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)裙δ躘7]。將其固定在車(chē)身上可以實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)體相對(duì)于地面的傾斜角度，主要用在車(chē)輛上坡和下坡的判斷。
3 路徑信息采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)將7個(gè)傳感器水平并排放置，距地面高度約為5 cm。假設(shè)線圈在水平方向上與導(dǎo)線距離為r，線圈高度為h，如圖4所示。
根據(jù)安培環(huán)路定理，距導(dǎo)線r處的磁感應(yīng)強(qiáng)度反比于距離r。而線圈的軸線是水平的，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反映了磁場(chǎng)的水平分量，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：
路徑信息的采集首先要確保傳感器輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確性的確保應(yīng)從相同條件下各個(gè)傳感器輸出信號(hào)的數(shù)值差異和信號(hào)數(shù)值分布兩個(gè)方面來(lái)判斷。本文在軟件上主要采用歸一化算法和曲線擬合算法來(lái)確保路徑信息采集的準(zhǔn)確性。
3.1 歸一化算法
該算法是將所有傳感器輸出信號(hào)變換為無(wú)量綱的量，屏蔽各傳感器在硬件和物理特性上的差異。具體算法流程是：首先測(cè)量每個(gè)傳感器輸出信號(hào)的最大值(Max1、Max2、Max3、Max4、Max5、Max6、Max7)作為基準(zhǔn)量，在賽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，將7個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)分別除以7個(gè)基準(zhǔn)量，即可得到傳感器歸一化后的數(shù)值，該數(shù)值可用于賽道類型判斷。
3.2 曲線擬合算法
從控制的需要，只需提取出導(dǎo)線所處的位置，也就是圖像中峰值點(diǎn)的橫坐標(biāo)。因此只要擬合出一條曲線，使該曲線峰值點(diǎn)橫坐標(biāo)盡可能地逼近導(dǎo)線所處位置的橫坐標(biāo)即可。本文采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合。
取7組數(shù)據(jù)中最大的前5組數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬合，得到二次曲線方程為：
采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬合有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)可以滿足智能車(chē)控制的實(shí)時(shí)性需要。進(jìn)行二次曲線擬合的計(jì)算量相比于其他曲線擬合方法較小，同時(shí)二次曲線擬合的公式可以事先求得，大大減少了運(yùn)算量。
(2)對(duì)導(dǎo)線位置判斷較為準(zhǔn)確。雖然傳感器信號(hào)的實(shí)際分布情況不是二次函數(shù)的形式，但是通過(guò)二次曲線擬合后得到的峰值點(diǎn)橫坐標(biāo)與實(shí)際峰值點(diǎn)橫坐標(biāo)接近。因此通過(guò)該算法可準(zhǔn)確地提取出導(dǎo)線的位置。
4 路徑信息采集系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與分析
本文采用如圖4所示的7個(gè)傳感器一字型排列的方案，測(cè)試過(guò)程中同時(shí)對(duì)2個(gè)傳感器和13個(gè)傳感器一字排布的方案進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)三種排布方案進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)的分析，其結(jié)果如表1所示。綜合考慮后，選用7個(gè)傳感器的方案最合適。
小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，使用基于NRF24L01的無(wú)線模塊和基于LabVIEW的上位機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行在線調(diào)試。首先根據(jù)歸一化算法，測(cè)得各傳感器輸出信號(hào)的最大值，即各傳感器放置在導(dǎo)線正上方一定高度時(shí)的輸出量作為基準(zhǔn)量，各傳感器的輸出信號(hào)除以基準(zhǔn)量作為歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。為方便運(yùn)算，本文將歸一化后的數(shù)據(jù)乘以126作為最終數(shù)據(jù)。表2為賽車(chē)運(yùn)行到某一彎道處時(shí)，各傳感器輸出量與歸一化后的數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系，同時(shí)設(shè)定各個(gè)傳感器的橫坐標(biāo)。通過(guò)上位機(jī)觀測(cè)到的各傳感器輸出量如圖6所示，各傳感器輸出量歸一化后的數(shù)據(jù)量如圖7所示。利用最小二乘法求得峰值點(diǎn)坐標(biāo)值為1.516(保留小數(shù)點(diǎn)后三位小數(shù))。
未處理之前，各傳感器分布并無(wú)一定規(guī)律，而歸一化處理后，各傳感器數(shù)據(jù)按一定規(guī)律分布。曲線擬合算法可以準(zhǔn)確提取出峰值點(diǎn)橫坐標(biāo)，這樣智能車(chē)方向閉環(huán)控制中的位置反饋由一系列離散量變成連續(xù)量，反饋信息更加精確。
對(duì)于車(chē)體姿態(tài)的檢測(cè)，車(chē)體在水平位置、上坡和下坡時(shí)加速度傳感器輸出信號(hào)分別如圖8、圖9、圖10所示。根據(jù)本文中加速度傳感器的放置位置，車(chē)體的前后傾斜程度影響傳感器X方向的輸出量，因此檢測(cè)加速度傳感器X方向上的輸出量變化即可判斷車(chē)體當(dāng)前傾斜程度，進(jìn)而改變控制策略。
本文介紹了磁導(dǎo)航智能車(chē)路徑信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，從硬件和軟件的角度對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。硬件上，采用儀表用差動(dòng)放大電路對(duì)采集到的較弱的信號(hào)進(jìn)行精確放大處理，采用加速度傳感器對(duì)車(chē)體姿態(tài)做出判斷；軟件上，采用歸一化算法和曲線擬合算法對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，從而提取出車(chē)體當(dāng)前的準(zhǔn)確位置。測(cè)試結(jié)果證明，本方案是可行有效的。但該設(shè)計(jì)方案還有一些可以改進(jìn)之處，例如在對(duì)傳感器布局時(shí)，可以將電感線圈按照兩兩垂直的方向排列，這樣可以分別求得某一點(diǎn)處三個(gè)方向上的磁場(chǎng)分量；在軟件的算法上也可以引入對(duì)賽道類型的預(yù)判策略。這些都是進(jìn)一步研究的方向。
參考文獻(xiàn)
[1] 李斌，王春燕．中國(guó)智能公路磁誘導(dǎo)技術(shù)研究進(jìn)展[J]．公路交通科技，2004(11)：66-69.
[2] 徐海貴，王春香，楊汝清，等．磁傳感系統(tǒng)在室外移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的研究[J]．機(jī)器人，2007，29(1)：61-66.
[3] 飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽秘書(shū)處．第五屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽比賽規(guī)則與賽場(chǎng)紀(jì)律[EB/OL]． http：//www. smartcar. au. tsinghua. edu. cn/web/rule. html， 2009.
[4] 張昊飏，馬旭，卓晴．基于電磁場(chǎng)檢測(cè)的尋線智能車(chē)設(shè)計(jì)[J]．電子產(chǎn)品世界，2009(11)：48-50.
[5] 劉京南，王成華．電子電路基礎(chǔ)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003．
[6] Texas Instruments． Precision， low power instrumentation amplifiers[EB/OL]． http： //focus. ti. com/ general/ docs/ lit/getliterature tsp? genericPartNumber=ina128&fileType=pdf，2009.
[7] Freescale Semiconductor Inc． MMA7361L Three Axis Low-g Micromachined Accelerometer [EB/OL]．