基于红外路径识别的智能车控制系统设计

收稿日期：２００７－０８－３０作者简介：石振东（１９７２－），男，辽宁大连人，从事汽车电子研究。

实时采集传感器信号，智能分析外部环境、路径信息，自动实现方向控制及速度调节，是智能车控制系统的主要特点，其设计内容涵盖机械、汽车、电子、自动控制、计算机、传感技术等多个学科的知识领域，作为一门新兴的综合技术，可广泛的应用于工厂自动料车、固定场地搬运车等技术领域，具有良好的应用前景。

本文所述基于模拟式红外光电传感器路径识别的智能车控制系统，以电动小车为研究对象，使用模拟式红外光电传感器识别白色场地中的任意黑色带状导引线，控制电动小车以设定目标速度沿导引线自动行驶，为使电动小车在行驶过程中保持一定的稳定性和平顺性，控制系统中对导引线路径信息识别、转向舵机角度控制、驱动电机转速调节等主要控制功能提出了较为理想的解决方案。

１硬件结构与方案设计智能车控制系统总体结构如图１所示，它以飞思卡尔公司高性能１６位单片机ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ１２８为核心，主要由电源管理、红外传感器路径识别、驱动电机转速检测、转向舵机控制、直流驱动电机调速、基于红外路径识别的智能车控制系统设计石振东，吕科，喻清洲，欧阳雷，曾星星（湖北汽车工业学院汽车工程系，湖北十堰４４２００２）摘要：介绍一种基于模拟式红外光电传感器路径识别的智能车控制系统，使用飞思卡尔公司１６位单片机ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ１２８为核心控制单元，采集红外传感器信号智能分析导引线路径信息，自动控制舵机转向，并对智能车的直流驱动电机实现ＰＩＤ调速控制。

关键词：红外；智能车；ＰＩＤ中图分类号：ＴＰ２７３＋．５文献标识码：Ａ文章编号：１００８－５４８３（２００７）０３－００１１－０４ＳｍａｒｔＣａｒＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＩｎｆｒａｒｅｄＳｅｎｓｏｒＳｈｉＺｈｅｎｄｏｎｇ，ＬüＫｅ，ＹｕＱｉｎｇｚｈｏｕ，ＯｕｙａｎｇＬｅｉ，ＺｅｎｇＸｉｎｇｘｉｎｇ（Ｄｅｐｔ．ｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｂｅｉＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｙａｎ４４２００２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｍａｒｔｃａｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｏｇｉｎｆｒａｒｅｄｓｅｎｓｏｒｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅＦｒｅｅｓｃａｌｅ１６ｂｉｔＭＣＵｗａｓｓｅｒｖｅｄａｓｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｕｎｉｔｅｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｒｏａｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｓｅｎｓｏｒ，ｅｎｅｒｇｉｚｅｄｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｔｏｓｔｅｅｒａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｎｄｕｓｅｄＰＩＤａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｓｐｅｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄｓｅｎｓｏｒ；ｓｍａｒｔｃａｒ；ＰＩＤ图１系统总体结构框图湖北汽车工业学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕｂｅｉＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ第２１卷第３期２００７年９月Ｖｏｌ．２１Ｎｏ．３Ｓｅｐ．２００７湖北汽车工业学院学报２００７年９月上位机调试等功能模块组成，其中上位机调试模块通过ＲＳ２３２串行接口与ＰＣ机通讯，结合基于Ｌａｂｖｉｅｗ环境开发的应用软件实现在线综合调试、分析功能。

１．１电源模块硬件电路设计电源模块主要为控制系统中其它功能模块提供特定电源，系统主电源由７．２Ｖ／２０００ｍＡｈ的Ｎｉ－ｃｄ蓄电池提供，系统中不同功能模块所需工作电压及电流容量各不相同，可通过不同的ＤＣ－ＤＣ转换电路实现，系统各模块工作电压主要有５Ｖ、６．５Ｖ、７．２Ｖ３种类型，其中５Ｖ电源系统通过降压型开关稳压器Ｌ５９７３实现，转换电路如图２所示。

图２５Ｖ电源模块硬件电路１．２电机驱动电路设计系统采用集成电机驱动芯片ＭＣ３３８８６对实现电动小车的电机控制，为防止ＭＣ３３８８６内部过流保护电路对电机起动、制动时造成影响，降低接通状态下的通态电阻，提高电机驱动能力，电路设计为２片ＭＣ３３８８６并联模式，电机驱动电路见图３。

１．３驱动电机转速检测电路设计电动小车驱动电机转速是整车目标速度调节的重要参数，系统使用对射式红外发射／接收管与遮光片检测电机转速信号，其中塑料遮光片固定在驱动电机输出轴上，与驱动电机同步运动，电机起动后在红外接收管侧生成与转速对应的脉冲信号，经调理后传输至单片机输入捕获引脚，转速脉冲信号调理电路如图４所示。

由于红外接收管侧生成的脉冲信号杂波较大，易造成系统输入捕获采样的误识别，该信号调理电路可有效对输入信号做滤波、整型处理，调理前、后信号如图５所示。

１．４红外路径识别传感器电路设计系统使用８对反射能力较强的红外光电式传感器采集路径识别信息，每对传感器由红外发射管及红外接收管组成，以水平均布模式布置在电动小车前部，每对传感器间距２５ｍｍ。

由于白色底板与黑色导引线对红外光线的反射强度不同，造成红外图３电机驱动模块硬件电路图４驱动电机转速信号调理电路ａ调理前ｂ调理后图５驱动电机转速信号１２——第２１卷第３期实际应用过程中，因红外接收管特性存在个体差异，在相同外部环境下，不同接收管的灵敏度偏差较大，为保证纵向空间检测精度的一致性，应对选用的红外接收管做分级筛选。

输入的电压信号由发射管及其它外部红外光源共同生成，为增强系统的抗干扰性，在保证传感器精度的前提下，可尽量减小取样电阻阻值，或通过软件滤波的方法做后续处理。

２控制策略分析２．１路径信息识别分析路径信息采集过程中，接收管侧电压信号与黑色导引线的水平距离在一定范围内存在定量关系：接收管越靠近导引线，信号电压越低，利用该特性可对采集到的离散信号实施细分，可极大提高系统探测精度。

由于外部环境光线的不确定性，无法直接使用电压信号采样值做分析、比较，故将采样信号转换为百分比进行计算，效果比较理想，计算公式为当前采样电压百分比＝当前采样值－初始采样最小值初始采样最大值－初台采样最小值其中初始采样最大值及初始采样最小值为电动小车起动前的标定数值，该参数在自动行驶过程中，根据外部环境光的变化进行自适应修正。

获取各红外接收管的采样信息后，即可根据预先标定的特征数据做位置分析，为避免单管分析过程中造成的偏差，一般分别以２～３个有效接收管为基准，独立做导引线的位置分析，取平均位置值作为有效信息，黑色导引线位置标定如图７所示。

２．２舵机转向控制分析智能车控制系统通过舵机输出转角驱动前轮转向，舵机自身为独立的位置闭环控制系统，在负载力矩小于最大输出力矩的情况下，舵机输出转角与控制信号脉宽成线性比例关系，如图８所示。

在本控制系统中预先标定导引线位置与控制ＰＷＭ信号的二维映射表，电动小车自动行驶过程中，系统实时采集导引线的位置信息，通过查表给出当前ＰＷＭ控制信号，调整舵机转向角度实现方向控制。

为增强电动小车在不同目标速度下过弯时的稳定性和平顺性，可根据当前目标车速状态对输出的转向ＰＷＭ控制信号进行调节。

２．３驱动电机转速调节在连续运动控制系统中，将偏差的比例（Ｐ）、积分（Ｉ）和微分（Ｄ）通过线性组合构成控制量，对研究对象实时控制的ＰＩＤ控制算法应用广泛，具有结构简单、参数易调整、适应性强等优点，尤其不需要确定被控对象精确的数学模型。

本控制系统中以驱动电机转速采样信息为反馈量，采用增量式数字图７导引线位置标定图８舵机输出转角与控制信号响应关系接收管侧生成的光电流存在差异，利用该特性，选择合适的取样电阻对光电流采样，获取的电压信号经调理后输入到单片机的Ａ／Ｄ端口，红外路径识别传感器控制电路如图６所示。

图６红外路径识别传感器电路ａ红外传感器发射电器ｂ红外传感器接收电器石振东等：基于红外路径识别的智能车控制系统设计１３——湖北汽车工业学院学报２００７年９月ＰＩＤ控制算法，通过输出ＰＷＭ信号对电机实现闭环控制，为降低转速采样过程中的信号干扰，增强系统的稳定性，在控制软件中采用移动平均滤波法对转速采样信号进行了处理，增量式ＰＩＤ控制系统基本原理如图９所示。

计算公式为!ｕｎ＝Ｋｐ（ｅｎ－ｅｎ－１）＋Ｋｉｅｎ＋Ｋｄ（ｅｎ－２ｅｎ－１＋ｅｎ－２）式中：!ｕｎ—第ｎ次输出增量；ｅｎ—第ｎ次偏差；ｅｎ－１—第ｎ－１次偏差；ｅｎ－２—第ｎ－２次偏差。

增量式ＰＩＤ控制系统中的Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ参数，一般经反复测试、分析，最终确定理想数值。

实验测试表明，该增量式ＰＩＤ控制器可对驱动电机转速做有效调节，具有响应时间短、动态性能好、稳态误差小的特点。

图１０所示为电机起动过程数据采样分析结果，其中目标转速设定为４５，电机启动后加速到目标转速时间约为３００ｍｓ，到达目标转速后，调速范围基本维持在４４～４６之间，表现出良好的控制效果。

３结束语相对于其他类型传感器而言，模拟式红外光电传感器较好的解决了路径信息的采集、分析功能，并具备性价比高、算法简便、实时性强等诸多优点，在路径信息分析过程中，采用对模拟离散信号线性化细分的优化算法，较好的解决了位置信息阶跃的问题，实现了连续路径识别功能。

经实际测试，该智能车可在任意黑色导引线上稳定、可靠的自动行驶，能准确实现自主寻迹，具备抗干扰性强，速度调节响应时间短，稳态误差小等特点，最高车速可达２．１ｍ／ｓ。

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