CN109116855A - 一种移动小车循迹控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能车信息处理技术领域，公开了一种移动小车循迹控制方法及系统,控制方法有：初始化，采集当前的电感值；两个电感值进行归一化；得出归一化的值，再进行判断是否大于0或小于0；再进行方向判断；不断地进行如此循环。本发明的程序所采用的方向控制算法是模糊控制，速度控制算法是PID控制；本发明中方向控制采用模糊控制，其鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制，可不需要对象的精确数学模型。

Description

一种移动小车循迹控制方法及系统

技术领域

本发明属于智能车信息处理技术领域，尤其涉及一种移动小车循迹控制方法及系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

中国的发展离不开科学技术的进步，我国科技的总体水平同世界先进水平同世界先进水平仍有较大的差距，同我国经济社会发展的要求还有许多不相适应的地方。要迅速提高我国的生产力水平，缩小与发达国家的差距，就必须加快发展科学技术。

在今后的人类社会发展中，人工智能会实现广泛的应用，不同的领域都会采用人工智能，创造出巨大经济价值。

科学技术就是第一生产力。智能代替繁琐的人工劳作是21世纪科技发展的主旋律。对于自动化领域的我们来说，不能仅仅地说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动的完成特定的作业。但随着电子和信息技术的发展，自动化的概念已扩展为用机器不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。

在科技高速发展的今天，自动化领域已经渗透到社会生产和生活中了。例如全自动洗衣机，不用人动手就能把衣服洗得干干净净；在工厂，人们使用各种自动化装置或系统，如机器人、自动化小车、数控机床、柔性生产线和计算机集成制造系统等，完成产品的加工、装配、包装、运输、存储等工作。

近年来，自动化技术也应用到各种行驶车辆中，自动循迹在工业自动化及汽车工业中也得到了广泛应用。

根据世界卫生组织的统计数据可知，全世界的交通事故每年导致124万人死亡，预计每年会以2万人的数量增加。无人驾驶车辆的研发成功，会明显减少交通事故量，因此呼声愈来愈大。

其次，采用无人驾驶技术，除了降低交通事故的发生率，还将会极大的缓解交通拥堵压力。

然而，现在国际无人车驾驶技术还不是很成熟，受环境因素限制比较大，行驶安全等各项问题始终没能得到良好的解决，只能进行不停的调试。

一种移动循迹小车则是对无人驾驶技术的一种摸索，循迹小车及轮式移动机器人，是一种集环境感知、决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统，循迹小车集中运用了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科知识，是典型的高新技术知识综合体。

循迹智能车通常依靠特定的道路标记完成识别，通过推理判断模仿人工进行驾驶。

除了对硬件本身要求高之外，最为重要的就是设计出简单高效的指令程序，运用本技术的寻迹小车能在给定的区域内沿着轨迹自动进行，小车运行过程由方向检测和电机驱动两部分控制，可采用电信号或与白色地面颜色有较大差异的黑色线条做引导。对采集到的信号进行分析处理并作出逻辑判断后，得到行驶方向，通过给予不同的转速比和占空比来调节行驶速度和提高转向的灵活度。

近年来，自动化领域得到十足的发展，随着单片机等微型计算机的发展，智能控制技术不仅相应地开拓出了更为广阔的发展空间并且越来越来被大量重视利用起来。微处理芯片的集成程度越来越高，单片机已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时/计数器，并串行接口技术、A/D\D/A转换。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有技术的循迹小车控制程序运行中，方向控制算法鲁棒性差，干扰和参数变化对控制效果的影响不能被大大减弱，不适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。

解决上述技术问题的难度和意义：

难度：移动车循迹控制过程中，控制中的非线性，强耦合时变，滞后问题很难解决；

本发明解决现有技术存在的问题后，带来的意义为：

本发明采用的速度闭环控制，方向模糊控制，采用闭环控制可以大大减弱环境对小车的影响，和小车在转方向后(会减速)快速的稳定成之前的速度，方向模糊控制的鲁棒性强，可以解决过程控制中的非线性，强耦合时变，滞后问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种移动小车循迹控制方法及系统。

本发明是这样实现的，一种移动小车循迹控制方法，所述移动小车循迹控制方法包括：

初始化；

采集当前的电感值，在正中间设置的左右水平电感值是1000；

两个电感值进行归一化得到的值在[-1,1]之间；

再进行判断是否大于0(左转)或小于0(右转)；

在经过模糊运算求出所需要的动态P和动态D；

在将动态P乘以所得到的偏差就得到方向控制量TURN_P；

将动态D乘以陀螺仪的偏差就得到方向控制量TURN_D；

得到总的TURN为TURN_P减去TURN_D为最后方向控制量；

经过算法处理得到方向控制量大小范围在(-1000，1000)里面；

最后将速度环所得到的值与方向值进行处理就得到送给电机的PWM值；

不断地进行如此循环。

进一步，所述移动小车循迹控制方法具体包括：

1)进行ADC采集初始化，电机驱动初始化，编码器的初始化，还有定时器的初始化，5ms一次中断；

2)定时器的标志位Time进行自动计时，进行判断时间是否达到20ms，如果未达到，将进行下一步；

3)进行小车不同位置ADC采集；

4)进行对采集值的判断，如果两边水平电感值小于100，小车就进行丢线处理(即主控芯片给电机输出的PWM值为0)。

5)如果Time＝4，进行一次速度控制；

6)Time＝4时，主控芯片把时间计数器Time清0；

7)PWM输出中，速度控制计算的值保存在芯片的RAM中；首先取出速度控制所计算的值，然后进行PWM输出给电机；

8)电机的控制量输出过程中，得到主控芯片所传来的PWM信号给驱动芯片，驱动芯片就送给相应的控制电压给电机，从而使电机达到相应的运动状态；

9)判断两边水平电感值是否都小于100，如果都小于100就进行丢线处理，否则就将采集到的值进行归一化的处理，归一化是将采集到的数值进行处理，并且得到的结果在-1到1之间；

10)将归一化得到的值进行模糊运算处理，得到动态P和动态D,再乘以给定的放大倍数，得到转向比例量turnp和转向微分量turnd，再把转向比例量 turnp减去转向微分量turnd后得到方向控制量。

11)若得到的值大于0，小车所处在的位置靠近赛道的右边，小车将进行左转弯，将所得的左转的数值存入RAM中；

12)取出小车左转所存入的数值，进行PWM输出；

13)判定中，若小车进行右转，将所得的左转的数值存入RAM中；

14)在进行归一化处理同时，程序会保存小车当前的归一化处理的数值，得到小车上次所处位置，完成后，程序回到定时器的标志位Time进行自动计时，连续的判断小车所在的位置，让小车自动的行驶。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述移动小车循迹控制方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述移动小车循迹控制方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的移动小车循迹控制方法。

本发明所说的智能循迹小车是按照上述方式运行的，能够自适应路段并且准确的进行转弯。

本发明所说的智能循迹小车是按照上述方式运行的，能够自适应路段并且准确的进行转弯。

本发明另一目的在于提供一种移动小车循迹控制系统包括稳压电路、分别联结的核心板电路、电磁采集电路、驱动电路、隔离电路；

稳压电路，用于线性稳压器降压；

电磁采集电路，用于运算放大和缓冲驱动；

核心板电路：用于控制输出电压、输出噪声、静态电流、电源关闭状态、过流及过热保护状态；

驱动电路：使用H全桥电路驱动电机正反转并实现调速；

电磁采集电路：用于控制噪声电压指标；

隔离电路：用于隔离运行电路。

核心板电路：所采用的稳压芯片是TPS7350QDR 5V 0.5A，

tps73系列有3.3v，4.85v和5v固定电压输出及输出为1.2～9.75v可设定输出电压等4个品种，最大输出电流可达500ma。

该系列主要特点有：

①输出电压精度高(20％)；

②输出噪声低(2μa)；

③压差低，在输出为100ma时，最大压差为35mv(tps7350)；

④静态电流小，典型值为340μa(与负载电流大小有关)；

⑤有关闭电源控制端，在关闭电源状态时，耗电仅为0.5μa；

⑥内部有监视输出电压电路，降到门限电压时，reset端输出低电平复位信号(当输入电压上升时，使输出电压上升到门限电压时，有200ms的延迟后，输出正常电压)；

⑦内部有过流限制及过热保护。电路原理图如图3所示。

驱动电路：本设计共使用四片BTN7971作为驱动芯片设计两个半桥电路构成H全桥电路驱动电机正反转并实现调速。BTN7971引脚定义如图6所示，当 INH引脚输入高电平时，IN端输入的PWM占空比控制OUT端输出电压。当IN＝1， INH＝1时，输入芯片内部经过非门驱动电路后，输出低电平使得上背P型MOSFET 管导通，OUT引脚输出高电平；IN＝0,INH＝1时，经过非门驱动电路后，输出高电平使得下背N型MOSFET管导通，OUT引脚输出低电平[26]。IS端用于上背 MOSFET管的电流即检测电动机当前电流。BTN7971芯片非常适合电机驱动，它具有过压、过流、过热、欠压、短路等保护，电压范围是4.5～28V，驱动电流高达70A。在电机驱动模块本设计加入了74HC244芯片以进行隔离。微处理器的控制信号通过74HC244芯片后传送到BTN7971电机驱动芯片，从而控制电动机运转。74HC244芯片是高速CMOS的8路三态缓冲驱动器，电源电压范围是2V～ 6V，而本设计的电源供电模块恰好有5V的电源输出。74HC244的输出使能端控制其三态输出，给任意的使能端输入高电平都将使输出端为高阻态。74HC244 具有单向传输的特点，当在传递过程中信号被干扰时或电动机驱动模块发生问题时，74HC244能够良好地隔离单片机，还能加强控制器脉宽调制信号(PWM) 的电平调节。因此，在电机驱动模块加入74HC244芯片不仅可以提高驱动能力还能保护微处理器，不仅避免了信号失真还增强了智能车的稳定性。本电机驱动的原理图如图7。

电磁采集电路：电磁采集电路是采用的NE5532芯片，NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器,如1458,它显示出更好的噪声性能,提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备,仪器和控制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的,因此建议使用5532A版,因为它能保证噪声电压指标。

特点介绍:

·小信号带宽:10MHZ

·输出驱动能力:600Ω,10V有效值

·输入噪声电压:5nV/√Hz(典型值)

·直流电压增益:50000

·交流电压增益:2200-10KHZ

·功率带宽:140KHZ

·转换速率:9V/μs

·大的电源电压范围:±3V-±20V

·单位增益补偿。原理图如图4。

隔离电路：隔离电路里面起主要作用的是0欧姆电阻。在高频信号下，充当电感或电容。(与外部电路特性有关)电感用，主要是解决EMC问题。如地与地，电源和IC Pin间，单点接地(指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开,各自成为独立系统。)，熔丝作用模拟地和数字地单点接地。如图5。

本发明的另一目的在于提供一种室外无人驾驶车辆，所述室外无人驾驶车辆至少搭载所述的移动小车循迹控制系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明的程序所采用的方向控制算法是模糊控制。(1)本方向控制算法是采用输出值渐加的方式来完成的，当方向的偏差一定时，假设方向算法所得出来的值为800那么方向输出量会从0到800渐变，且变化速度很快。同理方向输出量从-800到0也同样如此。这样所得到的结果就是当小车在转弯的时候一个轮子渐加速一个轮子渐减速，这样方便小车在转弯后快速恢复到之前的速度。从弯道到直道后也会向那样进行加减速,但是因为偏差小,两轮的速度基本保持一致。(2)和现有技术相比，本方法的优点如下表所示：

附图说明

图1是本发明实施例提供的移动小车循迹控制系统示意图。

图2是本发明实施例提供的控制流程图。

图3是本发明的核心板稳压电路原理图。

图4是本发明电磁采集电路原理图。

图5是本发明的隔离电路。

图6是本发明BTN7971功能表。

图7是本发明电机驱动原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种自动循迹的方法。该方法包括已下步骤：(1)设计电路，(2)自制驱动板，电磁采集版，(3)三焊接电路板，(4)初始化，采集当前的电感值，(5)两个电感值进行归一化，(6)得出(5)的值在进行判断是否大于0小于0，(7)在进行方向判断，(8)不断的进行此循环。

本发明所说的智能循迹小车是按照上述方式运行的，能够自适应路段并且准确的进行转弯。

如图1所示：本发明实施例提供的移动小车循迹控制系统包括稳压电路1，分别联结的核心板电路2，电磁采集电路3，驱动电路4，隔离电路5，

本稳压电路主要用的芯片是贴片TPS7350QDR 5V 0.5A线性稳压器降压芯片SOP-8,电磁采集电路主要用的芯片是运算放大器NE5532PNE5532DIP-8IC 运放芯片，驱动板主要用的芯片是贴片BTN7971B TO263-7还有一个缓冲器驱动器74HC244D SOP-20IC芯片。核心板电路主要用的芯片是KEA128 S9KEAZ128AMLK。电磁采集主要是采集跑道上的电磁信号，电流线在赛道正中间，小车上的水平电感可以采集电压，然后经过运放芯片的放大之后输出到核心板上芯片的I/O口上,此I/O口是具有ADC采集功能的，然后芯片进行运算所采集的值，将得出来的值送给与驱动板相连接的I/O口上，电感所在的位置不一样，电感所得到的电压也不一样，这样芯片ADC采集所得到的结果也不一样，我们就可以判断小车是否需要左右转。隔离电路是最后都接一个0欧姆电阻。

本发明所用的方向控制算法是模糊控制：如图2所示，这种小车进行上电后，在步骤6中，初始化部分有ADC采集初始化，电机驱动初始化，编码器的初始化，还有定时器的初始我定的时间为5ms一次中断。在步骤7中定时器的标志位Time进行自动计时，在下面进行判断时间是否达到20ms如果未达到，那么程序将进行步骤12中的内容。在步骤12中进行ADC采集，小车在不同的位置所采集的值不一样。在步骤13中进行对采集值的判断，如果两边水平电感值小于100那么小车就进行丢线处理，就是小车处于赛道外面了，这样就执行的了步骤14里面的内容了，芯片的PWM输出就给0，这样小车就会进行步骤15 里面的内，然后就会进行步骤11当中的内容。

在步骤8中，如果Time＝4的话那么就会进行一次速度控制。在步骤9中，芯片会把时间计数器Time给清0。在步骤10中，速度控制计算的值将会保存在芯片的RAM中。在步骤10中，首先取出速度控制所计算的值，然后进行PWM输出给电机。在步骤11中，芯片的PWM口会输出步骤10里面的PWM数值。在13 步骤中判断如果是否的话，则将进行步骤16里面的内容，将采集到的值进行归一化的处理(归一化是将采集到的数值进行处理，并且得到的结果在-1到1之间)。在步骤17中，将归一化得到的值进行模糊运算处理，得到动态P和动态 D,再乘以给定的放大倍数，得到转向比例量turnp和转向微分量turnd，再把转向比例量turnp减去转向微分量turnd后得到方向控制量。

在步骤18中，若得到的值大于0，那么将进行步骤21，即小车所处在的位置靠近赛道的右边，那么小车将进行左转弯(在小车行驶的过程中，小车所处位置在中线的右边，那么左轮将进行减速，右轮将进行加速处理，这样让小车进行左转)，然后将所得的左转的转向数值存入RAM中。否则将进行步骤19，即小车所处在的位置靠近赛道的左边，那么小车将进行右转弯(在小车行驶的过程中，小车所处位置在中线的左边，那么右轮将进行减速，左轮将进行加速处理，这样让小车进行右转)，然后将所得的右转的转向数值存入RAM中。在步骤 20中，取出小车左转或右转所存入的数值，然后将其进行PWM输出。

在进行步骤16之后，程序也将进入步骤22当中，程序会保存小车当前的归一化处理的数值，这样方便得到小车上次所处的位置，这样进行完后程序又一次回到步骤7中。这样就可以连续地判断小车所在的位置，从而让小车自动地行驶了。

证明部分(具体实施例/实验/仿真/学分析/)

具体实施例一：本发明实施例提供的电磁精准导航定位算法：智能车转向系统中，采用了闭环控制，通过采集两边的电感值来分析此时的电感差、车身大概姿态，分段处理两轮差速问题。当车身位于赛道正中间，两边电感值的差比和为0，两轮速度给定值一样，两边电感值使用归一化处理，处理结果为Middle_Err。 Middle_Err值的范围是(-50,50)之间，当为-5到5之间时，说明此时车身只是微弱偏离中线位置，影响不大，因此只需小幅度调整两轮速度转向。当Middle_Err 为5-50之间时，需要大幅度修正车身，调整两轮差速转向。

具体实施例二：本发明实施例提供的电机经典PID控制算法：经典PID控制是目前比较常用的调节器控制方法，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。我的速度环控制程序中只使用了Kp,Ki。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据快速达到或者保持在参考值。在三轮智能车中，如果开环控制，那么小车在遇见弯道后将很难恢复，可能在不断的抖动，所以我选用的是速度闭环控制。因此智能车中使用编码器作为测速装置，编码器的齿轮每转过单位的角度就发出一个脉冲信号，将所得到的脉冲信号进行计数，作为反馈的值，并且编码器还可以分辨轮子的正反转。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种移动小车循迹控制方法，其特征在于，所述移动小车循迹控制方法包括：

初始化；

采集当前的电感值，在正中间设置的左右水平电感值是1000；

两个电感值进行归一化得到的值在[-1,1]之间；

再进行判断是否大于0或小于0；

在经过模糊运算求出所需要的动态P和动态D；

在将动态P乘以所得到的偏差就得到方向控制量TURN_P；

将动态D乘以陀螺仪的偏差就得到方向控制量TURN_D；

得到总的TURN为TURN_P减去TURN_D为最后方向控制量；

经过算法处理得到方向控制量大小范围在(-1000，1000)里面；

最后将速度环所得到的值与方向值进行处理就得到送给电机的PWM值；

不断地进行如此循环。

2.如权利要求1所述的移动小车循迹控制方法，其特征在于，所述移动小车循迹控制方法具体包括：

1)进行ADC采集初始化，电机驱动初始化，编码器的初始化，还有定时器的初始化，5ms一次中断；

2)定时器的标志位Time进行自动计时，进行判断时间是否达到20ms，如果未达到，将进行下一步；

3)进行小车不同位置ADC采集；

4)进行对采集值的判断，如果两边水平电感值小于100，小车就进行丢线处理，主控芯片给电机输出的PWM值为0；

5)如果Time＝4，进行一次速度控制；

6)Time＝4时，主控芯片把时间计数器Time清0；

7)PWM输出中，速度控制计算的值保存在芯片的RAM中；首先取出速度控制所计算的值，然后进行PWM输出给电机；

8)电机的控制量输出过程中，得到主控芯片所传来的PWM信号给驱动芯片，驱动芯片就送给相应的控制电压给电机，使电机达到相应的运动状态；

9)判断两边水平电感值是否都小于100，如果都小于100就进行丢线处理，否则就将采集到的值进行归一化的处理，归一化是将采集到的数值进行处理，并且得到的结果在-1到1之间；

10)将归一化得到的值进行模糊运算处理，得到动态P和动态D,再乘以给定的放大倍数，得到转向比例量turnp和转向微分量turnd，再把转向比例量turnp减去转向微分量turnd后得到方向控制量；

11)若得到的值大于0，小车所处在的位置靠近赛道的右边，小车将进行左转弯，将所得的左转的数值存入RAM中；

12)取出小车左转所存入的数值，进行PWM输出；

13)判定中，若小车进行右转，将所得的左转的数值存入RAM中；

14)在进行归一化处理同时，程序会保存小车当前的归一化处理的数值，得到小车上次所处位置，完成后，程序回到定时器的标志位Time进行自动计时，连续的判断小车所在的位置，让小车自动的行驶。

3.一种实现权利要求1～2任意一项所述移动小车循迹控制方法的计算机程序。

4.一种实现权利要求1～2任意一项所述移动小车循迹控制方法的信息数据处理终端。

5.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-2任意一项所述的移动小车循迹控制方法。

6.一种实现权利要求1～2任意一项所述移动小车循迹控制方法的移动小车循迹控制系统，其特征在于，所述移动小车循迹控制系统包括稳压电路、分别联结的核心板电路、电磁采集电路、驱动电路、隔离电路；

稳压电路，用于线性稳压器降压；

电磁采集电路，用于运算放大和缓冲驱动；

核心板电路：用于控制输出电压、输出噪声、静态电流、电源关闭状态、过流及过热保护状态；

驱动电路：使用H全桥电路驱动电机正反转并实现调速；

电磁采集电路：用于控制噪声电压指标；

隔离电路：用于隔离运行电路。

7.一种室外无人驾驶车辆，其特征在于，所述室外无人驾驶车辆至少搭载权利要求6所述的移动小车循迹控制系统。