智能車比賽

受教育部高等教育司委托，高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會負(fù)責(zé)主辦全國大學(xué)生智能車競賽。該項比賽已列入教育部主辦的全國五大競賽之一，于2006年舉辦了第一屆比賽。參賽選手使用大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模，采用飛思卡爾16位微控制器MC9S12DG128 作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計，包括傳感器信號采集處理、控制算法、電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機控制等。比賽中智能車需要自主識別白色地板上的黑色路徑并自主控制轉(zhuǎn)向和驅(qū)動，從而完成沿線自動駕駛。參賽隊伍之名次由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時間為主。

快速原形

比賽中要求采用Freescale的S12系列單片機，在用單片機開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時，存在效率低，成本高以及開發(fā)周期長等缺點，為此我們決定采用快速原型的開發(fā)方法，以一輛樣車為載體，將智能車原有的控制核心替換為NI公司的CompactRIO，并通過各種I/O模塊進行路徑探測傳感器、車速傳感器的信號采集以及驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向舵機的運動控制。用LabVIEW編寫車輛運行控制算法，將控制算法下載到CompactRIO中進行原型試驗，取得最優(yōu)結(jié)果后再移植到S12芯片中。

智能車的工作模式如圖所示：紅外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)測電路監(jiān)測電池電壓，并將這些信息輸入控制器進行處理。通過控制算法來對車輛當(dāng)前狀態(tài)進行判斷，并輸出控制信號" title="控制信號">控制信號實現(xiàn)對舵機轉(zhuǎn)向和電機加減速的控制，從而完成車輛的沿線自動駕駛。

?

?

?

圖1智能車的工作模式圖

?

（圖解）傳感器檢測量為賽道信息、當(dāng)前車速和電池電壓，控制器對這些信息輸入進行處理，輸出控制信號控制轉(zhuǎn)向和驅(qū)動，從而實現(xiàn)車輛的沿線自動駕駛。

用CompactRIO作為控制器搭建的嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)智能車的快速原形。CompactRIO的4個I/O模塊用于采集智能車傳感器信號以及控制驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向舵機等執(zhí)行器。此外，還配有控制開關(guān)單元來進行人機交互，數(shù)碼管實時顯示賽車信息，并可在試驗結(jié)束后將所需要的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳到上位機" title="上位機">上位機中，從而可以對控制算法進行分析，優(yōu)化控制策略。

平臺硬件構(gòu)成

本平臺的硬件部分主要由5部分組成，分別為：模型車底盤、紅外光電路經(jīng)探測傳感器、光電碼盤電機轉(zhuǎn)速傳感器、電機驅(qū)動及供電母板、CompactRIO嵌入式控制器。

其中，所采用的智能車底盤是奧奇1/10全數(shù)字比例電動遙控后驅(qū)模型賽車的底盤，紅外光電路經(jīng)探測傳感器采用了15對紅外發(fā)光接收管，采用紅外光電管是為了減小可見光的影響，提高系統(tǒng)魯棒性。

為精確控制智能車的運動，需要檢測車輛的運動速度。轉(zhuǎn)速傳感器用來檢測車速。受車模機械結(jié)構(gòu)的限制，須采用體積小、重量輕的速度傳感器，本車采用的是對射型光電傳感器方案。在電機輸出軸上加一齒盤，電機輸出軸的轉(zhuǎn)動帶動齒盤的轉(zhuǎn)動。將對射光偶發(fā)光和接受管放在碼盤兩側(cè)，碼盤轉(zhuǎn)動時，由于碼盤上的齒經(jīng)過發(fā)光管發(fā)出的光線時，會阻礙光線傳播。所以接收管兩端的電阻會有很大的變化，這樣，在電路中，采樣電阻兩端的電壓就會有很大的變化。用處理器采集電壓脈沖單位時間內(nèi)的個數(shù)，就會獲得電機轉(zhuǎn)速，從而獲得車速。

CompactRIO嵌入式控制器

實時嵌入式控制器采用CompactRIO-9004，而4個I/O模塊槽采用NI-9205、NI-9263、NI-9421以及NI-9472，分別控制模擬量輸入輸出以及數(shù)字量輸入輸出，其具體功能如下：

CompactRIO-9004：控制器，主要通過TCP/IP協(xié)議與上位機進行通訊，從而將控制程序進行編譯或下載，在實時系統(tǒng)中運行。此外，還可以通過網(wǎng)線或串口線將試驗過程中一些數(shù)據(jù)上傳到上位機中，進行分析和處理。

NI-9205：32路模擬量輸入，其中15路作為光電傳感器的信號輸入，1路作為車速傳感器輸入。

NI-9263：4路模擬量輸出，1路作為驅(qū)動電機PWM控制信號，1路作為舵機PWM控制信號。

NI-9421：8路數(shù)字量輸入，作為各個控制開關(guān)量的檢測。

NI-9472：8路數(shù)字量輸出，作為數(shù)碼管顯示控制信號。

?

?

圖2 cRIO潛入式系統(tǒng)組成圖

?

（圖解）由cRIO所搭建的嵌入式系統(tǒng)的組成，包括模擬量的輸入輸出和數(shù)字量的輸入輸出。

車輛運行控制算法

用圖形化編程軟件LabVIEW編寫了車輛運行控制算法?？刂扑惴榛跔顟B(tài)的反饋控制，流程如下圖所示：

?

?

圖3 智能車控制算法簡圖

?

（圖解）初始化之后是一個基于狀態(tài)的反饋控制，控制算法通過對傳感器信號進行處理，控制執(zhí)行器動作，不斷減小實際狀態(tài)和名義狀態(tài)之間的誤差。

首先是相關(guān)參數(shù)的初始化，然后通過輸入端口采集道路信息和車速信息，根據(jù)控制策略得出車輛運動的名義狀態(tài)和實際狀態(tài)，比較名義狀態(tài)和實際狀態(tài)的差，通過PID調(diào)節(jié)減小這個差值，然后通過輸出端口給出控制信號對驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向舵機進行控制，從而實現(xiàn)車輛行駛過程中的閉環(huán)控制。

為充分發(fā)揮控制器性能，控制算法中部分程序運行在FPGA上，部分程序運行在CompactRIO上。比如對傳感器信號的讀取、電機和舵機的輸出控制都是在FPGA上完成的。而PID調(diào)節(jié)、控制策略得到的名義狀態(tài)就是在CompactRIO上運行的。

實驗數(shù)據(jù)保存與分析

由于CompactRIO有較大的存儲空間，可以對車輛運行過程中所有參量進行完全的保存，在車輛停止后，可以用網(wǎng)線將所存儲的數(shù)據(jù)上傳到上位機，便于進行分析。通過同步分析整車狀態(tài)參數(shù)和控制信號，可以對控制算法進行分析，從而有針對性地改進控制算法，在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)控制算法的優(yōu)化。最后再將優(yōu)化之后的控制算法移植到單片機中，實現(xiàn)實車的開發(fā)。

?

?

圖4 數(shù)據(jù)分析界面

?

（圖解）實驗結(jié)束后，將實驗數(shù)據(jù)上傳到上位機，用調(diào)試軟件的數(shù)據(jù)分析模塊可以精細(xì)觀察任何時刻的目標(biāo)參量和實際狀態(tài)參量，這樣就為優(yōu)化控制算法提供了便利。如上圖中，上兩幅波形圖中的紅色曲線為目標(biāo)參量，黃色曲線為實際參量。并且可以通過設(shè)定時間軸的坐標(biāo)起始點和終止點來詳細(xì)觀察很短的時間段內(nèi)的參量變化情況。

結(jié)論

??? 我們采用了NI公司 CompactRIO作為控制核心搭建了嵌入式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能車的快速原形。用LabVIEW編寫了控制算法，對智能車自動控制算法進行了設(shè)計和優(yōu)化，極大提高智能車的開發(fā)效率。在2006年的全國大學(xué)生智能汽車邀請賽中，我們團隊在112支參賽隊中獲得全國第一名的好成績，2007年的此比賽中，我們在全國300多支參賽隊中獲得第六名的好成績。這些成績的取得，和我們采用了快速原形開發(fā)平臺是密不可分的。