安徽财经大学 安徽蚌埠 233030
摘要：计算机、互联网、自动化、电子芯片等技术快速发展，推动人工智能逐渐走入人们的视野。不仅在理论研究层面，还是实际应用层面，智能化设备越来越多，涉及的领域越来越广泛。无人驾驶软件是全球许多高科技公司致力于开发的，这将会改变人类的生活出行，也必然会改变汽车设计的思路与方案。本文结合计算机与汽车等相关专业知识与技术，研究智能车的设计问题，在智能车设计思路的指导下，从硬件系统和软件系统两方面，阐述智能车设计的要点。本设计以K60单片机为核心控制系统，依仗PID算法完成智能车的自动控制，重点对设计模型进行技术方面的可行性论证。
关键词：智能车；设计思路；设计方案；系统
人工智能是计算机科学的一个分支，虽然人工智能涉及到众多的学科与技术门类，但其核心是“算法”。在计算机技术主导之下，人工智能技术由认知、预测、决策和集成解决方案四个主要模块构成，其中，认知模块是收集信息，预测模块是推理分析，决策模块是做出反应，集成解决方案模块是实施决策，各个模块通过智能化、自动化等紧密联系，依靠硬件、软件的功能作用，实现了整体设计上的人工智能技术应用。
在2019 年上海国际车展上，全球各大车企竭力展示其智能车研发和应用成果，智能车的基本特征都是“无人驾驶”，让车具备自我环境感知、路线规划和驾驶控制，可实现人车交互和车联网，并且具备语音识别、人车会话、统计学习等功能。本文以智能车设计为研究对象，以模型车的基本结构为“躯干”，以硬件方面的传感器为“眼睛”，以软件方面的K60单片机控制系统为“大脑”，从基础理论上论述设计出一款具备智能要素的微型智能车。
1.智能车设计思路
智能车的设计是基于人工智能技术及自动化器件的应用，形成一个智能化的硬件和软件系统。智能车是一个完整的系统，包括遥控及自动驾驶系统的硬件电路[1]、集中控制系统、软件程序系统。智能车系统是在现代信息技术、电子技术和机械技术等不断发展的推动下，刺激了智能车控制系统的快速发展，在整个运行系统中，电机、舵机等控制模块功能是由单片机进行核心控制[2]。
通过发挥核心处理器的作用，完成智能车电源、驱动、数据采集处理和测速等模块的设计与实现，在此基础上提出了基于经典PID路况识别的控制算法。本次设计的整体思路是以K60单机片为核心，软硬件方面由支持车体智能运行的各功能模块组成，形成一个完备的智能车运行系统。
2.智能车设计方案
智能车的车体采用北京科宇通博科技公司的E型模型车（电机型号：RS-380），结构是三轮式模型车，动力系统采用后双后轮电力驱动。对模型车进行智能化设计，即是按照设计思路在各部位搭建硬件系统、软件系统。最终车体的基本结构由七大模块组成，包括K60单片机、电机驱动模块、传感器模块、测速模块、稳压模块、停车检车模块和九轴模块。
2.1 硬件系统
主控制板是个人工操作的平台，包含电机开关、稳压模块、电机驱动模块、传感器模块等，也是重要软件系统的存储空间。模型车体、电机和传感器等组成了车体的主要硬件系统。
（1）K60单片机。是智能车的主控制模块，所有电子信号汇聚于此，通过软件方面的算法控制智能车运行。
（2）电机驱动。是车的动力系统，可实现加速、减速、转向、后退等基本功能。本次设计将电机驱动与主板的电源分开，分别在开关处按照LED灯以做通电指示，电机驱动使用5V电压，核心板使用3.3V电压。电路板的连接点与线路采取安全防范措施设计，并且设置了按钮、OLED显示屏，以实现动态调参和人车交互、数据显示等。
（3）传感器。有检测道路、定位、规避障碍物等功能。电磁传感器是由多重线圈组成的，利用变化磁场和A\D转换产生可视数值，检测智能车在跑道不同位置的电感值，通过左右轮的两个电感值配合而辨别智能车的位置。红外传感器主要是用于规避道路障碍，通过软件算法指挥绕行。
（4）测速。是利用编码器脉冲数和实际前进距离获取车速数据。测速是硬件与软件配合的模块，其中硬件部分有：一是通过实际车速与预设车速比较，以获得要减速或加速的数据；二是，设定车轮与编码器同步转动，测得当前速度。
（5）稳压。用于调节电源发出的电压值，通过芯片控制各模块工作。
（6）停车检车。停车检车模块可执行停车程序。
（7）九轴。九轴模块可在三个维度上检测车的加速度，得出模型车转向、直立时的倾角和水平前进时向两侧方向的偏角。
2.2软件系统
对智能车的调控采用PID算法为软件设计的核心，经典的PID控制算法，实现直道加速、弯道减速的优化，以实现智能车的循迹行驶、测速与避障等功能。在过程控制中利用PID算法，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行动态的、智能化的控制，PID控制器是一种依仗软件支持的自动控制器。PID算法利用反馈系统将反馈值与预设值进行比较，根据偏差值的大小对输入进行调节，达到反馈值与预设值无限接近的目的。在实际应用中，基于PID算法是主要的软件控制系统。
（1）循迹行驶。这一部分的软件设计是控制智能车自动沿着电磁线方向行驶，通过电感采集的数值经过处理后得到稳定值，两个电感值配合可判断智能车的准确位置。两侧电感与左右轮胎的差速成正比，利用PID算法保持智能车的稳定行驶。控制行驶的转向代码：
DError =（float）（ad[3] - ad[0]）/（ad[0]+ad[3]）；
DControlOut=（int）（DError*KP+DError_dot*KD）；
其中，DError是两侧电感的差比和；DControlOut是转向控制变量，其与PWM输出值关联，通过电压占比而改变轮胎转速，以保障智能车按照路线行驶。使用P，D调节KP值影响转向的时机；KD是用于微调，其数值要在试验阶段调整到最优，但不得大于KP值。
（2）测速。智能车的速度受到转向的影响较大，由于前轮没有驱动，测速系统集中安装在后两轮。软件系统测速采用增量式PID算法，检测速度上限，与其他因素结合找到最低速度。转向状态速度控制程序：
LeftPWM =（int32）（Car_SpeedControlOut-DirectionControlOut）；
RighPWM =（int32）（Car_SpeedControlOut+DirectionControlOut）。
其中，PWM可转化为最终输出，应用程序检测行驶速度，并且传输到主控制系统。
（3）避障。智能车要可以实现防撞前后行驶、单车绕圈行驶以及两车在规定区域超车等功能要求。在智能车前部安装红外线传感器，可检测到前方1米距离的障碍物，在遇到路障之后，需要软件系统支持给予调整避让。避障的步骤：检测到路障——向左或右打偏角——车身回正——向道路正前方打偏角——恢复正常循迹行驶。避障系统需要用到车体的陀螺仪检测水平左右加速度，通过计算获得智能车的偏转角度，控制程序如下：
.png)
红外线传感器测得路障时的角度设为0度，即jiaodu=0，然后在行驶中依靠软件计算的jiaodu的正负值，决定智能车避障的方向，其中为了防止撞到路障，智能化控制左右轮速度、两侧电感的差比和（DError）、jiaodu三个参数，可以成功保证智能车避障功能实现。
3. 结束语
本文以E型模型车为机械结构，基于K60单片机为核心设计智能车。智能车分为硬件系统和软件系统两大部分，整体设计方案由7个主要模块组成，其中硬件与软件是有机联系、相互支持的。人工智能技术是计算机科学延伸发展的产物，利用自动化器件、电子信息和计算机软件的控制作用等设备与技术，可以给模型车安上“智慧”的翅膀，以实现其智能化的、安全的、高效率的运行。人工智能技术在汽车产业有巨大的应用前景，通过现代化的科技成果转化，不断创新智能车设计是多领域联动、创新发展的主流方向。
参考文献：
[1]杨景昱，周宇，邱敏.智能车系统的设计[J].消费电子，2013（04）：94
[2]李天全.基于16位单片机MC9S12DG128B智能车系统的设计[J].电子技术与软件工程，2018（11）：254-255
项目名称：自主避障循迹智能汽车的研究与设计（编号：201910378096）