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基于高性能处理器的电磁越野智能车设计与实现

发表时间：2020/11/30 来源：《基层建设》2020年第22期作者：黄婉琪郭沛瑶徐婷闵文杰韩仁杰

[导读] 摘要：人工智能是计算机科学与技术的重要分支，近年来其应用价值日渐显露，其中包括支持智能车设计和无人驾驶的实现。

        安徽财经大学管理科学与工程学院安徽蚌埠 233030
        摘要：人工智能是计算机科学与技术的重要分支，近年来其应用价值日渐显露，其中包括支持智能车设计和无人驾驶的实现。本文研究基于高性能处理器的电磁越野智能车设计与实现，首先阐述设计思路；然后基于车模进行硬件设计；最后进行软件设计。以求让越野智能车在线路上实现多种模式的智能化运行。希望通过本次研究，让我们对智能车的硬件结构及软件系统更加熟悉，进而对于未来无人驾驶以及野外勘探、科考等有更广泛的应用。
        关键词：处理器；电磁传感器；越野智能车；PID算法
        智能车设计内容涵盖控制、模式识别、计算机、传感、汽车、电子、电气等多个学科的知识，有助于推动知识、技术与创新实践融合。截止2020年“全国大学生智能汽车竞赛”已举办15届，有数百所高校组织师生参与，在产学研领域产生了巨大影响。近年来，无人驾驶在提高高速公路、缓解交通拥堵、减少空气污染等方面将有颠覆性的改变，而在野外环境中，障碍物检测是一项复杂任务，涉及多种障碍物、传感器特性和环境条件，需要相关专业针对性的不断开发多传感器融合方法和系统集成。
        一、基于高性能处理器的电磁越野智能车的设计思路
        （一）电磁传感器
        各类磁场传感器的设计原理是利用物质与磁场之间的物理效应，其中被普遍应用于智能车设计的是电磁感应效应来检测磁场。电磁感应现象同样遵循自然界的普遍规律——能的转化守恒定律，因此，在设计的智能车及运行线路上，通过电能转换来驱动和控制智能车是可行的。另外，对于电磁传感器的差值可采用内置陀螺仪来辅助控制和辨别路况。
        （二）计算机处理器
        计算机处理器是实现智能车正常运行的关键要素，单机片、电路及PID算法是智能车处理器的主体。单机片将电磁传感器在道路上采集的磁信号转化为电信号传递给处理器，使得小车具备稳定运行和准确识别路径的多种功能。并通过编码器采集到的当前速度与期望速度进行比较，转化为PWM信号传递给电机以实现反馈调节速度的机制，并在此基础上通过PID算法调节参数值，使得智能车的科技含量有所提高，应用价值获得扩展。
        （三）设计的整体框架
        本次设计将32位微控制器MK66FX1MOVLQ18单片机作为核心控制单元，它的指令处理速度稳定在180MHZ，同时它拥有20路PWM信号可用来控制舵机完成转向和电机完成速度控制。通过硬件和软件相结合优化设计，使得智能车能够在识别路径、速度控制、平稳度等方面表现出更加良好的性能。本次设计的电磁越野智能车的主要模块如图1所示。

                图1：电磁越野智能车整体框架
        二、基于高性能处理器的电磁越野智能车的设计
        （一）车体设计
        本次设计选用“恩智浦”三轮模型赛车，采用双后轮驱动方案。车体重心设计是保障稳定、安全运行的关键，因此在重心位置和高度两方面进行合理设计。电路板、电池、陀螺仪、加速度计等配件围绕着两个后轮之间上部的前后位置安装，利用两个驱动轮作为支撑点。因考虑到野外路面崎岖复杂的因素，重心高度适中，比一般赛车设计略高。
        （1）主控制板模块。设计使用的32位微控制器MK66单片机，是智能车的“大脑”，是主控制板的核心构件，它能接收和处理所有信号，结合电感数字变换传感器和PID控制算法，来保障智能车运行。MK66单片机带有可选择的单精度浮点处理单元、NAND闪存控制单元和DRAM控制器，是高性能、高容量的主系统，是电磁越野车设计和功能实现的主体。此外，主控板设计使用OLED显示屏，可直观显示所需要检测的数据，可实现人机交互。
        （2）传感器模块。各类传感器是智能车的“眼睛”，根据法拉第电磁感应定理，采用10MH电感设计，其由电磁感应、选频、放大和检波构成，可将采集的信号及时传输到主板系统，以保障各种功能实现。另外，红外线传感器、灰度传感器、电感数字变换传感器、微型摄像头等，也是越野智能车的选择构件。
        （3）电机模块。电机是智能车的驱动，车体的后两轮各安装一台电机，设计为直流电机和伺服电机，以对后轮的转速控制，实现加速、减速和转向等功能。每个电机接两个驱动芯片，共采用四个集成电机驱动芯片，使用BTN7971B芯片，其稳定性好，抗干扰能力强，符合越野智能车电机驱动的要求。
        （4）速度和图像采集模块。速度采集模块即测速器件，设计使用编码器，通过编码器脉冲数和实际前进距离便得到能够描述车速的数据。另外，设计图像采集子模块，利用在车体安装微型摄像头和内置的图像传感器。
        （5）舵机模块。即舵机驱动，是根据测得的复杂道路状况而对各种参数进行调整的器件，设计用FXAS21002小型、低能耗三轴数字陀螺仪，其带有16位ADC分辨率，且灵敏度较高。舵机控制是应对野外复杂道路的关键模块，如在上下坡道路中，利用陀螺仪获取小车的角速度，利用加速度计获取小车的加速度，通过对比两个传感器的数据以实现小车的姿态检测。
        （6）调试模块。设计使用无线蓝牙将收集的数据联机分析与调试，对不合理的环节进行修正，如当智能车在线路上试验达不到设计要求时，进行再次调试。
        （二）电源设计
        电磁越野智能车是主要基于电磁导航，因而要设计线路电源。在线路上，设计大小为50-100mA、频率为20±2kHz的交流信号源。电源电路包括：（1）振荡电路，支持产生中心频率20kHz的对称方波信号，使用定时器电路产生振荡信号。（2）功率输出电路，选择较大输出功率的电源驱动，可满足野外环境中电压、电流和信号频率的需求，采用芯片来驱动可保障电路稳定。（3）恒流控制，设定为100mA，利用晶体管控制放大区集电极的恒流特性。（4）电源，设计使用12V和5V电源电路，可用接民用电源，采用电压转换器获得。
        主控板是一块PCB，包括核心板、5V稳压、7.2V稳压、电机驱动、开关模块、按键控制模块和OLED显示屏等。合理设计车载电池与电源管理模块，才能为系统的控制器、传感器、舵机、电机等提供稳定的电源。在设计中，要考虑电压和电流等基本参数，由于各器件的电压各不相同，要设计合理的电路和开关，单机片、控制器、测速模块等选定5V电压；舵机和电机采用7.2V电压。
        三、基于高性能处理器的电磁越野智能车的功能实现
        MK66单片机是一款高性能主控制器，也是本次设计选用的核心控制器，其他设计围绕着与单机片相契合，其中以PID算法为核心，其贯穿电磁越野智能车运行的主要过程。
        （一）PID算法
        PID算法按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行动态控制的自动控制器，其具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立和参数的选定比较简单等优点。智能车的在经过初始化和参数设定之后，需要依靠PID算法。
        （二）路况识别
        准确、及时道路信息采集与处理识别路况信息，是电磁越野智能车功能实现的保障。利用车体内置的图像采集模块，单机片将新采集的数据与阈值比较，再对结果相应处理。当智能车遇到断路、陡坡或坑洼路段时，灰度传感器将信号发送到单片机上，迅速发出状态切换指令，智能车选择通过“变形”、“直立”、“速控”等方案来解决。
        （三）循迹
        电感数字变换可控制智能车运行，通过电感多次采集的数值用滑动平均滤波处理后可获得稳定值，进而根据两端电感值判断智能车在线路上的位置，根据两侧电感差来判断两轮的速差。当中间线圈的Y值大于金属轨道的阈值，左右轮转速相同，可实现自动循迹。首先设定转向代码，经过PID算法处理，再改变加到电机驱动上的电压占空比来控制左右轮转速，以保持智能车直行和转向的稳定性。
        （四）转弯
        运用电机控制和舵机控制程序设计，可提高智能车转弯功能实现。单片机每隔1ms通过SPI采集传感器的数据，单片机每隔10ms启用模拟开关轮流切换机制，实现3个PCB线圈的轮流切换。通过改变左右轮阈值可实现加速与转弯，如当右边线圈的Y值大于金属轨道的阈值，则左轮加速，向右转弯[6]；相反操作，则右轮加速，向左转弯。切弯路径是决定智能车选择内道或外道过弯，需要考虑的主要因素是速度、路况和车体稳定性。
        （五）速控
        由于之前的道路信息不起作用，因此将PID控制简化成PD控制，采用增量式PID控制。应用控制理论的试凑法进行闭环试验，观察系统的响应曲线，反复试凑参数，确定PID控制参数。利用比例调节（P）迅速调节比例反应系统的偏差；积分调节（I）是使系统消除稳态误差，在此一环节可把输出设置为常值；微分调节（D）表达系统偏差信号的变化率，用来预见偏差变化趋势，实现智能化的超前控制，改善智能车在野外复杂路况下高效运行。
        （六）避障
        避障的基本程序：检测路障--向左或向右打偏角--车身回正--向线路方向打偏角--正常循迹行驶。红外传感器是模型车检测路障的主要方法，可检测到前方1米之外的障碍物。使用陀螺仪检测水平左右加速度，积分后得车模相对此前角度的偏转角度。路况、车速和转弯角度等是避障策略的重要影响因素，为了保持车体转向的稳定性和及时性，要同时调整两个以上的参数。
        四、总结
        本文探讨基于高性能处理器的电磁越野智能车设计与功能实现，即以MK66单片机作为核心控制单元来设计主控制板。电磁传感器原理和计算机软件PID算法是两个关键条件，分别处于“眼睛”和“大脑”的地位。同时，车体和电路的合理设计是基础条件，都要考虑到野外环境的复杂性。可以预见，随着智能车软硬件技术的进步和相关先进设备的开发，小型越野智能车在勘探、科考等领域的应用价值必将进一步显露和实现。
        参考文献：
        [1]陈梦婷，杨子义.基于KEA128单片机的电磁智能车设计与实现[J].贵阳学院学报：自然科学版，2019（01）：52-54
        [2]高凤强，董坤煌，周牡丹，郭一晶.基于电感数字变换传感器的智能小车自动循迹系统[J].工程设计学报，2018（02）：216-222
        [3]张三慧主编.大学物理学：电磁学（第三版）[M].清华大学出版社，2008
        [4]楼超恺，刘公致，陈龙，王昊宇，熊嫣如.基于K66单片机的智能环保清洁车模型设计[J].电子制作，2020（09）：14-17
        基金项目：
        项目名称：基于高性能处理器的电磁越野智能车设计与实现（项目编号：S201910378375；指导老师：徐勇）。