智能車比賽

受教育部高等教育司委托,，高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)負(fù)責(zé)主辦全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽。該項(xiàng)比賽已列入教育部主辦的全國(guó)五大競(jìng)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(huì)統(tǒng)一提供的競(jìng)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(jì),，包括傳感器信號(hào)采集處理、控制算法,、電機(jī)驅(qū)動(dòng),、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等。比賽中智能車需要自主識(shí)別白色地板上的黑色路徑并自主控制轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng),，從而完成沿線自動(dòng)駕駛,。參賽隊(duì)伍之名次由賽車現(xiàn)場(chǎng)成功完成賽道比賽時(shí)間為主。

快速原形

比賽中要求采用Freescale的S12系列單片機(jī),，在用單片機(jī)開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí),，存在效率低，成本高以及開發(fā)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn),，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(jìn)行路徑探測(cè)傳感器,、車速傳感器的信號(hào)采集以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制,。用LabVIEW編寫車輛運(yùn)行控制算法,，將控制算法下載到CompactRIO中進(jìn)行原型試驗(yàn)，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(cè)賽道信息,，轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)當(dāng)前車速，電池電壓監(jiān)測(cè)電路監(jiān)測(cè)電池電壓，并將這些信息輸入控制器進(jìn)行處理,。通過控制算法來對(duì)車輛當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷,，并輸出控制信號(hào)" title="控制信號(hào)">控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)加減速的控制，從而完成車輛的沿線自動(dòng)駕駛,。

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圖1智能車的工作模式圖

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

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

平臺(tái)硬件構(gòu)成

本平臺(tái)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(cè)傳感器、光電碼盤電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)遙控后驅(qū)模型賽車的底盤，紅外光電路經(jīng)探測(cè)傳感器采用了15對(duì)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(yùn)動(dòng),，需要檢測(cè)車輛的運(yùn)動(dòng)速度,。轉(zhuǎn)速傳感器用來檢測(cè)車速。受車模機(jī)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(duì)射型光電傳感器方案,。在電機(jī)輸出軸上加一齒盤,，電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。將對(duì)射光偶發(fā)光和接受管放在碼盤兩側(cè)，碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，由于碼盤上的齒經(jīng)過發(fā)光管發(fā)出的光線時(shí),，會(huì)阻礙光線傳播。所以接收管兩端的電阻會(huì)有很大的變化,，這樣,，在電路中，采樣電阻兩端的電壓就會(huì)有很大的變化,。用處理器采集電壓脈沖單位時(shí)間內(nèi)的個(gè)數(shù),，就會(huì)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而獲得車速,。

CompactRIO嵌入式控制器

實(shí)時(shí)嵌入式控制器采用CompactRIO-9004,，而4個(gè)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(jī)進(jìn)行通訊,，從而將控制程序進(jìn)行編譯或下載，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行,。此外,，還可以通過網(wǎng)線或串口線將試驗(yàn)過程中一些數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中，進(jìn)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(hào)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(dòng)電機(jī)PWM控制信號(hào)，1路作為舵機(jī)PWM控制信號(hào),。

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

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

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圖2 cRIO潛入式系統(tǒng)組成圖

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（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(yùn)行控制算法

用圖形化編程軟件LabVIEW編寫了車輛運(yùn)行控制算法,。控制算法為基于狀態(tài)的反饋控制,，流程如下圖所示：

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圖3 智能車控制算法簡(jiǎn)圖

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（圖解）初始化之后是一個(gè)基于狀態(tài)的反饋控制,，控制算法通過對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理,，控制執(zhí)行器動(dòng)作，不斷減小實(shí)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(yùn)動(dòng)的名義狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài),，比較名義狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)的差,，通過PID調(diào)節(jié)減小這個(gè)差值，然后通過輸出端口給出控制信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行控制,，從而實(shí)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(yùn)行在FPGA上,，部分程序運(yùn)行在CompactRIO上,。比如對(duì)傳感器信號(hào)的讀取、電機(jī)和舵機(jī)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(yùn)行的。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存與分析

由于CompactRIO有較大的存儲(chǔ)空間,，可以對(duì)車輛運(yùn)行過程中所有參量進(jìn)行完全的保存,，在車輛停止后，可以用網(wǎng)線將所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī),，便于進(jìn)行分析,。通過同步分析整車狀態(tài)參數(shù)和控制信號(hào)，可以對(duì)控制算法進(jìn)行分析,，從而有針對(duì)性地改進(jìn)控制算法,，在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)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(jī)中,，實(shí)現(xiàn)實(shí)車的開發(fā),。

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圖4 數(shù)據(jù)分析界面

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（圖解）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī),，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(shí)刻的目標(biāo)參量和實(shí)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(shí)際參量,。并且可以通過設(shè)定時(shí)間軸的坐標(biāo)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)來詳細(xì)觀察很短的時(shí)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(shí)現(xiàn)了智能車的快速原形,。用LabVIEW編寫了控制算法,，對(duì)智能車自動(dòng)控制算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化,，極大提高智能車的開發(fā)效率。在2006年的全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽中,，我們團(tuán)隊(duì)在112支參賽隊(duì)中獲得全國(guó)第一名的好成績(jī),，2007年的此比賽中，我們?cè)谌珖?guó)300多支參賽隊(duì)中獲得第六名的好成績(jī),。這些成績(jī)的取得,，和我們采用了快速原形開發(fā)平臺(tái)是密不可分的。