硬件實(shí)現(xiàn)原理

　　按照競(jìng)賽的某些規(guī)定，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的硬件原理框圖。紅外傳感器采用一排13對(duì)紅外發(fā)射接收管，利用其接收的電平大小經(jīng)過(guò)MCU的ADC后由MCU判斷當(dāng)前黑線(xiàn)所處的位置，為了降低功耗，系統(tǒng)中還增加了MOS開(kāi)關(guān)管，當(dāng)檢測(cè)某紅外傳感器時(shí)該傳感器供電打開(kāi)，其余的則關(guān)閉。賽道中具有十字交叉路口，同時(shí)必須判斷起始（即終止線(xiàn)）,因此智能車(chē)預(yù)先可以配置當(dāng)前賽道的總的十字交叉?zhèn)€數(shù)，同時(shí)通過(guò)軟件算法可以判斷出是否經(jīng)過(guò)世紀(jì)交叉口（起始終止線(xiàn)可以作為一個(gè)十字交叉線(xiàn)）。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照紅外傳感器采集的信息可以判斷出當(dāng)前引導(dǎo)線(xiàn)的位置，即在小車(chē)的左邊、中間或右邊，偏離多少，MCU據(jù)此以及由Hall測(cè)速傳感器獲知的當(dāng)前小車(chē)的速度確定小車(chē)當(dāng)前的行為，主要控制舵機(jī)即小車(chē)的方向和電機(jī)即小車(chē)的速度。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　軟件控制算法

　　系統(tǒng)軟件控制主要包括兩部分，也即記憶算法的兩個(gè)過(guò)程，從行駛過(guò)程中看即第一圈和第二圈，其流程框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件控制流程圖

　　初圈的控制和記憶

　　智能車(chē)在行使第一圈時(shí)的主要目的就是記憶賽道信息特征，并進(jìn)行一定的處理。按常規(guī)方法小車(chē)需要?jiǎng)蛩傩旭?，以便在固定的時(shí)間間隔或固定的路程間隔記憶相關(guān)的道路信息。數(shù)據(jù)記憶時(shí)，采用了12個(gè)磁鋼的霍爾傳感器，車(chē)輪轉(zhuǎn)一圈得到12個(gè)計(jì)數(shù)，即使在速度很快的情況下響應(yīng)時(shí)間也是us級(jí)的，精度足夠滿(mǎn)足要求。

　在非勻速的條件下，采用了新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。首先對(duì)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行彎直的判斷，根據(jù)迷糊控制得到的舵機(jī)的轉(zhuǎn)角值c_ang，判斷得到當(dāng)前車(chē)的彎直情況。同時(shí)由于車(chē)是非勻速行駛的，而第二圈所行駛的時(shí)間間隔和路程間隔也并不一定和第一圈完全相同，因此只判斷彎直情況，在彎道時(shí)，記憶每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的轉(zhuǎn)角值，而直道時(shí)，既沒(méi)必要存儲(chǔ)轉(zhuǎn)角，又可節(jié)省大量存儲(chǔ)空間，因此對(duì)于直道時(shí)只記憶直道的起點(diǎn)和終點(diǎn)路程，而該路程是小車(chē)相對(duì)于起始點(diǎn)的絕對(duì)路程，也即霍爾傳感器檢測(cè)到的磁鋼的個(gè)數(shù)ect_cnt。

　　系統(tǒng)按照前一狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)的不同情況分別進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其算法如下：當(dāng)前一狀態(tài)是彎道，現(xiàn)狀態(tài)是直道時(shí)，即彎直態(tài)，則寫(xiě)入0x7f，ect_cnt，其中ect_cnt是當(dāng)前的路徑計(jì)數(shù)；當(dāng)直直態(tài)時(shí)，不存儲(chǔ)；當(dāng)直彎時(shí)，寫(xiě)入當(dāng)前的ect_cnt，0x7f，當(dāng)前的c_ang；當(dāng)彎彎時(shí)，寫(xiě)入c_ang。系統(tǒng)初始化時(shí)為彎道，則開(kāi)始行駛后，進(jìn)入起跑線(xiàn)，此時(shí)檢測(cè)到是直道，進(jìn)入彎直狀態(tài)，寫(xiě)入0x47和當(dāng)前的ect_cnt，這就是道路的起始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)的分析及處理

　　第二圈過(guò)起跑線(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)配置成進(jìn)入彎直狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)該根據(jù)第一圈記錄的數(shù)據(jù)算出直道的長(zhǎng)度，這樣車(chē)在直線(xiàn)上就可以以很高的速度行使，并且能夠提前減速，安全進(jìn)彎，達(dá)到很好的控制效果。

　　在由直線(xiàn)進(jìn)彎時(shí)，如果在彎道中出現(xiàn)直道，并且計(jì)算出其長(zhǎng)度小于某一值的時(shí)候，認(rèn)為是過(guò)彎過(guò)程中出現(xiàn)的小范圍的直線(xiàn)，仍按照彎道處理。本算法的核心也在于如何過(guò)濾彎道中出現(xiàn)的直道，以及從分析不同的彎道形式。把彎道分成以下幾類(lèi)：

　?。╝） 急彎：這里所說(shuō)的急彎也就是競(jìng)賽規(guī)定的曲率最小的彎。在急彎時(shí)，轉(zhuǎn)角的個(gè)數(shù)相對(duì)較少，轉(zhuǎn)角值相對(duì)較大，并且在正常情況下所有的都是同向的。

　?。╞）圓形彎道：相比于其他幾種賽道元素，圓形賽道的識(shí)別比較簡(jiǎn)單，當(dāng)同一個(gè)方向的轉(zhuǎn)角大于某一個(gè)數(shù)值時(shí)，并且中間過(guò)程中沒(méi)有換向發(fā)生，便可以認(rèn)為小車(chē)進(jìn)入了圓形賽道。因?yàn)樵诮嵌鹊目刂粕?，本系統(tǒng)采用了模糊控制，車(chē)在進(jìn)彎時(shí)能夠迅速調(diào)整角度，并以一個(gè)恒定的角度過(guò)彎，以上的數(shù)據(jù)是驗(yàn)證了這一結(jié)果。

　?。╟）小S彎：小S彎的特點(diǎn)是：在過(guò)彎的整個(gè)過(guò)程中既有左轉(zhuǎn)又有右轉(zhuǎn)的，并且左轉(zhuǎn)角度的個(gè)數(shù)和右轉(zhuǎn)角度的個(gè)數(shù)都應(yīng)該大于某一個(gè)值。此外，單次左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的角度的個(gè)數(shù)小于某一個(gè)值?？紤]到小S的前后可能會(huì)接著其他彎道，本系統(tǒng)在第一個(gè)換向點(diǎn)之前，按照其彎道行走，在換向點(diǎn)之后采取小S的行走策略，在最后一個(gè)換向點(diǎn)之前結(jié)束。

　?。╠）大S彎：大S相比小S而言，其賽道特征是相似的，只是判斷的標(biāo)準(zhǔn)稍有不同。首先，大S之間有較長(zhǎng)距離的直道，必須加大直道的判斷范圍才能將其過(guò)濾掉。其次，單次左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的角度的個(gè)數(shù)應(yīng)該大于小S的個(gè)數(shù)。

　　針對(duì)以上賽道分析，系統(tǒng)首先分辨下一步的賽道元素，然后按照行駛策略，將第二圈的行駛速度及方向進(jìn)行控制。其主要思想為：

　?。╝）直道行駛：將直道分為短直道和長(zhǎng)直道，短直道就做一般加速處理；長(zhǎng)直道在起始處全力加速，末端進(jìn)行線(xiàn)型減速，也即將速度分成高速，中速，低速，從高到中再到低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直接從高速轉(zhuǎn)為低速時(shí)，小車(chē)在過(guò)彎時(shí)不穩(wěn)，容易測(cè)滑，不僅影響速度，啟動(dòng)也慢。采用線(xiàn)型減速后過(guò)彎流暢，能達(dá)到很好的效果。這樣就避免了由于車(chē)本身的某些局限性，如舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間、賽道摩擦系數(shù)、輪胎抓地力、傳感器布局等因素的影響所造成的直線(xiàn)速度不能加到最高的缺點(diǎn)。

　?。╞）對(duì)于小S，理想的情況下是實(shí)現(xiàn)同CCD同樣的效果，采取高速直線(xiàn)過(guò)彎的策略。為了安全起見(jiàn)也可以采用滯后過(guò)彎的策略，讓智能車(chē)采取較小的轉(zhuǎn)角高速過(guò)彎。

　?。╟）對(duì)于大S賽道，不同的曲率彎道，小車(chē)有它最佳極限速度存在。利用初圈得到彎道的曲率半徑以及S道之間直線(xiàn)的長(zhǎng)度，在過(guò)各彎道時(shí)將車(chē)速調(diào)至它相應(yīng)的極限速度，從理論上就是它所能跑出的最優(yōu)成績(jī)了。

　?。╠）對(duì)于圓形彎道，需要在彎道的曲率和過(guò)彎的速度之間做一個(gè)權(quán)衡。當(dāng)行駛的曲率較大時(shí)，那么車(chē)可以以較高的速度行駛，當(dāng)走內(nèi)圈時(shí)，由于半徑的減少，離心力的增大，就不能以較高的速度行駛，但是可以找到兩者之間的平衡點(diǎn)。