焦張賓

【摘? 要】汽車自動駕駛是近年來科技領域研究的熱點之一，智能小車也成為人們重要研究的方向。本系統(tǒng)設計了一款以MK66為微型控制器的智能行徑小車。智能小車能按照路徑預先鋪設的電磁軌道，運用車身上安裝的多個傳感器進行數(shù)據采集，實現(xiàn)四輪小車的自動駕駛。

本系統(tǒng)數(shù)據采集部分主要通過成組電感元件檢測鋪設于四輪電動小車行進路徑上傳輸?shù)慕蛔冸娦盘?，將不同電感元件的電磁感應強度信號進行模數(shù)轉換，分析小車偏離主道中心線的誤差值，提出修正偏差值的算法，運用PWM技術控制伺服電機以修正方向偏差，控制直流電機轉速與之配合，并利用PID技術保證小車航向控制的平滑與穩(wěn)定。在小車行進控制中，必要時輔以攝像頭檢測行進路徑，并根據視覺檢測結果對伺服電機和直流電機控制提供參考。

【關鍵詞】智能小車 行徑控制 電感元件

一、概述

汽車自動駕駛是人類長期以來的夢想，這個夢想正在逐步成為現(xiàn)實，已經成為現(xiàn)在工程應用領域的研究熱點，并且取得了許多不錯的進展。自動駕駛技術又被稱為無人駕駛技術，汽車自動駕駛無需人對汽車進行操控的情況下自動安全的駕駛，實現(xiàn)汽車自動停車、行駛、避讓行人和障礙物等動作。根據現(xiàn)代智能化水平不斷的提高，汽車無人駕駛更加滿足現(xiàn)在人們的需求。相比傳統(tǒng)人為駕駛，自動駕駛技術有更加智能化、方便、準確等優(yōu)點。為了滿足人們生活的需求，汽車自動駕駛將會設計得更加實用和智能化。

使汽車沿規(guī)定的路線行駛，是自動駕駛技術研究的初步。根據參加“恩智浦”競賽的體驗，為了簡化研究，可以采用電磁感應路徑檢測和視頻路徑檢測兩種方法。根據復雜多變的道路情況和各種不可預測的外部因素，都會或多或少的影響自動駕駛的實用性和可靠性。自動駕駛的設計包括了硬件部分和軟件部分組成，智能小車可根據地面預先鋪設的電磁線，通過傳感器接收到的電磁信號自動感知方向，并根據傳感器接收到的情況分析處理障礙物等外部因素，實現(xiàn)智能的避讓道路上的障礙物。

自動駕駛技術使得人們的生活更加的便捷，在智能化的時代各種智能技術也滿足了人們的需求，改變了人們出行的方式，道路的擁堵問題也得到一定的改善。汽車的自動化技術必將成為未來發(fā)展的趨勢。

二、國內外研究發(fā)展現(xiàn)狀

（一）背景

隨著汽車發(fā)展技術的不斷提高，汽車保有量的增加和新技術的融合，人們對于汽車的性能、安全、穩(wěn)定、外觀等要求越來越高。傳統(tǒng)的汽車已經不能滿足現(xiàn)在人們的需求，智能汽車的出現(xiàn)掀起了新的熱潮。智能汽車相當于是一個可移動的機器人，它擁有一個智能的大腦（CPU）可以分析處理信息，各類傳感器類似于人們的眼睛，感知和收集周圍所有的環(huán)境信息傳遞給CPU。汽車能通過復雜的算法讓汽車能在道路上安全、穩(wěn)定的自動駕駛，無需人為的操控。

但在目前來說汽車無人駕駛技術還不夠成熟，很多公司還在測試和改進中，人們最擔心的是安全隱患。因為城市道路環(huán)境復雜和車流量大等因素，要想汽車自動駕駛比人為操作更精準和安全，還有一些困難。

現(xiàn)在，一輛自動駕駛汽車的成本太高，進行改裝的車輛不多，汽車安全測試數(shù)據還不夠穩(wěn)定。

（二）國內發(fā)展現(xiàn)狀

汽車自動化駕駛的趨勢已經逐漸引起全球的重視，中國也在加大汽車自動駕駛發(fā)展的支持力度。自動駕駛技術需要人定位系統(tǒng)技術、工智能技術和自動化技術等眾多技術于一體。早在20世紀80年代時我國就有自動駕駛技術相關的試驗。而為了促進我國的自動駕駛技術的發(fā)展和交流，2009年科學基金委員會舉辦了“中國智能車未來挑戰(zhàn)賽”，之后陸續(xù)有相關的智能車大賽的舉辦活動，以便促進和改善自動駕駛的相關技術。

我國主要的研發(fā)機構有汽車廠、研究所、新型創(chuàng)業(yè)公司和高校，例如2002年在國防科技大學成功研制的紅旗CA7460。紅旗CA7460最高時速可高達110千米每小時，在正常的高速公路上，可根據道路上的實際情況自動變換車道，躲避前方的車輛。

我國現(xiàn)在幾乎每一家汽車企業(yè)都在研究自動駕駛技術，國內的長安集團、百度公司，也有大量初創(chuàng)企業(yè)加入自動駕駛領域。不少相關的專家對汽車自動駕駛做出了巨大的努力和貢獻，同時也申請了汽車自動駕駛方面相關的產品專利。騰訊在2016年下半年成立自動駕駛實驗室，依托360度環(huán)視、高精度地圖、點云信息處理以及融合定位等方面技術積累，聚焦自動駕駛核心技術研發(fā)[6]。阿里、樂視等也紛紛與上汽等車企合作開發(fā)互聯(lián)網汽車[4]。

在汽車自動駕駛技術方面我國的起步相對較晚，很多技術還不夠成熟，技術層面問題存在一定的差異。并且我國汽車自動駕駛的一些設備和零件都是從國外進口的，所有我國需要進步和改善的方面還有很多。

（三）國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國的加州大學伯克利分校在1997年，開展了自動駕駛PATH項目，這次項目引起了自動駕駛的新浪潮。PATH項目演示路途的總長度為7.6千米，全程沒有任何駕駛員的干涉，但由于相關法律干涉，后期的項目并未繼續(xù)開展。

2019年，國外谷歌公司又一次掀起了汽車無人駕駛技術的新浪潮，2017谷歌公司共開展了汽車自動化駕駛實驗289千米。測試總共有13起交通事故發(fā)生，但大多數(shù)的事故是由于汽車控制不當追尾造成的。但事故主要責任方并不是谷歌公司的自動駕駛汽車，在13起交通事故中也沒有造成人員的傷亡事故。

目前美國和德國的自動駕駛技術比較領先，而我國正在追趕著這股潮流。在2015年，德國在高速公路上測試了自動駕駛相關的實驗，在實踐中獲取到了更多的經驗。并且相關部門還給予汽車自動駕駛項目的補貼，以便于更好的實施項目和提供實時的汽車交通信息。日本也有公司在多地進行汽車自動駕駛的相關測試，通過多次實踐累計的數(shù)據記錄汽車自動駕駛的安全性。

（四）論文結構

第一章，本文的概述，簡單介紹了汽車自動駕駛的意義和發(fā)展。

第二章，智能小車的研究背景和汽車自動駕駛技術在國內外發(fā)展的現(xiàn)狀。

第三章，整體介紹了小車硬件部分的分布和各個硬件模塊，大概介紹了小車底盤、直流電機與驅動電路、舵機與驅動電路、視頻檢測模塊、電磁感應模塊、紅外與超聲測距模塊、藍牙通信模塊等，分別介紹了這些模塊的優(yōu)缺點。

三、智能小車的結構與組成

智能小車分為硬件設計和軟件設計，硬件設計主要分為MK66單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、串口通信模塊、舵機控制模塊、圖像采集模塊等。[10]智能小車車頭安裝了舵機和攝像頭以及用碳素桿做的支架，支架上有4個工字電感。小車共有三塊電路板，CPU主板和電磁板放在小車中部，驅動板在小車尾部。后輪兩側有兩個編碼器對小車進行速度控制，兩個編碼器旁邊各有一個電機驅動，為了小車整體的重量平穩(wěn)7V的電池放在小車底盤中后部。

（一）小車底盤

智能車的底盤是比較關鍵的一部分，小車底盤需要承載所有硬件的總體重量，在小車行進的過程中保持車身的穩(wěn)定性。智能車底盤的質量和硬件的擺放位置也直接影響著小車的速度。通過合理運用小車底盤的空間，調整小車的平衡性，減輕底盤的質量，使得小車在行進中更靈活、快速。

智能車的重心問題會直接影響小車的提速和平穩(wěn)性，小車的重心不能很高，必須把小車的重心降低。為了攝像頭的前瞻性，智能小車安裝于舵機旁邊一點，固定在高25厘米的碳素桿上。使得小車的重心問題更應該引起重視，在保證小車的穩(wěn)定性的同時還要兼顧小車的靈活性。小車車模圖如下

（二）直流電機與驅動電路

智能小車共有兩個直流電機，直流電機的紅線和黑線分別連接驅動板上的正負極。為了滿足智能小車的速度要求，選用的是RS380-ST型電機，該電機能承受大電流，滿足小車在速度上的變化和電機的正反轉。

直流電機在不同的差速和不同的行徑路線中能達到更好的行駛速度。RS380-ST型直流電機與交流電機運用直流電制動，動力更足，對調節(jié)小車速度相對更容易。電刷和換向器是構成直流電機的重要部分，因為電刷和換向器會在線圈中把傳入的直流電轉換為交流電，直流電機不允許超過輸出的最大值。直流電機可正向和反向轉動，能夠滿足小車運行時自動化系統(tǒng)的各種特殊運行要求。

通過不斷調節(jié)直流電機的轉速和電流問題，使小車在行駛過程中速度更穩(wěn)定和平滑，滿足小車行徑中對速度的復雜和特殊的要求。

（三）舵機與驅動電路

舵機相當于一個微型的伺服電機，在不停的角度變化中舵機任然能讓智能小車保持平穩(wěn)的速度。舵機的用處也很多，普遍用于飛機、機器人等。舵機安裝于智能小車底板前部，在安裝舵機前先調好舵機的參數(shù)，避免舵機打死燒壞舵機，讓小車前輪保持正前方的位置。智能小車通過檢測賽道下電磁信號的強弱進行判斷，小車的舵機也得不同的變化角度，控制小車前進的方向。舵機的輸入線共有三條，分別為4.8V的電源線，控制信號線和地線組成。

舵機根據接收到的控制信號來轉換不同的角度變化，如果接收到的控制信號一直不變，舵機就不會改變軸的角度位置。但當接收的信號改變時，軸也會發(fā)生相應的角度變化。智能小車采用S3010型舵機，尺寸小，驅動齒輪能滿足小車需要的扭力，消耗的能量和機械負荷成正比。

（四）視頻檢測模塊

小車選用了MT9v034廣角攝像頭，有優(yōu)質的畫質和低照度，高動態(tài)成像等優(yōu)點。MT9v034攝像頭最高分辨率是752（H）x 480（V），每秒可輸出60幀。MT9V034攝像頭有DVP、LVDS兩種接口，寄存器寬度為16bit，寄存器的數(shù)據不易丟失，寫入數(shù)據后斷點不會丟失數(shù)據。

攝像頭拍攝的是一幀幀黑白的圖像，除了白色賽道之外的其他顏色的事物都會被當成黑色像素，可以在LCD屏上顯示攝像頭所拍攝的圖像。智能小車的攝像頭就相當于人身上的“眼睛”，在安裝攝像頭之前要調整好攝像頭的焦距和角度，能讓攝像頭拍攝出的畫面清晰，又能最大限度的拍攝到前方賽道的情況。

（五）電磁感應模塊

電磁感應模塊是用電感等傳感器感應賽道中心的電線的交流電產生的磁場，使智能車不偏離軌道。智能小車用了4個10mH的工字電感，用長20厘米的碳素桿做前瞻支架，其中兩個工字電感垂直于碳素桿中間位置，另外兩個分部在車身兩側。通過電磁感應原理接收預埋在賽道下電磁導線的電磁信號。

在白色賽道下有一根0.1-1.0mm的漆包線作為引導線，這根引導線會產生100毫安和20赫茲的交流電流。用小車前方的工字電感感應漆包線周圍的電磁強度，根據電磁的強弱判斷賽道的中心位置，舵機也會不斷的轉動角度判斷小車前進的方向。小車以電磁感應模塊為主，攝像頭為輔對道路進行檢測和方向判斷。

（六）紅外與超聲測距模

隨著自動駕駛技術的提高，人們對于傳感器的精度和性能要求也越來越高?，F(xiàn)在傳感器的種類很多，普遍被大家所使用的是超聲波傳感器和紅外傳感器。小車通過安裝的各類傳感器采集的數(shù)據來獲取賽道上的路況信息，比如直到、轉彎、上坡、障礙物等，同時也通過傳感器獲取智能車自身的車速和電磁等。

1.紅外傳感器

紅外傳感器利用的是三角測量的方法，把紅外傳感器按照測量好的角度安裝，發(fā)射器會以直線發(fā)射一束紅外光，紅外光在遇到物體的遮擋后會反射回去。檢測到反射的紅外線之后，會有一個偏移的值，形成了三角的關系。通過傳感器接收到的返回數(shù)據，單片機做出相應的算法處理，知道前方物體的方向和距離等信息。小車會根據得到的信息做出相應的反映和動作。紅外傳感器原理如圖所示。

紅外測距相對超聲波測距速度更快，精度高，受干擾性較小，檢測距離較遠。但太陽對紅外傳感器的影響很大。在白天自然光線很強的情況下，太陽光會增加光線強度，使紅外傳感器測距不準。紅外傳感器會根據不同的面返回不同的光線強度，白色面返回的數(shù)據比黑色面高很多。所以光線的強弱以及黑色障礙物返回的數(shù)據都會對紅外傳感器造成很大的影響。

紅外傳感器的限流電阻為10K，紅外傳輸功率由不同性能的限流電阻決定。限流電阻越大，發(fā)射功率越小。當光線反射回來并且晶體管導通時，LM393的兩個輸入端子在同相輸入端子中用正表示，在相反相輸入端子中用負表示。為了比較這兩種電壓，將固定電壓作為參考電壓或閾值電平施加到任何輸入端。在另一端施加比較電壓。

當反相輸入電壓低于同相輸入電壓時，輸出截止。否則輸出端飽和，輸出接地。只要LM393的兩個輸入電壓差大于10mv，就可以確保輸出從現(xiàn)狀態(tài)可靠轉換到另一狀態(tài)。

使用這種比較器，不需要使用模數(shù)轉換電路。通過LM393后，在主芯片的控制端口會產生高電平，最終達到檢測的目的，模塊的靈敏度可通過可變電阻VR1進行調節(jié)[5]。

1.1.1超聲波傳感器

超聲波傳感器每秒340米的速度在空氣中發(fā)送超聲波，聲波碰到障礙物時會反彈回來，發(fā)射超聲波時開始計數(shù)，當傳感器接收到反射的超聲波時結束計數(shù)，并根據超聲波在空氣中的速度和時間計算出物體的距離。這種超聲波頻率不低于20kHZ，所有這種聲波頻率不能被人們聽見。

超聲波傳感器相對紅外傳感器檢測距離較短，超聲波傳感器有效距離一般在5-10米之間。超聲波有一定的發(fā)散性，如果測量障礙物的距離比較遠時，超聲波通過空氣的傳播速度和時間的計算會有誤差，導致小車對障礙物的定位不準確。超聲波測距在0.2-1.5米范圍內的誤差不大，但在小車與障礙物之間的距離小于0.2米時會有很大的誤差。因為超聲波傳輸?shù)木嚯x太小，當發(fā)射器發(fā)出聲波信號時會產生一個上升時間，測距很短時單片機不能迅速處理返回的信號，會產生一個盲區(qū)影響超聲波的測量。

（七）藍牙通信模塊

隨著藍牙技術的不斷提高，藍牙的應用范圍也越來越廣。藍牙通信模塊可實現(xiàn)近距離無線通信，有低功耗、成本低、支持多種配置方式、可自主通信網絡等特點。藍牙模塊不用連接線纜，降低了成本的同時也提高了采集數(shù)據的效率。一對藍牙連接成功之后猶如串口之間的通信般方便，只用UART模塊就能進行發(fā)送數(shù)據，操作簡單。

（八）單片機智能控制模塊

智能小車采用32位單片機MK66FX1M0VLQ18系列為核心控制器，單片機共有144個引腳。MK66單片機因為有以太網加密，所有它的保密性更好。這款單片機有6個UART模塊，兩個16位SAR模數(shù)轉換器，兩個12位數(shù)模轉換器與100根通用I/O引腳。Mk66主頻為180M是目前M4系列主頻最高的單片機。低功耗、高處理效率，該系列提供高速USB、全速無晶體USB支持、SDRAM控制器，帶單精度浮點單元和8KB緩存，可以降低CPU負載，實現(xiàn)更快的系統(tǒng)吞吐，并在停止模式提供異步支持。擁有單獨的閃存，能進行固件更新和代碼的并發(fā)執(zhí)行，既不會影響性能，也無需復雜的編碼歷程。

四、總結

本文以mk66單片機為系統(tǒng)的主控芯片，通過以電磁模塊和攝像頭共同對道路進行循跡方式，讓智能小車在無人為的操作下也能自主平穩(wěn)的在道路上駕駛。首先介紹了智能小車的背景，分析了智能小車自動駕駛在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀。其次從硬件方面介紹了小車所運用到的模塊，主要講解了小車的電機驅動模塊，循跡檢測模塊、舵機與驅動電路、單片機智能控制模塊等，通過多個模塊的組合最終實現(xiàn)了小車的硬件部分。然后對小車的直流電機驅動原理和舵機原理進行了簡單的闡述，以及本設計軟件部分的算法分析。小車根據電磁傳感器和攝像頭采集的圖像，通過單片機對采集的圖像進行分析處理，控制小車伺服電機的角度和兩個直流電機的速度，讓智能小車能根據路況自動控制小車前進的速度和方向。本設計核心是自動駕駛控制技術，通過控制算法讓智能小車在行進時更穩(wěn)定，并且能對道路的情況做出及時的反映，更靈敏。

本文分別寫了智能小車的硬件和軟件兩部分，硬件部分包括舵機模塊、電機驅動模塊、測距模塊、避障模塊等。軟件部分包括電機驅動原理、舵機驅動原理、PID算法、圖像識別等。在設計時對智能小車的基礎知識不夠扎實，很多理論知識了解的不夠透徹。

隨著大數(shù)據和AI智能技術的不斷提高，智能小車的自動駕駛技術會更先進，給人們帶來更方便的出行。在硬件和算法的不斷優(yōu)化下，汽車自動駕駛技術會更穩(wěn)定和安全。