基于LPC54606的智能小车控制系统.pdf

第卷 第期 年月：基 于的 智 能 小 车 控 制 系 统杨 钊 灿，沈 永 峰，陈 飞 洋（上 海 电 机 学 院 机 械 学 院，上 海）摘要：选 用作 为 主 控 芯 片，设 计 智 能 小 车 的 控 制 系 统。硬件 部 分 采 用轮 车 模、和 传 感 器 外 设。包 括 单 片 机 核 心 板、主 控 板 和 电 动机 驱 动 板。主 控 板 由 电 源 稳 压、运 放、视 觉 感 知、直 立、远 程 通 信 和 超 声 波 等 模 块 组成。单 片 机 核 心 板 包 含芯 片 为 主 的 相 关 电 路。电 动 机 驱 动板 电 路 主 要 由（电 源 芯 片）、逻 辑 芯 片 和桥 电 路 组成。软 件 程 序 使 用 卡 尔 曼 滤 波 算 法 和算 法。智 能 小 车 控 制 系 统 可 实 现 姿 态 转换、直 立、避 障、环 岛 处 理 和 路 径 规 划 任 务 等。关 键 词：智 能 小 车；路 径 规 划；算 法；卡 尔 曼 滤 波 算 法中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，（），：；收 稿 日 期：基 金 项 目：上 海 市 科 技 创 新 行 动 计 划 项 目（）作 者 简 介：杨 钊 灿（），男，江 苏 扬 州 人，硕 士 生，研 究 方 向 为电 气 工 程。：；：通 信 作 者：沈 永 峰（），男，蒙 古 族，辽 宁 朝 阳 人，博 士，副 教授，研 究 方 向 为 能 源 动 力。：；：引言在 步 入世 纪 以 来，人 工 智 能 得 到 了 飞 跃 发 展，在 生 活 中 逐 渐 崭 露 头 角。控 制 领 域 的 智 能 小 车 地 位 在人 工 智 能 应 用 中 已 经 变 得 举 足 轻 重。路 径 规 划 是智 能 小 车 的 重 要 研 究 内 容。路 径 规 划 是 按 照 某 一 性 能指 标 搜 索 一 条 从 起 始 点 到 目 标 的 最 优 或 近 似 最 优 的 无碰 撞 路 径。现 阶 段 普 遍 的 局 部 路 径 规 划 算 法 有 人 工 势场 法、神 经 网 络 法 和 遗 传 算 法 等。上 述 算 法 具 有 一 定的 局 限 性，搜 索 范 围 过 于 复 杂、效 率 不 高、易 陷 入 局 部最 优 解 等。本 文 设 计 的 智 能 小 车 路 径 规 划 使 用 串 行算 法和 卡 尔 曼 滤 波 算 法，优 化 智 能 小 车 的 行 驶 时 间，完 成 路径 规 划 任 务。系 统 整 体 结 构主 控 芯 片 选 用 ，小 车 硬第期杨 钊 灿，等：基 于的 智 能 小 车 控 制 系 统件 包 刮：电 源 稳 压、运 放、摄 像 头、电 动 机 驱 动、远 程 控制、直 立 平 衡 和 避 障 等 模 块。硬 件 电 路 功 能 有 电 源 转换、角 度 控 制、速 度 控 制、数 据 采 集、人 机 交 互 等。小 车 系 统 总 体 框 图 如 图所 示。图智 能 小 车 系 统 总 体 框 图 通 过线 性 稳 压 器 将 外 接 电 压转 换 为 电 压，为 运 放、编 码 器、蜂 鸣 器、红 外 接 收、蓝 牙 通 信 和 超 声 波 电 路 供 电。通 过线 性 稳压 器 将 电 压 转 换 为 电 压，为 陀 螺 仪 和 摄 像 头供 电。（电 源 芯 片）和桥 对 电 动机 供 电。电 动 机 速 度 通 过进 行 控 制。硬 件 系 统 单 片 机 最 小 系 统智 能 小 车 的 控 制 核 心 是 单 片 机 系 统，主 要 控 制 各模 块 工 作。考 虑 到 需 要 采 集 较 多 数 据，完 成 不 同 场 景中 的 任 务，选 用 芯 片。系 列 集 成 了 高 能 效 的 内 核 与 多 种 高 速 连 接 选项、先 进 的 定 时 以 及 模 拟 功 能。功 能 使 器 件 可 支 持 数 据 密 集 型 应 用 的 复 杂 算法。该 系 列 配 有 高 达 的 闪 存 以 及 外 部 存 储 器接 口，能 弹 性 适 应 需 求 变 化。闪 存 选 项 可 灵 活 支 持 内、外 部 大 型 存 储 器 配 置。借 助 系 列 的 内 置 兼容 性，能 提 供 一 个 无 缝 移 动 路 径 来 提 高 处 理 性 能，还 能灵 活 增 加 其 他 先 进 外 设。选 用芯 片 的 单 片 机 电 路，降低 了 硬 件 故 障 风 险，提 高 运 行 效 率，并 在 主 控 板 设 计 对应 的 排 针 电 路。分 板 设 计 的 优 点 是 便 于 更 好 地 提升 硬 件 维 修 速 度。单 片 机 核 心 板 和 主 板 对 应 的 排 针 原理 如 图、所 示。电 源 稳 压各 传 感 器 供 电 要 求 较 高，需 供 给 不 同 的 电 压，在 智能 小 车 运 行 过 程 中，路 径 规 划 需 要 充 足 的 电 压，所 以 采用 镍 镉 充 电 电 池。在 智 能 小 车 硬 件 系 统 中，各 模 块 需 要 进 行 稳 压 模块 转 换 电 压。线 性 稳 压 电 路将 图单 片 机 核 心 板（）左 侧 排 针 图（）右 侧 排 针 图图核 心 板 在 主 板 上 的 排 针 原 理 图电 压 稳 压 到，为 运 放、蓝 牙 通 信、红 外 接 收、编 码器、蜂 鸣 器 和 超 声 波 等 模 块 供 电。由 于 陀 螺 仪、摄 像 头和 单 片 机 核 心 板 等 所 需 电 压 较 低，选 用 线 性 稳 压 电 路 进 行 供 电。线 性 稳 压电 路 和 线 性 稳 压 电 路 原 理 如 图、所 示。运 放 模 块考 虑 到 电 磁 线 接 收 的 数 据 的 比 较 繁 杂，控 制 系 统需 要 稳 定 的 电 磁 数 据，选 用运 放 电 路 进 行 电第卷图 电 路图 电 路磁 数 据 的 采 集 和 滤 波。由 于 路 径 规 划 和 直 立 状 态需 要 稳 定 电 磁 数 据，选 用路运 放 进 行 电 磁数 据 的 采 集。运 放 模 块 部 分 电 路 原 理 如 图所 示。（）端 口 放 大 电 路（）端 口 放 大 电 路图 运 放 电 路 摄 像 头 模 块 和 陀 螺 仪智 能 小 车 的 普 遍 姿 态 是 直 立 状 态，特 殊 姿 态 是轮 状 态。在 遇 到 姿 态 转 换 标 志 时，经 摄 像 头 的 检 测和 陀 螺 仪 的 控 制，小 车 由 直 立 状 态 转 变 为轮 着 地 状态。为 方 便 不 同 类 型 摄 像 头 的 搭 配，使 用 和摄 像 头 底 座。摄 像 头 选 用。陀 螺 仪 是 直立 功 能 的 核 心 硬 件，为 节 约 主 板 空 间，陀 螺 仪 使 用 外接，在 主 板 预 留 相 应 的 排 针。摄 像 头 和 陀 螺 仪 电 路 原理 如 图、所 示。图摄 像 头 电 路图陀 螺 仪 电 路 超 声 波 避 障考 虑 到 避 障、节 约 主 板 空 间、电 路 集 成 等 要 求，超声 波 使 用 外 接。为 提 高 避 障 的 成 功 率，使 用组 超 声波 障 碍 物 识 别。超 声 波 位 置 在 智 能 小 车 地 前 端，这 样有 利 智 能 小 车 对 障 碍 物 的 检 测，并 对 直 立 起 到 辅 助 作用。超 声 波 原 理如 图所 示。图超 声 波 电 路 远 程 控 制 模 块在 智 能 小 车 设 计 中，需 进 行 无 线 传 输 和 远 程 操 控，选 用 红 外 接 收 模 块、蓝 牙 模 块 以 及显 示 模块。模 块 极 大 地 提 高 了 调 车 效 率，可 以 显 示电 磁 数 据、小 车 实 时 速 度、遥 控 状 态。红 外 接 收 和 蓝 牙模 块 有 利 于 人 机 交 互，并 能 进 行 手 动 控 制。红 外 接 收模 块原 理 如 图所 示。电 动 机 驱 动为 提 供 电 动 机 足 够 的 电 压，选 用（电 源 芯 片）电 路 进 行 电 源 升 压。为 更 好 地 对 电 动第期杨 钊 灿，等：基 于的 智 能 小 车 控 制 系 统图红 外 接 收 电 路机 速 度 和桥 相 关 信 号 进 行 控 制，使 用逻 辑 芯 片 电 路。部 分 原 理 如 图所 示。（）升 压 电 路（）逻 辑 芯 片图 和电 路 功 能软 件 设 计主 控 芯 片 选 用，使 用编 译 软 件，用语 言 进 行 程 序 编 写，程 序 主 要具 备 直 立、自 主 寻 迹、避 障 和 姿 态 转 换 等 功 能。主 程 序 设 计主 程 序 设 置 的 变 量。起 跑 停 车、直 立 相 关、环 岛 相关 和 摄 像 头 等 变 量。主 程 序 包 含 对 陀 螺 仪、端 口、显 示、控 制、计 数 器、电 磁 采 集、超 声 波、摄像 头、串 口 的 初 始 化。主 程 序 调 用 有 图 像 处 理、姿 态 转换、停 车 标 志 位 判 定 和显 示 等。直 立 程 序智 能 小 车 最 基 本 的 行 驶 状 态 是 直 立 状 态。小 车 主要 在 直 立 状 态 中 完 成 相 应 的 路 径 规 划 任 务。直 立 程 序使 用算 法 和 卡 尔 曼 滤 波 算 法。经 过 串 行算 法处 理 电 磁 线 的 数 据，计 算 直 立 所 需 转 矩。直 立 程 序 处 理 过 程。对 电 动 机、角 度 环、角 速 度环、转 向 环 进 行 浮 点 数 据 组 定 义，通 过 位 置 式控 制算 法 对 小 车 进 行 直 立 控 制。直 立 控 制 算 法 程 序 如图所 示。图 直 立 控 制 算 法 避 障 处 理避 障 处 理 是 智 能 小 车 的 功 能 之 一。超 声 波 传 感 器在 规 定 时 间 收、发 超 声 波。通 过 采 集 的 数 据，测 算 障 碍物 的 距 离 与 陀 螺 仪 配 合 进 行 避 障。避 障 程 序 的 处 理 过 程。每 收 发 超 声 波，根据 距 离 公 式 得 到 障 碍 物 与 小 车 的 距 离；在 距 离 障 碍 物 处，小 车 向 右 旋 转，行 驶，然 后 向 左 旋转，再 次 行 驶，最 后 向 左 旋 转，行 驶 返 回 赛 道。部 分 路 障 处 理 程 序 如 图所 示。图部 分 避 障 处 理 程 序第卷 电 磁 数 据 处 理电 磁 数 据 处 理 对 智 能 小 车 的 路 径 规 划 显 得 十 分 重要。程 序 主 要 使 用 卡 尔 曼 滤 波 算 法，通 过个 工 字 电感 对 相 应 的 电 磁 数 据 进 行 采 集，经 滤 波 处 理 得 到 稳 定的 正 弦 波，程 序 对 波 形 数 据 进 行 处 理。每 路 电 感 电 磁数 据 处 理 程 序 所 使 用 的 部 分 算 法 如 图所 示。图电 磁 处 理 程 序 姿 态 转 换从 直 立 到轮 状 态 的 转 换 是 智 能 小 车 的 功 能 之一。通 过 摄 像 头 识 别 对 应 的 黑 白 车 道 线，经 陀 螺 仪 进行 转 矩 调 整，使 智 能 小 车 从 直 立 状 态 转 换 为轮 状 态，完 成 断 路 路 况 下 的 姿 态 转 换。摄 像 头 程 序 中 一 维 数 组 的 值 是 二 维 数 组 的 累 加，通 过 处 理 得 到 的 图 像 值，触 发 姿 态 转 换 的 标 志 位，完 成姿 态 转 换，部 分 程 序 如 图所 示。图摄 像 头 识 别 姿 态 转 换 标 志 程 序 环 岛 处 理环 岛 是 道 路 的 元 素 之 一，环 岛 处 理 有 利 小 车 智 能化 运 行。通 过 电 感 对 环 岛 电 磁 线 的 数 据 采 集，判 别 环岛 元 素，触 发 环 岛 处 理 的 标 志 位 完 成 环 岛 元 素 的 处 理。在 直 立 状 态 中 遇 到 环 岛 的 情 况，程 序 处 理 过 程 是：当 电 磁 支 架 最 左 边 电 感 和 最 右 边 电 感 之 和 的 值 大 于 ，中 间 电 感 值 大 于 时，智 能 小 车 进 入 环岛；当 磁 支 架 最 左 边 电 感 和 最 右 边 电 感 之 和 的 值 小 于 时，智 能 小 车 离 开 环 岛。直 立 状 态 下 的 环 岛 处 理程 序 如 图所 示。图直 立 状 态 中 环 岛 处 理 速 度 处 理面 对 复 杂 环 境 下 的 路 径 规 划，速 度 处 理 的 程 序 显得 尤 为 重 要。为 高 效 处 理 速 度，使 用算 法 进 行 控制，加 入 串 行，更 好 地 完 成 相 应 的 任 务。速 度 处 理程 序 分 为 直 立 状 态 程 序 和轮 状 态 程 序，直 立 状 态 的速 度 程 序 如 图所 示。图直 立 状 态 中 速 度 处 理实 验 结 果 验 证实 验 设 置 如 下 任 务：超 声 波 避 障、姿 态 转 换 和 环 岛处 理。在 室 内 进 行 赛 道 搭 建，进 行 室 外 场 景 的 模 拟。小 车 打 开 电 源 开 关 之 后，通 过算 法 配 合 陀 螺 仪 执行 直 立 任 务，根 据 电 磁 数 据 的 采 集 进 行 相 应 的 路 径 规划。碰 到 路 障，经 过 超 声 波 采 集 障 碍 物 信 息，触 发 避 障程 序，进 行 避 障，并 重 回 赛 道。经 过 速 度 程 序 处 理，在短 时 间 内 到 达 环 岛，通 过 电 磁 数 据 的 变 化，识 别 环 岛 元素，配 合 蜂 鸣 器 完 成 环 岛 路 况 的 处 理。通 过 摄 像 头 识别 姿 态 转 换 车 道 线，完 成 从 直 立 向轮 状 态 的 转 变。主 板如 图所 示。部 分 实 验 场 景 如 图所 示。第期杨 钊 灿，等：基 于的 智 能 小 车 控 制 系 统图主 板图图弯 道 场 景结语本 文 基 于设 计 了 一 款 直 立 行 驶 的 智 能小 车，使 用 超 声 波 进 行 障 碍 物 探 索，使 小 车 在 距 障 碍 物 距 离 外 进 行 避 障 操 作。陀 螺 仪 和 摄 像 头 结 合 实行 姿 态 转 换 任 务，摄 像 头 进 行 车 道 线 识 别，当 检 测 到 黑白 车 道 线 后，陀 螺 仪 进 行 姿 态 转 换。通 过 电 磁 采 集 模块 和 编 码 器 模 块 进 行 路 径 规 划 相 应 的 控 制，构 成 闭 环系 统，提 高 系 统 的 稳 定 性、准 确 性 和 快 速 性。参 考 文 献（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：王 露 峰基 于控 制 的 电 动 汽 车 直 流 驱 动 电 机 调 速 研 究 汽 车 实 用 技 术，（）：张辉，樊 亚 妮基 于的 智 能 小 车 追 逐 问 题 的研 究 计 算 技 术 与 自 动 化，（）：胡 徐 胜，李 赛 红，陶 彬 彬基 于的 循 迹 足 球 机 器 人 设 计辽 宁 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：张毅，高 进 可，王琪，等视 觉 导 引 智 能 车 的 自 适 应 路 径 识别 及 控 制 研 究 测 控 技 术，（）：杨柳，张 仁 尊基 于的 动 态 闭 环 电 轨 车 控 制 系 统 硬 件 设计 技 术 与 市 场，（）：李 全 民，贾 林 锋电 磁 循 迹 式 智 能 小 车 传 感 器 布 置 研 究 实验 技 术 与 管 理，（）：李 志 远语 音 识 别 技 术 概 述 中 国 新 通 信，（）：黄 峻 远语 音 技 术 开 发 应 用 探 究 电 子 世 界，（）：李 万 敏，韩 致 信，赵 耕 云基 于 摄 像 头 智 能 车 典 型 路 径 图 像 识别 算 法 研 究 兰 州 工 业 学 院 学 报，（）：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上 接 第页），：，（）：韩骏，孙 晓 娜，靳 志 宏集 装 箱 码 头 泊 位 与 岸 桥 协 调 调 度 优 化大 连 海 事 大 学 学 报，（）：杨 春 霞，王诺，杨 华 龙集 装 箱 码 头 泊 位 岸 桥 分 配 耦 合 优 化计 算 机 集 成 制 造 系 统，（）：彭 丽 姣，韩 晓 龙连 续 泊 位 下 泊 位 分 配 与 岸 桥 动 态 调 度 的 联 合优 化 水 运 工 程，（）：