飛思卡爾智能車提前入彎策略研究

飛思卡爾智能車提前入彎策略研究

汽車智能和智能是當(dāng)前汽車研究的重點(diǎn)，是衡量全球汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。作為一種新的汽車概念和汽車產(chǎn)品，智能汽車已成為汽車生產(chǎn)和汽車市場的主要分銷對(duì)象。而“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽由高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦,飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦,并由各個(gè)分賽區(qū)的承辦大學(xué)組織。比賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景,涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性,旨在培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握和創(chuàng)新能力,以及從事科學(xué)研究的能力。根據(jù)“飛思卡爾”智能車大賽規(guī)則要求:使用統(tǒng)一車模,核心控制單元采用飛思卡爾MC9S12DG128CPU。在此基礎(chǔ)上,自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)包括:傳感器信號(hào)的采集、處理電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制電路設(shè)計(jì)以及各類接口電路設(shè)計(jì)?？刂品桨冈O(shè)計(jì)包括:控制系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)、各類算法的設(shè)計(jì)及優(yōu)化等內(nèi)容。系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試完成后,在規(guī)定的、標(biāo)有引導(dǎo)線的賽道上完成自尋跡行走,其賽道是在白色底板上鋪設(shè)黑色引導(dǎo)線,以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。比賽分為光電組和攝像頭組。筆者為攝像頭組,采用的是攝像頭尋跡方式。智能小車(以下簡稱小車)的控制系統(tǒng)主要由三大部分組成:傳感器信號(hào)采集及處理、車速控制和轉(zhuǎn)向控制。由攝像頭采集道路信息,經(jīng)處理分析后識(shí)別路徑,根據(jù)不同的路徑?jīng)Q策出不同的速度和轉(zhuǎn)向角度。在保證安全的基礎(chǔ)上,一方面需要考慮如何提高極限速度,另一方面需要考慮如何提高平均速度,其平均速度的大小最終將決定比賽成績。分析歷屆比賽可以發(fā)現(xiàn),整個(gè)賽道中60%~70%的長度為彎道,因此,小車彎道行駛速度很大程度上決定了小車在整個(gè)賽道上平均速度的大小。本文將針對(duì)小車在行走過程中,就如何利用圖像數(shù)據(jù),給出合理的轉(zhuǎn)向策略進(jìn)行深入探討。就普通駕駛員而言,駕駛車輛行駛在公路上,直道時(shí)保持高速運(yùn)行狀態(tài),而彎道時(shí)會(huì)根據(jù)不同的彎道做出合理的決策。一般為先減速,然后在一個(gè)比較低的速度下通過彎道,過彎后加速,最終回到直道速度。而在賽車場上的情景則不同,賽車選手輕易不會(huì)選擇普通駕駛員的轉(zhuǎn)彎策略,而是利用前輪轉(zhuǎn)向帶來的向心力并結(jié)合賽車入彎前的固有慣性達(dá)到快速轉(zhuǎn)彎的目的。對(duì)于一輛有視覺的智能小車是否也可以模擬這種高速運(yùn)動(dòng)過程,從而贏得比賽?筆者在綜合分析視覺圖像的特點(diǎn)、舵機(jī)模型以及圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)后提出了一種可以高速入彎而不必減速或輕微減速、同時(shí)又能保證小車不會(huì)沖出賽道的安全過彎策略。1引導(dǎo)線位置的提取要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的基于視覺尋跡的智能小車,首先需利用攝像頭獲取道路信息,然后對(duì)采集到的原始圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,以獲取賽道中引導(dǎo)線在圖像坐標(biāo)系中的位置。圖1為攝像頭安裝示意圖。其中,Z1為攝像頭距地面的高度;w為視野場景的寬度,其大小與攝像機(jī)安裝的俯角和高度都有關(guān)系;b為輪間距。對(duì)場景中的特征點(diǎn),只要知道其在場景中的位置,即可計(jì)算出該點(diǎn)與小車的相對(duì)位置。由上往下延Z軸反方向看,可得到場景平面,如圖2所示。其中,場景平面離小車的距離為d,這段距離為盲區(qū),場景平面寬為W,長為H。定義小車的中線為基準(zhǔn)線,由攝像頭獲得的圖像即是場景平面。受MC9S12DG128CPU單片機(jī)處理能力的限制,選用356×292CMOS黑白攝像頭,將其設(shè)置為逐行掃描模式。單行采樣106點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,綜合考慮各種因素,選取其中64行信息形成一幅64×106的圖像平面,用來判斷彎道、直道以及彎道位置,從而達(dá)到減小計(jì)算量的目的。圖像如圖3所示。在圖3圖像平面的基礎(chǔ)上,利用參考文獻(xiàn)[9~10]中的方法逐行掃描提取引導(dǎo)線位置。對(duì)于沒有引導(dǎo)線的行將其標(biāo)記出來并將沒有引導(dǎo)線的邊界行記為row_sure,這個(gè)值記錄著64行數(shù)據(jù)中從第幾行開始沒有引導(dǎo)線,簡稱為出界點(diǎn)。得到引導(dǎo)線在圖像中的位置,可根據(jù)引導(dǎo)線的圖像坐標(biāo)來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角。單行圖像數(shù)據(jù)的圖像坐標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的真實(shí)場景坐標(biāo)呈線性變換關(guān)系,即每行任意兩像素坐標(biāo)的列差值乘以一個(gè)近似固定的比例系數(shù)K就可得到真實(shí)場景對(duì)應(yīng)行坐標(biāo)的差值:式中△Xworld為真實(shí)場景坐標(biāo)中兩點(diǎn)的距離,△Ximage為圖像平面對(duì)應(yīng)行上兩點(diǎn)的像素坐標(biāo)的列差值。利用上面的關(guān)系,可以間接測量出小車與目標(biāo)引導(dǎo)線之間的偏角,如圖4所示。若設(shè)AB為基準(zhǔn)線,即車的中線;AK為引導(dǎo)線;過F點(diǎn)向y軸做垂線,與基準(zhǔn)線AB的交點(diǎn)為C,定義C點(diǎn)為基準(zhǔn)位置。在三角形AFC中,角β為基準(zhǔn)線與引導(dǎo)線之間的夾角:在理想情況下,控制舵機(jī)向左偏轉(zhuǎn)β角度即可讓小車追隨到引導(dǎo)線。但這樣計(jì)算角度的計(jì)算負(fù)擔(dān)很重,簡化參考文獻(xiàn)中橫向偏差的測量方法,在基準(zhǔn)位置固定的情況下,可用CF的長度近似表示角度β的大小:式中,K為一個(gè)比例系數(shù)。結(jié)合圖像平面與場景平面之間的關(guān)系,定義CF的長度即為偏差,轉(zhuǎn)化到圖像平面為:式中,linem為基準(zhǔn)位置對(duì)應(yīng)的列值,line1為同行引導(dǎo)線的列值,err為位置偏差。因此,在實(shí)際的軟件設(shè)計(jì)中,不必得到真實(shí)場景坐標(biāo),可以直接對(duì)引導(dǎo)線實(shí)際位置與基準(zhǔn)位置間圖像坐標(biāo)的差(line1-linem)設(shè)計(jì)控制算法。如增量PID控制器可設(shè)計(jì)為:式中,KP為比例系數(shù),KI為積分系數(shù),KD為微分系數(shù)?！鱱為舵機(jī)給定的增量。2車做勻速圓周運(yùn)動(dòng)機(jī)理的模型描述獲得道路的位置信息,即獲得了此刻小車的轉(zhuǎn)向角。參考文獻(xiàn)中的舵機(jī)轉(zhuǎn)向模型,在理想狀態(tài)下,此刻控制舵機(jī)使前輪偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度即可實(shí)現(xiàn)小車對(duì)道路的跟隨。舵機(jī)的轉(zhuǎn)向相當(dāng)于給車一個(gè)向心力,在轉(zhuǎn)角不變時(shí),小車做圓周運(yùn)動(dòng);如果控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM脈寬不變,則小車做勻速圓周運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM脈寬對(duì)應(yīng)的小車速度相當(dāng)于勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。如圖5所示,設(shè)車的側(cè)輪距為b,舵機(jī)轉(zhuǎn)角為θ,O為車做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心,R為外輪所對(duì)應(yīng)半徑,則每一個(gè)轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)圓周運(yùn)動(dòng)的半徑如下:設(shè)控制周期為T,小車當(dāng)前速度為V,α為一個(gè)控制周期T內(nèi)小車沿圓周行駛的弧度數(shù),則有:由以上模型可以看出,不同的速度和轉(zhuǎn)角會(huì)在一個(gè)控制周期T內(nèi)得到不同的弧度,對(duì)上述公式離散化后可以得到:實(shí)際小車在轉(zhuǎn)彎的過程中,舵機(jī)轉(zhuǎn)角受多種因素限制(如:小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)造成的轉(zhuǎn)向的延滯、舵機(jī)的時(shí)間常數(shù)等),是一個(gè)漸變的過程,而利用公式(8)進(jìn)行計(jì)算的前提是舵機(jī)的方向能隨控制量的改變而立即改變。為了簡化分析,將舵機(jī)模型視為僅具有延滯時(shí)間TD的延滯環(huán)節(jié)而忽略其時(shí)間常數(shù)。如圖6所示,由于TD的存在,速度越大,在滯后時(shí)間TD內(nèi),小車行走的距離越遠(yuǎn)。3入彎速度分析如圖7所示,設(shè)小車前方距離D處為彎道,小車此刻速度為V,結(jié)合圖6小車舵機(jī)轉(zhuǎn)向理想模型響應(yīng)曲線,如果讓小車在A點(diǎn)入彎,速度必須滿足:在圖4中,對(duì)于基準(zhǔn)位置1和基準(zhǔn)位置2,由道路信息提取的結(jié)果,為了保證A點(diǎn)入彎,基準(zhǔn)位置2比基準(zhǔn)位置1更早地發(fā)出轉(zhuǎn)向命令,需要更大的速度才可以在A點(diǎn)入彎,在保證兩位置的速度可以安全過彎的前提下,基準(zhǔn)位置2得到了更高的入彎速度,所以更早地得到彎道的信息可以提高入彎速度。同時(shí)小車要想快速地入彎,必須將基準(zhǔn)位置提到一個(gè)與此刻速度匹配的位置,才可以抵消舵機(jī)延時(shí)帶來的附加行駛路徑。但并不是說只要將基準(zhǔn)位置選得足夠遠(yuǎn)就可以得到很大的入彎速度,答案是否定的。小車的轉(zhuǎn)向?yàn)橐粋€(gè)近似的圓周運(yùn)動(dòng),不同的速度顯然對(duì)應(yīng)不同的行駛半徑,即不同的路徑。速度快時(shí),半徑大;速度慢時(shí),半徑小。過快的速度會(huì)使小車沖出賽道。競賽賽道的彎道主要由360°、180°、90°、S型賽道組成。在圖8所示的180°彎道中,中間的粗實(shí)線為引導(dǎo)線,最外圍的實(shí)線為賽道邊界,曲線1、2、3、4為小車行駛路線。設(shè)所有行駛路線有同樣的入彎角度,曲線1、2、3為B點(diǎn)入彎,速度不同;曲線4為E點(diǎn)入彎,速度與曲線3速度一致。顯然,曲線1、2、3中曲線3速度為最快,但路徑卻最長,同時(shí)還有沖出賽道的危險(xiǎn);曲線2雖“抄近道”,但速度稍慢;曲線1由于速度太慢而無法過彎。不難看出,其實(shí)曲線2、3、4的過彎時(shí)間相差并不是很大。但是由于曲線2中,由直道AB入彎時(shí)需要減速,過彎后需加速,這段時(shí)間卻比曲線3、4來得長。經(jīng)綜合考慮,曲線3、4過彎時(shí)間最短。曲線3、4中曲線3很顯然有沖出賽道的危險(xiǎn),因此曲線4為過180°彎的最優(yōu)路徑?？梢钥闯?高速時(shí)提前入彎可以使小車以一個(gè)比較高的速度駛過彎道,同時(shí)保證了安全而又不會(huì)沖出賽道。對(duì)于90°彎道,與180°類似,最優(yōu)的策略是為保持直道高速行駛,通過上述的提前入彎策略保證安全過彎。對(duì)于S道的進(jìn)入,可以類推。而對(duì)于S道的行駛則應(yīng)適當(dāng)降低車速并將基準(zhǔn)位置適當(dāng)降低。如圖9所示,最短路徑也為最快速度,兩者是統(tǒng)一的。真實(shí)過程中很難做到讓車走CD路線,但是如果能使舵機(jī)保持在一個(gè)小角度左右調(diào)節(jié)的過程中則可逼近CD路線。實(shí)踐證明,高速通過S道時(shí)避免劇烈的角度變化給定為最優(yōu)策略。綜合以上分析,可以得到以下兩點(diǎn)結(jié)論:(1)基準(zhǔn)位置距小車的距離與速度呈正比關(guān)系。想要不減速入彎,必須改變基準(zhǔn)位置,使之可以滿足公式(9)。(2)速度與轉(zhuǎn)彎半徑呈正比關(guān)系。保持高速入彎,同時(shí)不沖出賽道,提前入彎策略可以有效解決這個(gè)問題。4高速入彎控制策略由以上分析可知,場景中的基準(zhǔn)位置可以近似看成入彎點(diǎn),并且不同的速度會(huì)導(dǎo)致不同的入彎點(diǎn),也會(huì)導(dǎo)致不同的過彎路徑。因此,需完成的控制任務(wù)是:高速過彎,在入彎前不減速,為了防止沖出賽道還需要提前入彎?？梢?需要在與速度適應(yīng)的入彎點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提前基準(zhǔn)位置,即基準(zhǔn)位置離小車的前端距離為:式中,L為基準(zhǔn)位置離小車的距離,V為此刻小車的速度,V×TD為抵消延遲時(shí)間帶來的附加行駛距離,V×τ為提前入彎點(diǎn)的距離。可以看出,基準(zhǔn)位置與小車的距離是一個(gè)與小車速度相關(guān)的變量,不同的速度需要不同的取值。對(duì)于不同的速度將基準(zhǔn)位置按照公式(10)設(shè)置,這樣即可以實(shí)現(xiàn)高速入彎。為了得到較佳的入彎點(diǎn),本策略對(duì)圖像平面(64×106)做了進(jìn)一步的處理,針對(duì)已經(jīng)得到的圖像平面(64×106),將圖像平面平分為10個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域求取引導(dǎo)線的平均位置,對(duì)于沒有引導(dǎo)線的區(qū)域使用一個(gè)不可能出現(xiàn)的值代替,這樣便將引導(dǎo)線信息簡化為10行信息表示,記為:average[i],i=1,2,…,10。其中,average[i]記錄每行信息中引導(dǎo)線的平均位置的列坐標(biāo)值,i標(biāo)表示行值。圖10為最終的圖像平面。圖10中,row_sure(出界點(diǎn))用來選擇10個(gè)點(diǎn)中哪幾個(gè)點(diǎn)為可用點(diǎn)。average為離車最近的點(diǎn),隨著序號(hào)增大,離車越遠(yuǎn)。在圖10的圖像平面中,計(jì)算偏差改為:式中,i<row_sure,mid為基準(zhǔn)線的列值(實(shí)際為小車中軸線上點(diǎn)的列坐標(biāo)),err即為使用同一行兩點(diǎn)列坐標(biāo)的差。不同的average[i],基準(zhǔn)位置對(duì)應(yīng)為同行的基準(zhǔn)線上的點(diǎn),即行值一致,位置偏差為列坐標(biāo)值的差。由公式(10)可以求取精確的距離,通過查表獲得與之距離最接近的average[i],利用公式(11)求取轉(zhuǎn)向偏差即可決策轉(zhuǎn)向,實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。當(dāng)小車車速很高時(shí),選擇較遠(yuǎn)處的點(diǎn)求取偏差,等效于時(shí)間上提前入彎。這樣由以上策略分析可知,只要入彎點(diǎn)合適,基本不用減速就可以直接入彎,還可以得到不錯(cuò)的安全系數(shù)。當(dāng)速度處于一個(gè)較低水平時(shí)可使用最近處的點(diǎn),即average,這樣就保證車只有走到彎道處才會(huì)轉(zhuǎn)向,不會(huì)提前入彎,避免提前入彎帶來的沖出內(nèi)道。5速度過彎仿真結(jié)果根據(jù)比賽要求,賽道中最小弧度半徑不小于0.5m,在參考?xì)v屆賽道的基礎(chǔ)上,筆者設(shè)計(jì)了如圖11的測試賽道,全長約38m。實(shí)驗(yàn)室測試成績?yōu)?8s跑完全程,平均速度達(dá)到2m/s。圖12為90°彎道過彎圖,粗實(shí)線為引導(dǎo)線,虛線為賽車實(shí)際行駛路線?？梢钥闯?小車實(shí)現(xiàn)了提前入彎,這是比較好的路徑,有效地節(jié)省了時(shí)間。過彎速度的測量,由無線模塊每40ms發(fā)回編碼器測得的速度脈沖,先由直道加速后入彎得到如表1所示的數(shù)據(jù)。由表1可以明顯看出速度的變化,其中62為入彎速度,折合成標(biāo)準(zhǔn)速度為2.4m/s;彎道速度為40,折合成標(biāo)準(zhǔn)速度為1.5m/s,這個(gè)速度很接近平均速度。圖13為360°彎道過彎圖,粗實(shí)線為引導(dǎo)線,虛線為小車實(shí)際的行駛路線?？梢钥闯鰧?shí)現(xiàn)了提前入彎,后半程受舵機(jī)最大偏轉(zhuǎn)角的限制,無法繼續(xù)加大偏轉(zhuǎn),造成有一些跑外道。圖14為S過彎圖,粗實(shí)線為引導(dǎo)線,虛線為小車實(shí)際的行駛路線?？梢钥闯?小車行駛路線已經(jīng)很逼近直道了,