基于多传感器融合的直立小车的研制

摘 要

基于智能小车广泛的应用前景，本文研制了一款基于多传感器融合的直立智能小车。该直立智能小车以K60处理器为核心，配置线性CCD摄像头、陀螺仪和加速度模块，通过传感器协同作用实现对整辆车的控制，使小车具有直立行走、循迹等功能。通过实验测试，所研制的小车达到了能够在不在认为的辅助下自动直立静止或是沿着黑色的赛道循迹前进的性能。

【关键词】多传感器 K60 直立行走 循迹 PID算法

本文研制的小车集成了许多传感器模块，包括：陀螺仪模块、加速度模块、线性CCD、以及测速模块等。通过这些模块采集到的数据对小车当前直立的角度、速度、还有前方道路情况进行分析。再通过K60对采集到的数据进行处理后对小车的直立、前进速度、拐弯等做出相应的控制，使小车实现直立行走的功能。

1 小车硬件设计

1.1 总体设计思路

总体设计如图1所示。通过姿态传感器陀螺仪ENC-03和加速度MMA7361的互补滤波得出保持小车直立的速度、线性CCD对道路进行预判、编码器采集小车速度进行速度闭环控制。通过CAD把各个模块集成到同一块系统板上。再由K60通过PID算法、PWM控制、互补滤波等算法对小车进行精确控制，使小车可以直立循迹行走。将这四类传感器的信息融合。融合后由 K60芯片做出反应，将信号传给电动机，使小车直立行走。

1.2 CCD摄像头部分

线性CCD摄像头主要功能是采集赛道的信息，采集到的是电平量，其中黑线为低电平，空白部分为高电平，通过对比低电平偏离正常位置的量确定需要前进的反向。此外，摄像头架立在小车的上方，加上广角镜头可以看到跟前方的跑道，以便提前预判是否需要拐弯，避免拐弯时因为来不及减速而冲出跑道。

1.3 K60芯片

随着智能控制的发展，32位的微处理器正在成为主流，K60配备2路12位的数模转换器DAC，最高可超频到200M，为多个传感器的融合使用、大量的采集数据分析，减少指令循环周期，提高控制效果和精确度奠定了基础。

1.4 陀螺仪和加速度

陀螺仪的原理是指：在不受外力的情况下旋转物体的转轴会指向一定的方向，人们利用转轴的的偏离程度来确定物体偏离某确定方向的程度，并且将偏移量转化成电信号输出。因此我们可以用陀螺仪来测量小车的偏移角度。加速度传感器可以测量小车偏离平衡位置的加速度，并且将加速度转化为电信号的模拟量。将测量到的偏移角度和偏移角加速度利用互补滤波得出小车保持直立的状态。在硬件搭建是要注意加速度模和陀螺仪模块要保持严格的水平和垂直，以免采集的数据误差大。

1.5 编码器

将编码器的齿轮与小车电机的齿轮咬合，利用测量编码器的转速间接测量小车电机转速。编码器利用对光脉冲个数的统计来确认自身的速度，通过计算最终得出小车速度并作为反馈量输入。使用157线的编码器，每隔50m进行一次速度控制，统计到的脉冲数为N，则实际速度=N*1000/50/157转/秒，将实际得到的速度作为反馈量用于PID控制，从而做到对车模的速度进行控制。

2 小车软件设计

2.1 程序设计框图

小车的速度由直立平衡的互补滤波、决定方向PD控制、决定速度的PI控制，三个量叠加后得出输出的速度量。最终通过PWM控制算法控制电机。软件框图如图2所示。

2.2 小车直立的控制

小车直立控制是使小车保持直立，它通过对陀螺仪和加速度采集到的倾斜角度和角加速度进行互补滤波实现。程序框图如图3：

2.3 小车速度控制

小车速度控制通过PI算法实现，使速度保持为设定值。程序如图4。

2.4 小车方向控制

小车方向控制是通过分析线性CCD 模块采集到的数据得出的赛道信息，从而进行拐弯或直走。程序如图5所示。

2.5 小车PWM控制

将得到的直立速度，方向信号，速度信号进行叠加得到最终速度输出量，最终通过PWM控制来控制电机。程序如图6。

3 测试实验结果

3.1 方向控制调试

经过反复的参数整定，最终小车实现直立循迹的功能，其在行走过程中的数据通过蓝牙发送到上位机。如图7所示为方向控制的测试结果：

如图7所示：线①代表方向控制加在左轮上的速度量。线②代表方向控制加在右轮上的速度。区域③是小车经过虚线时波形波动比较大。区域④是指方向控制加在左右轮的速度为零也就是直走。区域⑤指的是方向控制加在左轮的速度为正值，加在右轮的速度为负值，代表着小车右拐。区域⑥表示加在右轮速度为正值，左轮无速度，表示左转弯。

3.2 小车直立测试

在对陀螺仪和加速度进行互补滤波后虽然波形相对比较平滑，但是会出现过冲，影响小车直立的稳定性，因此要对波形进行拟合。

3.3 小车的调试

在多次反复的修改数据和测试中不断地对小车的控制参数进行优化，最终使小车顺利完成任务。小车调试的部分参数结果如图9：

3.4 总结

经过多方的调试和对硬件和软件的优化，最终小车成功地在跑道上循迹且稳定直立行走，实现预期的功能。

4 结束语

本小车是基于多传感器融合的直立智能小车，意在通过各种简单的传感器和算法的有机结合，通过各种数据的采集、转换，最终用来控制小车，使小车具有直立行走、循迹的功能。本小车结构简单，使用PID算法，清晰灵活，但是仿人化程度还不够高，以后着重研究使其赋予更多人的行为，而不仅仅局限在直立上。加以推广和深入研究后，可以小车在很多领域代替人实现各种任务。因此，对直立小车的更深入研究意义重大。

参考文献

[1]李宝泉，智能小车的设计与制作[J].电子制作，2011（07）.

[2]周冰，李田，胡仁喜等编著.Altium Designer Summer 09从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2008.

作者简介

陈昕儒（1993-），男，福州大学电气工程与自动化学院本科在读学生，专业为电气工程与自动化。

陈鹏（1992-），男，福州大学电气工程与自动化学院本科在读学生，专业为电气工程与自动化。

刘志栓（1993-），男，福州大学电气工程与自动化学院本科在读学生，专业为电气工程与自动化。

李玉榕（1973-），女，博士。现为福州大学电气工程与自动化学院教授，研究方向为控制系统分析与设计。

作者单位

福州大学电气工程与自动化学院 福建省福州市 350116