基于嵌入式系统的多功能智能小车设计与实现
发表时间：2018-08-10T15:25:27.203Z 来源：《科技中国》2018年4期作者：仝瑞宁姚建国王庆惠
[导读] 摘要：智能小车是一个集环境感知、规划决策、循迹避障、自动行驶等功能于一体的综合系统。它集中地运用了计算机、传感、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体，可应用在无人驾驶机动车、无人生产线、货物搬运、航空航天、军事等领域。目前，
摘要：智能小车是一个集环境感知、规划决策、循迹避障、自动行驶等功能于一体的综合系统。它集中地运用了计算机、传感、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体，可应用在无人驾驶机动车、无人生产线、货物搬运、航空航天、军事等领域。目前，由于智能小车的本身的局限性，其应用推广还面临诸多困难。因此，完善其结构和功能，从而提高其智能性，有重要的理论意义和应用价值。本文主要概述基于嵌入式系统的多功能智能小车的研究现况及其设计与实现，对此做出阐述，提升小车的智能性，完成相关的功能设计。
关键词：嵌入式系统控制；智能小车；PID控制；PWM调速；
引言：设计并实现一种基于嵌入式系统的智能小车。结构上具有全向轮和自动升降的车底的特点，有助于行进中的转向和避障。利用多路光电、红外、超声传感器实现对行驶环境信息的采集，通过嵌入式编程实现对传感器数据的处理与分析，根据分析结果控制小车的行驶速度、方向及车底的升降。小车可以采取和传输图象，也可以接收控制信号并按此行驶。
一、智能车辆的发展概况概述
（1）国外智能车辆研究现状
国外智能车辆的研究始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段：
第一阶段：20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS (AutomatedGuided Vehicle System )。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台。但它却具有了智能车辆最基本的特征即无人驾驶。随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。
第二阶段：从80年代中后期开始。世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目于1986-1995年成立了国家自动高速公路系统联盟(NAHSC)，其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，促进日本智能车辆技术的整体进步。进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。
第三阶段：从90年代开始。智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基梅隆大学(CarnegieMellon University )机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车(Navlab1—Navlab10)的研究，取得了显著的成就。目前，比较引人注目的成果有谷歌、UBER、奥迪的无人驾驶汽车。
（2）国内智能车辆研究现状
我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有：中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为130km/h，最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。
二、嵌入式智能小车采取的研究方法与技术手段
（1）研究方法
采用文献研究与实验研究相结合的方法。首先，查阅有关文献，全面地、正确地了解掌握智能小车的研究现状，在前人研究的基础上确定我们的研究思路。然后设计小车的实验方案并对方案进行逐步验证，并根据验证结果进行完善。
（2）技术手段
①研究实现全向轮的升降车底的机械原理，利用CAD软件设计出车体结构，然后生产车体各部件并进行组装。
②利用嵌入式模块作为小车的智能控制中心。
③通过编程实现对智能小车的平稳运行控制。计算出合理的PWM值使嵌入式智能小车在启动与停止时平稳加减速，寻迹时运用数自整定的模糊控制算法对小车速度进行闭环控制。该算法通过对寻迹路径的偏差及偏差的导数进行模态划分，产生对应的控制规则，以达到消除偏差的目的。小车在前进过程中，根据不同的路况给出不同的速度给定值，通过模糊控制器进行速度调节，以缩短小车的速度控制响应时间，减小稳态误差。系统将小车的角度变化率反馈给模糊控制器，通过修正规则进行模糊参数的自整定。
④通过编程实现全向轮的转向和车底的升降。根据对传感器数据的分析结果及行驶的需要，向控制全向轮转动的电机发出控制指令。在需要跨越障碍时，向控制车底升降的模块发出控制指令。
三、智能小车控制系统的实现方案
（一）系统模块器件的选用
选择用S3C2440作为核心控制器。系统的动力由L298N驱动5V直流电机提供，传感器用的是HC-SR04超声波模块，20线的光电编码器作为速度测量系统。声报警选用常用的蜂鸣器即可，至于光报警则只需要一个普通的发光二级管，显示部分则选用的是LCD液晶显示。
（二）智能小车的运行调试
在搭建好各个模块和调试好各部分程序之后小车应该能按照以下的流程去运行：首先按下电源开关小车的电机运转，此时的小车是不调速的，它的初始速度由程序中给定。此外在小车的LCD显示器上会显示当前的速度和超声波检测到的距离。在小车运动的过程中小车与障碍物的距离会实时更新，关于超声波采集和显示的周期都是由定时器中断函数去控制的，当小车检测到与障碍物的距离小于40cm这个给定值的时候小车的速度会自动的降低，这个由PWM调速程序控完成。当小车与障碍物的距离小于20cm这个给定值的时候，单片机执行中断函数，中断小车正常的直行改为转弯，同时小车的蜂鸣器发声，二极管发光。利用光电、超声波传感器和数字图像处理的路径提取方法检测计算窄弯、窄道宽度，结合车身宽度，计算合适的车速与驶入位置,若检测到不能通过则停止。通过PWM控制电动小车的行驶速度，并可以自动记录里程和速度，采集、处理、传输图像信息和与无线通讯终端的无线通信，从而实现对各功能模块的全局协调控制。