智能汽车设计实践：车模特殊元素处理

赛道上的特殊元素考验车模的稳定运行能力,如何对特殊元素进行恰当处理,是参赛车模取得好成绩的决定性因素。下面将对赛道上特殊元素的处理进行详细的介绍。

(1)环岛元素

图7.19(a)所示为环岛的示意图,环岛元素相当于一个侧边的圆环,车模行驶到环岛时,需要从一侧进入,在环岛中行驶一圈之后,从另一侧驶出。图7.19(b)所示为环岛元素的处理流程框图,环岛的处理可以分为4个阶段,即判断环岛、入环、环内循线、出环循线。下面将针对这4个阶段进行详细的介绍。

图7.19　环岛示意图及环岛处理流程框图

1)环岛特征及检测

环岛元素相比于其他赛道元素最明显的特征是在车模行驶至环岛附近时,会检测到两条成一定夹角的线,以五电感循线为例,此时的横电感值和竖电感值会明显增大,而在接近圆环与直线交界点时,两侧横电感以及两个竖电感的值都会减小,中间横电感值则会逐渐达到最大值。车模行驶至环岛时,对应具备该特征的位置为图7.20中的①。

图7.20　环岛处理各阶段划分图

2)入环循线

环岛内的循线不能按照基础循线进行,因为在入环点若采用普通循线,车模可能会冲出赛道或者沿着直线行驶过去。此时应该主要依靠竖电感来进行循线,因为横电感为主的普通循线主要检测的是直道等,而竖电感对弯道更加敏感,所以采用竖电感循线为主,才能更好地进入环内。车模行驶至环岛时,对应具备该特征的位置为图7.20中的②。

3)环内循线

入环之后,若继续以竖电感循线为主,车模可能会在急弯处冲出赛道,所以,环内要切换循线方式,切换为正常循线模式,主要以横电感来进行循线。车模行驶至环岛时,对应具备该特征的位置为图7.20中的③。

4)出环循线

经过绕环一周的循线之后,车模会再次行驶至可以检测到两根通电导线的位置,此处的情况较复杂,不同半径的环的各种特征值都存在较大的差异,此外,车模出环时的运行姿态也会有较大的影响。总体的特征趋势是两个竖电感中外侧电感值明显增大,并且与内侧电感的差值较大,此外,也可能会伴随着中间横电感值的增大。车模行驶至环岛时,对应具备该特征的位置为图7.20中的④。

在出环点附近的位置比较特殊,车模可以同时检测到一根斜着的通电导线以及一根横着的通电导线。此处如果继续采用环内循线,会因为竖电感值偏差太小而冲出赛道,而使用普通循线的方式也可能会发生相同的情况,或者会因为车模姿态不正,再一次冲入环岛内。所以,在出环岛部分,需要采用另外的特殊循线方式。经过尝试,在偏差计算过程中,将分母的中间横电感乘以一个较大的系数,使偏差整体缩小,车模能循直线出环,系数由经验给出。

(2)断路元素

图7.21(a)所示为断路的示意图,断路元素相当赛道消失,仅留下蓝色背景布,赛道颜色发生突变。图7.21(b)所示为断路元素的处理流程框图。断路的处理可以分为3个阶段,即判断断路、断路循线、驶出断路。下面将针对这3个阶段,进行详细的介绍。

图7.21　断路示意图及断路处理流程框图

1)断路特征及检测

断路元素相当于赛道突然消失,只存在电磁线进行引导。车模底部装有特殊的灰度传感器,用以检测赛道的灰度值,当车模行驶至断路区域时,灰度传感器所检测得到的灰度值会发生十分明显的跳变且灰度值较低,通过设定一定的阈值即可检测车模是否行驶至断路区域。对应具备该特征的位置为图7.22中的①。

2)断路循线

由于车模选择采用电磁主循线,因而断路循线与普通赛道循线方式并无任何差异,仅仅只需要进行状态切换即可。对应具备该特征的位置为图7.22中的②。

3)驶出断路

当车模行驶出断路区域时,灰度传感器所检测得到的灰度值会发生十分明显的跳变且灰度值较高,通过设定一定的阈值即可检测车模是否行驶至断路区域。对应具备该特征的位置为图7.22中的③。

图7.22　断路处理各阶段划分图

(3)坡道元素

坡道的存在对于直立车而言是一个巨大的挑战,坡道意味着车模在通过时必须及时切换车模姿态,因为坡道实际上对于车模的直立环是一个强干扰,若车模角度切换不及时,当车模以高速冲击坡道时,会直接导致车模动能迅速损失而无法冲上坡道。

如图7.23(a)所示即坡道的示意图,图7.23(b)所示为断路元素的处理流程框图。坡道的处理可以分为4个阶段,即坡道判定、上坡循线、坡中循线、下坡循线。下面将针对这4个阶段,进行详细的介绍。

1)坡道特征及检测

一般情况下,车模在通过坡道时电磁信号会发生十分明显的变化,如横电感的电感值在电磁杆靠近坡道中部的电磁线时会迅速增大,提取该特征并用竖电感排除环岛特殊元素的干扰即可识别出坡道。然而,第十四届比赛题目的要求对车模的机械结构有较大的改变,电磁杆的高度相比往年更低一些,在该高度下,电磁信号增大的特征并不明显,因而需要考虑别的方案来通过坡道。

通过检测车模上方安装的红外测距模块返回的距离值来识别坡道,当车模运行至坡道前方时,红外测距模块检测的距离将急剧缩小,因此设定一定的阈值,再加以人工辅助判断区分坡道和横断,就可以较为简单地达到识别坡道的目的。对应具备该特征的位置为图7.24中的①。

图7.23　坡道示意图及坡道处理流程框图

图7.24　坡道处理各阶段划分图

2)上坡循线

车模上坡的方案一般有两种,一是使车模抬头,即让车模俯仰的角度高过坡道,通常,在车模的速度没有达到快速冲坡的情况下,抬头能够增大车模轮胎与地面的力矩,从而达到上坡的目的。二是使车模低头,让车模能够以一个不是特别低的角度冲坡,这种方案比较适合速度较快的车模,目的是让车模撞击坡道,尽快降速,防止车模在过坡时飞出坡道,但需要注意的是车模在冲坡时角度不可太低,因为若车模角度过低,高速撞击坡道将会使车模直接停止运行。(www.xing528.com)

通常情况下,选择让车模抬头通过坡道是一种较为稳妥的过坡方式。因为低头冲坡如果把握得不好,车模将直接撞击在坡道上停下。

3)坡中循线

通过设定一定的距离阈值,当车模行驶的距离大于该阈值时,即可判定车模进入到了坡道中间。车模运行在坡道中间时,坡道中间为小平台,适合车模以正常角度通行,不需要进行特殊处理。因此车模在经过上坡阶段后,即将进入坡道中部小平台时应尽快将车模姿态切换为正常运行姿态,对应具备该特征的位置为图7.24中的②。

4)下坡循线

当车模行驶的距离大于该阈值,即可判定车模进入到了下坡阶段,下坡阶段车模一般运行的方案也有两种,一种是使车模稍微抬头下坡,使车模后方的底板刮蹭到坡道,稍微干扰车模的直立环,达到瞬间加速的目的。这对于直立车模而言实际上是一个加速机会,一般情况下如果车模的速度不够,希望能够瞬间提速,稍微抬头下坡是一个不错的方案;第二种则是让车模低头下坡,该方案的目的则是让车模在下坡过程中不让后底板刮蹭坡道而加速导致车模运行速度过快而失控。相较于第一种下坡方式,这种方式更加稳定可靠,一般而言都会在下坡阶段低头,让车模能够稳定地通过坡道。对应具备该特征的位置为图7.24中的③。下坡结束后,车模恢复正常直立姿态运行即可。

除了通过距离划分坡道以外,还可以通过对电磁信号识别来对坡道的阶段进行区分,例如电磁信号在上坡阶段电感值会急剧增大,进入坡道时电感值会减小,而后即将下坡时电感值又会减小。

(4)横断元素

横断的存在对于直立车而言也是一个巨大的挑战,一般情况下因为直立车模机械结构无法减速或减速较慢,无法像四轮车模一样瞬间减速。因此,车模在经过横断时不能速度过快,否则将在通过横断时失控而直接撞击横断,横断的存在也直接限制了车模运行的最高速度。

如图7.25(a)所示即横断的示意图,图7.25(b)所示为横断元素的处理流程框图。横断的处理可以分为4个阶段,即横断判定、出赛道循线、通过横断循线、返回赛道循线。下面将针对这4个阶段,进行详细的介绍。

图7.25　横断示意图及横断处理流程框图

1)横断特征及检测

通过检测车模上方安装的红外测距模块返回的距离值来识别坡道,当车模运行至横断前方时,红外测距模块检测的距离将急剧缩小,因而设定一定的阈值,再加以人工辅助判断区分坡道和横断,就可以较为简单地达到识别横断的目的。又因为车模可能需要以三轮和直立两种姿态通过横断,车模上方一般安装两个不同俯仰角度的测距模块,分别用于两种姿态检测角度。对应具备该特征的位置为图7.25中的①。

2)出赛道循线

当测距模块检测到横断后,车模需要依据当前测距传感器检测得到的距离和车模运行速度来决定车模驶出赛道的行驶曲率,通常情况下,在检测到距离小于1m时,车模就必须开始转向,这是因为测距模块存在一定的测量延时,若不提前转向,车模很有可能就将刮蹭横断或撞击在横断上。

而车模的行驶曲率实际上为车模的规划运行路径,车模运行线速度与转向角速度已知,即可求得当前车模的运行曲率,而给定期望曲率,就可以给定车模下一时刻的运行效果。给定单一曲率,让车模能够沿着圆弧运行即可满足车模绕开横断驶出赛道的目的。可以设定一定的角度阈值,当陀螺仪积分得到的转向角度超出角度阈值时,即可认为车模已经驶出赛道,可以进入绕行横断的下一个阶段。对应具备该特征的位置为图7.26中的①—②。

3)通过横断循线

当车模成功绕行横断驶出赛道后,需要及时转向朝着赛道的方向偏移。通常情况下,这一阶段车模也是给定既定的一个行驶曲率,达到成功绕过横断,朝着赛道的方向缓缓偏移即可。对应具备该特征的位置为图7.26中的②—③。

4)返回赛道循线

图7.26　横断处理各阶段划分图

当车模结束了上一个阶段的行驶过程,即将切入赛道时,需要让车模缓缓地朝着赛道前进的方向进行微小角度得矫正。一般情况下,可以利用车模上的竖电感来检测是否可以进行小角度矫正,当车模上的竖电感的电感值超过一定的阈值时,实际上车模就已经即将切入赛道,此时就可以让车模进行小角度转向矫正,以达到缓缓切入赛道的目的,使得车模下一时刻能够顺滑地驶入赛道。对应具备该特征的位置为图7.26中的③—④。

这个阶段的小角度转向矫正实际上车模也是给定一定的期望曲率来实现的,并且整个横断的行驶过程也是通过检测车模的转向角度来进行阶段的区分。

(5)直道元素

直道的存在对于直立车而言是一个相当巨大的挑战,车模在直道上运行时间过长,车模的速度将会变得非常快,最终在无限加速的情形下导致车模失控。因而,及时识别直道,尤其是长直道,对车模的运行倾角进行修正是车模运行稳定的重要因素。

图7.27(a)所示为直道的示意图,图7.27(b)所示为直道元素的处理流程框图。直道的处理可以分为3个阶段,即直道判定、直道循线、驶出直道。下面将针对这3个阶段进行详细的介绍。

1)直道特征及检测

通常情况下,直道的检测主要依赖于电感偏差的处理,在直道上,车模电磁信号偏差将会变得很小,而当车模的电磁信号偏差较小这种情形维持一段时间后,即可判断车模运行在直道上,若电磁信号偏差较小这种情形保持较久,则可以认为车模运行在长直道上。对应具备该特征的位置为图7.28中的①。

图7.27　直道示意图及横断处理流程框图

图7.28　直道处理各阶段划分图

2)直道循线

车模在检测到直道后,应该及时将运行倾角向上倾斜,以达到降低车模运行加速度的效果。对应具备该特征的位置为图7.28中的②。

3)驶出直道

当车模的电磁信号偏差突然变大,即可认为车模已经驶出直道,此时将姿态切换为正常姿态即可。对应具备该特征的位置为图7.28中的③。

图7.29所示为车模运行的整体时序图,详细描述了车模运行过程中各PIT间的关系。

图7.29　车模运行整体时序图