论文研究-三次样条插值在智能车中的应用 .pdf

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三次样条插值在智能车中的应用,薛喜辉,李中美,介绍了一种基于飞思卡尔单片机的双线循迹智能车控制系统,本智能车通过TSL1401线阵CCD采集赛道两边的黑线,以飞思卡尔16位单片机MC9S12
山国武花论文在丝 线性图像采集与处理 图像采集分三^步骤:开始曝光,曝光,读取值图像数据。本研究用中断实现曝光 延时,这样可以在曝光阶段处理其他任务。图像处理:首先采取动态阈值对图像二值化 白色值为,黑色值为,然后再提取值化图像的信息。 )图像边界提取及偏差求取 种方法是从图像的中心向两边搜线,即搜线起点坐标为固定的中心,往左边找到 相邻两个像素点不同即为左边界,同理往右找到右边界,然而这种搜线方法在前瞻较远,过 弯时会丢线,而无法得到准确的偏差,如图所示。另一种方法是采用动态的中心值往两边 搜线,即定义一个二位数组 ,提取的边界的中心值 作为这一次往两边搜 线的起点,从而解决了弯道丢线的问题,如图所示。偏差的求取即为左右边界的坐 标值和减去(线性的总像素点),这种偏差的计算方法可以避免赛道宽度的影响。 图固定的中心搜线 图动态的中心搜线 PD算法结合三次样条插值的舵机转向控制 为使智能车以最快最优的路径行进,必须寻找合理的转向控制算法。常规赛道类型主要 包括小,直道,各种不同半径的弯,总结来看,赛道的元素基本可以看作是各种不同半径 的弯组成,其中直道是半径无穷大的弯,因此,利用不同半径的弯对应的较好路径的偏差对 小车的方向进行控制为主要思路。 所以首先要寻找各种半径需要的对应偏差,根据实验可得如表所示 从而对线性采集到的信息处理得到的偏差设置相应的离散舵机占空比值,实践证 明,在赛道类型相对简单的路况下,小车能以良好的路径行进,比如在半径为的赛道 上行进,线性得到的偏差与设置的占空比有一个适合这个半径的平衡点,即输入偏差 绝对值为左右时,舵机的输出占空比为左右,使得智能车能以这个平衡点以固定打 山国武花论文在丝 脚稳定行进 然而相对连续变化或较复杂赛道类型的赛道,这种离散的对应关系难以淸足要求,甚至 造成震荡。解决的方法是对半径再细分,得到离散点更多的表,然而再对的半径进行更细的 划分是不切实际,而且耗费时间,从而引入三次样条插值算法,使得打脚连续。 样条插值的主要思路是,根据已有的数据点,找到一组拟合多项式,在多项式拟合过程 中,对每组相邻的数据点,用多项式去拟合数据点之间的曲线。 表半径对应表 半径 偏差绝对值机占空比绝对值 设8是的一个划分,δ .x若满足: S(ax)∈C[a,b] s(x;)=f(x;),i=0,12…,n 在每个子区间1i=0,1,2,n上都是次数不超过三次的多项式,且至少在 个子区间上为三次多项式,则称为关于划分8的一个三次样条函数,实用 三次样条插值最普遍 除∫式的个函数值条件外,为」构造唯一的三次样条插值函数,还需补充两个 插值条件。常在区间的端点处各补充一个条件,称之为边界条件。常见的有以下三种边 界条件: 第一边界条件S(a)=f(a),S"(b=f(b); 第二边界条件S"(a)=f(a),S"(b)=f"(b);特别当s"(a)=0,S"(b)=0; 时,称为自然边界。 第三边界条件(周期边界条件)。当(x)是以为周期函数时,也必须是 为周期函数,相应的边界条件为S((a+0)=S(b-0),k=012 样条函数是函数逼近的一种方法,样条函数对象的插值结果可以由函数绘制出 来,其相应的代码如下,得到的舵机拟合曲线如图所示。 山国武技论文在丝 200 m 图舵机拟合曲线 同时舵杋采用控制,舵杋控匋的输入量为线性采栟得来的偏差,通过舵机转 向角不同控制车模转向消除车模距离道路中心的偏差,根据动态补偿的非线性系统的近似 最优控制,比例采用动态值,即三次样条插值所得的值除以偏差所得,微分的 作用是用来使智能车在运动的状态下保持相应偏差所需的占空比,同吋附带提前转弯的效 果,的选取应该从小往大取值,直到岀现震荡再稍微往小调,通过合理的选取值,可 以实现较好的路径。 PID算法结合三次样条插值的速度控制 木文采用算法结合三次样条插值来控制驱动电机的速度。 一般来说速度控制并不是最困难的,智能车要以最短的时问完成全程,车处在不同赛道 段的速度给定才是最有难虔的。我们首先考虑如下:直道应当尽量快,弯道也要尽量快,直 道进弯要减速,弯道出直道可以适当加速 为此我们最先采用偏差值来设定速度值,最终发现效果不是很好,分析原因如下:小 有偏差,导致减速;在大等弯道会出现偏差小,车体还没回到合适的姿态,就给较大的速 度值,导致之后的姿态也不好控制,严重影响路径 最终我们采取了一种只根据当前舵机偏转角度输出佶确定速度的方法,这种方法的直道 进弯减速效果不那么明显,但稳定性好,实际能达到的平均速度优于之前的速度给定方法 同样的,当对速度设置离散的对应关系时,由于速度变化差值较大,对不同摩擦力的地面, 在速度调节上会由于超调使速度在半径不变的情况卜不能达到稳定状态,严重影响路径,所 以在寻找不同半径的稳定速度情况卜,应该使速度变化平滑连续,充分利用不同半径不同速 度的特征,使得速度设置达到最优,同理,实验得到离散点如表所示,用三次样条插值对 离散的速度值进行插值。相应的代码如下,插值结果如图所示。 山国武技论文在丝 表速度对应表 庇机占空比绝对值 速度占空比 240 k 250 270 35C 图速度给定曲线 系统调试 为了更好地实时了解智能车系统的状态,我们用开发专门的上位机来观测智能车系 统的转向参数和速度曲线 在没有结合三次样条插值的舵机转向控制上如图所示,可见在过弯时,打脚不稳 定,出现震涝。对应的,在没有结合三次样条插值的速度控制上如图所示,弯道中 速度没有很好的跟随设定速度,这也是舵机转向的不稳定造成。 从另一方面,结合了三次样条插值的舵机转向控如图所示,相应的,结合三次 烊条插值的速度控制如图所示。显而易见,加入三次样条插值后,舵机打曲线更 加平滑,速度跟随良好,从而系统的稳定性和快速性有明显提高 yY轴坐标 setmPWM 抽坐标 图无三次样条转向曲线 山国武技论文在丝 油坐标 setsPwm 150 {轴坐 图无三次样条速度出线 1900Y轴坐标 setmPWM 轴坐标 图三次样条转向曲线 50I坐标 sespO z坐 图三次样条速度曲线 总结 在飞思卡尔 类型单片机基础上实施的各功能模块规划设计,最大限度的 山国武花论文在丝 使用了单片机自身資源,通过三次样条插值规划出各种半径对应的期望舵机占空比和设定 的速度脉冲值,结合算法来控制舵机转向,结合算法控制电机速度,避免了智能 玍易于偏离预定轨道的问题的发生而能以良好硌径稳定可靠行进,且能以尽可能快的速度抵 达目的地,验证了三次样条插值方法在智能车路径优化中应用的有效性。 参考文献 朱昌平,曾晓阳,刘艳通过六大赛事促进大学生实践创新能力的提高实验室研究与探 机器人机械系统原理理论、方法和算法.北京:机械工业出版社 李兴泽,工福平.基于摄像头的小区自动循迹停车系统.计算机应用 王阿妮,马彩文,马冬梅序刎图像中运动目标的自动提取方法光子学报,, 艾超,基于方向小波变换的图像边缘检测算子研究西安:西安电子科技大学, 李盼池,施光尧基」数值积分的离散过程神经阏络算法及应用系统工程哩论与实践 樊天锁,芮兵样条值的 实现仹木斯大学学报白然科学版, 李萱.小波神经网络特征提取技术在图像边缘检测屮的应用.成都;电子科技大学, 高德欣,魏蕊,唐功友非线性系统近似最优动态补偿控制控制理论与应用,

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