Разработка системы объезда препятствия

Шубникова И. С., Крюков А. И., Палагута К. А.

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБЪЕЗДА ПРЕПЯТСТВИЯ

Современное общество характеризуется непрерывным увеличением объема транспортного сообщения. При этом рост количества транспортных средств зачастую опережает развитие дорожной сети. В этих условиях задача обеспечения безопасности, надежности и качества автотранспортного сообщения чрезвычайно усложняется. А ее игнорирование приводит к образованию так называемых «заторов», повышению уровня аварийности, экономическому ущербу. Для поиска эффективных стратегий управления транспортными потоками в мегаполисе необходимо учитывать широкий спектр характеристик транспортного потока, закономерности влияния внешних и внутренних факторов на его динамические характеристики.

В проекте рассматривается задача предотвращения столкновений модели автомобиля с различного рода препятствиями. В основе идеи разработки данной системы лежит система управления движением автомобиля по сигналу ультразвукового датчика (парковочного радара или парктроника), поступающего в микроконтроллер, обрабатывается, после чего происходит управление приводами автомобиля.

Для решения поставленной задачи необходимо скомпоновать систему, состоящую из модели автомобиля, управляющей схемы, сервопривода, ультразвукового датчика и элементов питания. На рисунке 1 изображена структурная схема компоновки системы.

Ультразвуковой датчик

Аккумуляторная

батарея

Рис. 1. Структурная схема системы.

В модель были строены дополнительные устройства:

ультразвуковой датчик - для определения наличия препятствия на пути движения автомобиля, подключенный к управляющей схеме системы;

сервопривод, на котором закреплен ультразвуковой датчик - является аналоговым сервоприводом, используется для поворота датчика вокруг своей оси, также подключен к схеме управления;

схема управления - содержит микроконтроллер, несколько элементов понижения и управления напряжением и разъемы подключения устройств системы.

Для обеспечения слежения за объектами вокруг автомобиля парктроник закреплен на поворотной оси сервопривода, положением которого управляет также микроконтроллер. На рис. 2 показана блок-схема системы управления.

Аккумулятор

ч___________

Рис. 2. Блок-схема управления.

Привода модели в данном случае являются стандартными двигателями постоянного тока.

Питание системы осуществляется с помощью аккумуляторной батареи на 12В, закрепленной на днище автомобиля.

Для управления системой использован микроконтроллер фирмы ATMEL семейства «mega» ATmega8 - 8разрядный микроконтроллер с 8 Кб внутрисистемно-программируемой Flash памятью.

Микроконтроллер осуществляет управление сервоприводом, на оси которого закреплен ультразвуковой датчик, тем самым обеспечивая контроль наличия препятствия на 27 0° вокруг автомобиля. Для удобства получения сигнала от ультразвукового датчика в конечную схему управления включена готовая схема парковочной системы, сигналы которой снимаются управляющим микроконтроллером.

В результате проектирования и разработки системы получилось устройство, позволяющее продемонстрировать возможности микроэлектроники при управлении объектами. Полученное устройство позволяет контролировать и объезжать препятствия за счет установленной системы управления. Для проверки правильности работы устройства была написана управляющая программа поиска альтернативных направлений движения автомобиля.

После сборки устройства проведено несколько испытаний, в результате которых получены результаты позволяющие судить о работе системы и устройства.

При включении питания системы автомобиль начинает двигаться прямо до препятствия, которое распознается с помощью ультразвукового датчика. По сигналу микроконтроллера автомобиль останавливается на расстоянии около 1,5 метра до препятствия и отъезжает назад на 10-15 сантиметров. Это описано в программе управления для обеспечения достаточного места маневра автомобиля. После чего сервопривод поворачивается вместе с установленным датчиком на 90° вправо для поиска препятствия. Препятствия справа не найдено, и автомобиль поворачивает направо и продолжает прямолинейное движение до обнаружения следующего препятствия.

На рисунке 3 показан пример обнаружения препятствия и поворота в сторону отсутствия препятствия.

Рис. 3. Обнаружение препятствия.

Программа объезда препятствия заключается в том, что при включении питания автомобиль начинает двигаться прямо и после обнаружения препятствия перед собой останавливается, система управления производит поиск препятствия справа и дальнейший поворот направо в случае отсутствия препятствия справа, или влево в случае его наличия справа.

Рис. 4. Объезд препятствия.

После этого автомобиль двигается вдоль препятствия, а ультразвуковой датчик контролирует наличие препятствия слева (в случае поворота направо) или справа (в случае поворота налево). Если датчик фиксирует наличие препятствия, то автомобиль продолжает двигаться прямо. В микроконтроллере запускается счетчик, который работает все то время пока автомобиль двигается вдоль препятствия. Когда препятствие «заканчивается» счетчик останавливается и сохраняет конечное значение в памяти микроконтроллера. Автомобиль в это время останавливается, поворачивает налево (направо) и двигается прямо. Датчик, в свою очередь, также контролирует наличие препятствия, когда препятствие «заканчивается» автомобиль поворачивает налево (направо), счетчик начинает уменьшать значение, и когда оно станет равным нулю, автомобиль остановится, повернет направо (налево) и продолжит своё первоначальное направление движения. Графическое описание работы этой программы показано на рисунке 4.

Одним из направлений совершенствования устройства является устранение тупиковых ситуаций, изображенных на рисунке 5 а) и б), путем изменения управляющей программы, в следствие чего будет производиться поиск препятствий позади автомобиля и выхода из тупика задним ходом с дальнейшим использованием программ объезда препятствий и поиска альтернативных направлений движения.

Также возможно изменение структуры устройства путём включения дополнительного ультразвукового датчика для поиска препятствия только позади автомобиля, или закрепить его на одной оси с уже установленным для поиска препятствия в противоположном направлении от первого. Это даст более быструю реакцию системы на появление и обнаружение препятствия.

Препятствие

а)

/ \ Препятствие

б)

Рис. 5. а) и б). Тупиковые ситуации.