基于單片機(jī)的智能車速度控制系統(tǒng)

作者/ 陶佳 廣東省技師學(xué)院(廣東 惠州 516100)

陶佳(1986-)，男，講師，研究方向：智能控制工程，無(wú)線通信技術(shù)。

摘要：本文重點(diǎn)介紹了基于光電自動(dòng)尋線智能車的速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包含直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊、速度控制策略、速度控制周期等部分。采用兩片MC33886芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，用反射式紅外對(duì)管檢測(cè)電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制，通過(guò)大量的試驗(yàn)，最終速度控制策略采用了增量式PID控制和BangBang控制相結(jié)合的方法，并創(chuàng)新性地使用兩個(gè)中斷相結(jié)合的方法使得速度控制周期為等時(shí)的，從而對(duì)智能車過(guò)彎速度達(dá)到良好的控制。

引言

　　在智能車制作中，利用ATmega16 單片機(jī)作為核心控制單元，以攝像頭為路徑識(shí)別傳感器，分別設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，使得模型汽車能夠自動(dòng)準(zhǔn)確地按照規(guī)定的橢圓路線行駛，速度控制是智能車控制系統(tǒng)最核心的部分之一，本文就如何設(shè)計(jì)智能車速度控制系統(tǒng)做了詳細(xì)介紹。

　　智能車速度控制系統(tǒng)包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，速度檢測(cè)模塊，速度控制策略，速度控制周期等，如圖1所示：

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　系統(tǒng)所用電機(jī)是RS-380型號(hào)的直流電動(dòng)機(jī)，其額定工作電壓為7.2V，能輸出0.9～40W的功率。使用兩片MC33886芯片并聯(lián)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中MC33886為H橋式電源開(kāi)關(guān)IC，該 IC結(jié)合內(nèi)部控制邏輯、電荷泵、柵極驅(qū)動(dòng)器、MOSFET輸出電路，可工作在5~40V電壓范圍內(nèi)。通過(guò)PWM信號(hào)調(diào)節(jié)輸出，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，PWM的控制頻率為1KHz，PWM23可用于正轉(zhuǎn)控制，PWM45可用于反轉(zhuǎn)控制，OUT1和OUT2接于直流電機(jī)上，用來(lái)實(shí)現(xiàn)在直道時(shí)快速加速，彎道實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)剎車來(lái)快速減速。電路圖如圖2所示。

2 速度檢測(cè)模塊

2.1 速度檢測(cè)硬件

　　直流電機(jī)的速度的檢測(cè)方案是：用MATLAB自制黑白相間且均勻等分的編碼盤，如圖3(a)所示。將編碼盤黏貼于圓盤上，當(dāng)圓盤隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用反射式紅外對(duì)管ST188接收強(qiáng)弱交替變化的反射光，再通過(guò)I/O口將高低脈沖電平傳給單片機(jī)的輸入捕捉中斷中進(jìn)行計(jì)算。自制測(cè)速裝配圖和速度檢測(cè)模塊原理圖分別如圖3(b)和如圖3(c)所示。

　　該方案具有成本低廉、制作容易、負(fù)荷小的優(yōu)點(diǎn)，配合單片機(jī)的輸入捕捉功能可以實(shí)現(xiàn)高精度的速度采集。

2.2 速度的計(jì)算

　　方案中的數(shù)字測(cè)速的計(jì)算方法是采用T法。T法是指在兩個(gè)相鄰的輸入脈沖的間隔時(shí)間T內(nèi)，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)高頻基準(zhǔn)信號(hào)的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，由計(jì)數(shù)值來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，原理圖如圖4所示。

　　計(jì)算公式推導(dǎo)：設(shè)計(jì)碼盤格數(shù)為40，旋轉(zhuǎn)一周能產(chǎn)生20個(gè)脈沖。高頻基準(zhǔn)信號(hào)是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘128分頻獲得，實(shí)際頻率f0=24M/128=187.5KHz。在T法測(cè)速中，測(cè)速時(shí)間T是用計(jì)數(shù)器所得的基準(zhǔn) 信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)M2來(lái)計(jì)算的，即T=M2/f0，對(duì)應(yīng)后輪轉(zhuǎn)速為：n=2/ZT=2f0/ZM2，經(jīng)測(cè)量小車的后輪周長(zhǎng)為17cm，所以小車速度的計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

3 速度控制策略

3.1 增量式 PID 控制^[2]

　　本方案采用增量式PID來(lái)使智能車能夠勻速穩(wěn)定地行駛，增量式PID的速度檢測(cè)信號(hào)M2高頻基準(zhǔn)信號(hào)T計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

　　其中，u_n為當(dāng)前輸出增量;u_n-1為上一次輸出增量;K_p為比例增益;為積分系數(shù);為微分系數(shù);T為采樣周期;T_I為積分周期;T_D為微分周期;e_n為第n次偏差，e_n-1第n-1次偏差。

3.2 BangBang 控制

　　BangBang 控制的思想是：定義速度誤差en為給定速度減去反饋速度，當(dāng)e_n大于設(shè)定值 e_k時(shí)，就強(qiáng)制輸出一個(gè)最大值u_max;反之，如果速度誤差e_n小于設(shè)定值(-e_k)時(shí)，就強(qiáng)制輸出一個(gè)最小值u_max，在速度誤差較大時(shí)，Bang_Bang調(diào)節(jié)比PID調(diào)節(jié)響應(yīng)速度更快、更及時(shí)。計(jì)算公式如式3所示。式中en為給定速度減去反饋速度的差值。

(3)

3.3 增量式 PID 控制配合 BangBang 控制

　　為了實(shí)現(xiàn)，在賽道曲率變化不大時(shí)且智能車高速勻速穩(wěn)定行駛，采用增量式PID控制。在從直道行駛?cè)霃澋罆r(shí)，智能車能夠很快地反轉(zhuǎn)剎車，降低速度，從而良好通過(guò)彎道;在彎道進(jìn)入直道時(shí)，智能車能夠很快地提高速度，以高速在直道上行駛。我們采用的速度控制策略是增量式 PID 控制配合 Bang_Bang 控制，當(dāng)給定速度與反饋速度相差不大時(shí)，采用增量式 PID 控制，當(dāng)給定速度與反饋速度相差較大時(shí)， 采用 Bang_Bang 控制，計(jì)算公式如式 4 所示：

(4)

4 速度控制周期

　　采用的控制周期方案是：

　　測(cè)速程序是通過(guò)單片機(jī)的輸入捕捉中斷來(lái)完成的，即車輪每轉(zhuǎn)一周(0.17m)，將產(chǎn)生 20 次中斷，在這20次中斷過(guò)程中，能運(yùn)行20次的速度檢測(cè)，如果按照平均車速 1.8m/s 計(jì)算的話，那么每一次輸入捕捉中斷的時(shí)間為：0.17/(18×20)=4.7ms，也就是每隔4.7ms得到一個(gè)反饋速度。

　　速度控制程序是指單片機(jī)每隔一定時(shí)間(如10ms)根據(jù)給定的速度和反饋速度進(jìn)行速度的閉環(huán)控制。反饋速度是通過(guò)上面的輸入捕捉中斷方式讀取，給定速度通過(guò)查詢方式獲得。速度控制程序在定時(shí)中斷程序中執(zhí)行，而定時(shí)中斷是通過(guò)模數(shù)遞減計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　這樣程序在運(yùn)行中存在兩個(gè)中斷，并且輸入捕捉中斷優(yōu)先級(jí)高于模數(shù)遞減計(jì)數(shù)器的定時(shí)中斷。輸入捕捉的頻率為定時(shí)中斷的兩倍，這樣，每執(zhí)行一次定時(shí)中斷，反饋速度有兩個(gè)值，由于兩個(gè)值的時(shí)間間隔比較短，取前一次的值代表當(dāng)前速度，并且測(cè)速程序執(zhí)行所占有的時(shí)間極短，因此輸入捕捉中斷對(duì)速度控制程序的影響不大。

　　等時(shí)控制是指控制程序每隔一定時(shí)間執(zhí)行一次，等距控制是指控制程序每隔一定的距離執(zhí)行一 次，由于控制周期不受車速控制，所以等時(shí)控制優(yōu)于等距控制。方案一采用自制的用反射式紅外對(duì)管測(cè)速，價(jià)格便宜，但控制周期是等時(shí)的;方案二采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，價(jià)格昂貴，但測(cè)速精度相對(duì)高，控制周期是等時(shí)的。我們的方案用反射式紅外對(duì)管測(cè)速，價(jià)格便宜，控制周期是等時(shí)的。電機(jī)速度控制的流程圖如圖5所示。

5 仿真結(jié)果

　　圖6為已制作完成的智能車實(shí)物照片，我們?cè)谧灾频呐艿郎线M(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，得出以下試驗(yàn)結(jié)果：獲取了一組比較好的PID參數(shù)，KP=50，KI=3，KD=4，在該參數(shù)下，智能車能夠得到較快、較好且平穩(wěn)的速度。當(dāng)速度誤差en(給定速度減去反饋速度的差值)大于70cm/s時(shí) ，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出un為90%的占空比;當(dāng)速度誤差en(給定速度減去反饋速度的差值)小于-70cm/s時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出un為10%的占空比。在PID和BangBang 控制下速度變化范圍較大，實(shí)現(xiàn)了快速加速，快速剎車。

6 結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，智能車在基于兩片MC33886并聯(lián)組成的驅(qū)動(dòng)上，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制。通過(guò)使用反射式紅外管能夠比較穩(wěn)定和精確地檢測(cè)速度，計(jì)算速度。用于測(cè)速的輸入捕捉中斷 和用于速度控制定時(shí)中斷兩個(gè)相結(jié)合能夠很好地實(shí)現(xiàn)控制周期等時(shí)。使用的PID和BangBang的結(jié)合的控制策略，通過(guò)不斷調(diào)試，選擇合理的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能車根據(jù)路徑識(shí)別來(lái)閉環(huán)調(diào)節(jié)速度，在賽道曲率變化不大時(shí)的勻速行駛，在賽道曲率突變時(shí)的速度急增急減的效果，并且智能夠使智能車長(zhǎng)時(shí)間的良好運(yùn)行，印證了該方法的可靠和有效。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第46頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。