車牌抓拍系統(tǒng)試驗電動車定速控制系統(tǒng)設計

詹德佑

(浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，杭州 310000)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，電動車可以代替人們完成部分工作，降低工作人員的危險性和人員勞動強度，提高工作效率。電動車漸漸地被應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、救護救災、地質(zhì)探測、科技研發(fā)等領(lǐng)域。使用電動車也可代替實際車輛完成車牌抓拍系統(tǒng)有效性的檢測工作。電動車較實際車輛體積小，可自動控制，不需要司機駕駛，調(diào)試方便安全。承載車牌的電動車在通過車牌抓拍系統(tǒng)檢測區(qū)域時，車牌抓拍系統(tǒng)應捕獲所載的車牌，并加以識別，從而可檢測抓拍系統(tǒng)在不同車速、環(huán)境下的有效性。項目旨在設計一款實現(xiàn)模擬以一定速度運動中的車輛遙控電動車，以方便檢測車牌抓拍系統(tǒng)在不同速度下、不同環(huán)境下抓拍車輛牌照的穩(wěn)定性。根據(jù)車牌抓拍系統(tǒng)的測試要求，模擬車速分級為5、20、40、60、80 km/h，并使其具有高時效性和高穩(wěn)定性。

1 控制系統(tǒng)設計

根據(jù)車牌抓拍系統(tǒng)的工作特點，電動車控制系統(tǒng)主要控制在目標區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定速控制，可通過設置實現(xiàn)不同目標速度的設置(最高80km/h)，在遙控啟動后3s內(nèi)達到設定速度，并維持設定速度不變。為保持車速恒定，采用光電傳感器進行速度檢測，通過算法處理實現(xiàn)反饋控制。電動車控制系統(tǒng)由STM32F103單片機作為主控制器，采取遙控與機載控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式，在需要人工干預的時候切入人工干預；車的起?？刂朴蛇b控器控制，并可干預電動車的運動方向，速度控制由機載控制器實現(xiàn)。遙控車定速控制系統(tǒng)設計原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)分為以下兩大模塊：遙控控制模塊、速度控制模塊。

圖1 遙控車定速控制系統(tǒng)設計原理圖

2 硬件設計實現(xiàn)

2.1 遙控控制

遙控控制主要控制電動車的啟停及完成測試后的返回。遙控器與接收機之間的通訊采用2.4GHz無線通訊方式。遙控器將二路遙桿的位置信息調(diào)制到2.4GHz的載波頻率上，接收機接受到信號以后，將信號解調(diào)，輸出二路頻率為100Hz的PWM脈寬調(diào)制波分別送至單片機和舵機。PWM波的占空比與遙桿的位置有關(guān)，范圍在10%～20%以內(nèi)。舵機的占空比在15%時，前車輪方向向前；占空比小于15%時，前車輪方向向左，占空比越小，轉(zhuǎn)動的角度越大；占空比大于15%時，前車輪方向向右，占空比越大，轉(zhuǎn)動的角度越大。通過STM32單片機的OLED模塊和按鍵模塊預設車子的行駛速度，電動車啟動后將響應的占空比輸出至電機電調(diào)，電機電調(diào)的占空比在15%時，電機不轉(zhuǎn)，車子靜止；占空比大于15%時電機正轉(zhuǎn)，車子前進，占空比越大，車速越快；占空比小于15%時電機反轉(zhuǎn)，車子后退，占空比越小，車速越快。捕獲從遙控接收機輸入的PWM波控制車子的前進、后退和制動。當接收機輸出的占空比大于16%時，車子若在后退，則制動停車；若車子處在靜止狀態(tài)，則啟動前進。當接收機輸出的占空比小于14%時，車子若在前進，則制動停車；若車子處在靜止狀態(tài)，則啟動后退。

2.2 速度控制

車子行駛的速度主要由STM32單片機來控制。由于電動車的速度較高，需要較大的驅(qū)動電流實現(xiàn)電機的高速運行。采用200A的電調(diào)，并選用無刷電機，控制方式采用PID算法，由光電編碼器來提供車速的反饋信息。速度控制系統(tǒng)圖如圖2所示。由反饋回來的脈沖信號經(jīng)過計算后可得出車子實際的速度S(t)，并與預設的速度So(t)作差得出速度偏差e(t)=So(t)-S(t)，再通過PID控制器調(diào)整后輸出控制信號u(t)至電機電調(diào)，從而控制車子的速度。

圖2 速度控制系統(tǒng)圖

式中 :y(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號;e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號; Kp為調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)控制參數(shù)。

比例環(huán)節(jié)控制參數(shù)Kp對系統(tǒng)控制性能有一定的影響。對于動態(tài)性能的影響:比例環(huán)節(jié)控制參數(shù)Kp越大，使速度上升加快；但Kp偏大，速度振蕩次數(shù)會相應增多，調(diào)節(jié)時間變長；若Kp過大，速度會趨向于不穩(wěn)定。反之，若Kp太小，會使速度的變化緩慢。對于穩(wěn)態(tài)性能的影響:增大比例環(huán)節(jié)控制參數(shù)Kp，在速度控制能夠保持穩(wěn)定的前提下，能減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制的精度，但增大Kp只能減少穩(wěn)態(tài)誤差，不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。

積分環(huán)節(jié)控制Ti對車速控制性能有影響。積分環(huán)節(jié)控制一般會與比例環(huán)節(jié)控制或微分環(huán)節(jié)控制一起使用:對速度控制動態(tài)性能來講，積分環(huán)節(jié)控制參數(shù)Ti可能使速度控制的穩(wěn)定性下降，Ti過小，速度控制將不穩(wěn)定；Ti偏小，振蕩次數(shù)較多；Ti太大，對速度控制的影響減小。當選取的Ti合適時，過渡性特性比較理想。對穩(wěn)態(tài)性能來講:積分環(huán)節(jié)控制Ti能消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但如果Ti太大，積分環(huán)節(jié)作用會變?nèi)?，難以減小穩(wěn)態(tài)誤差。

微分環(huán)節(jié)控制參數(shù)Td對速度控制的影響:微分環(huán)節(jié)控制應與比例環(huán)節(jié)或積分環(huán)節(jié)一起使用，作用跟偏差的變化速率有關(guān)，通過微分環(huán)節(jié)控制能夠預測偏差產(chǎn)生的影響，起到超前校正，可以較好地改善動態(tài)特性，減少速度超調(diào)。但當Td偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間變長。但當Td偏小時，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間會變大。把三者的控制作用綜合起來考慮，不同控制規(guī)律的組合，對于相同的控制對象，會有不同的控制效果。

2.3 人機接口

STM32機載主控系統(tǒng)還包含了OLED顯示模塊和藍牙模塊，分別用于顯示運動、狀態(tài)信息、工作模式及與上位機通訊。通過按鍵設置定速行駛速度，并可設置數(shù)據(jù)存儲功能將實時速度記錄在記載控制系統(tǒng)上，并可通過藍牙模塊與PC端進行無線通訊，將每次運行的速度信息記錄傳輸?shù)缴衔粰C軟件，以方便與車牌抓拍系統(tǒng)對比。PID控制的環(huán)節(jié)參數(shù)設置可以通過鍵盤與顯示進行更改設置。

2.4 電 源

由于電動車需要較大的加速度及運行速度，車載電源要求輸出高達150A的電流輸出，電流沖擊大，因此本系統(tǒng)采取了分離電源系統(tǒng)。電機電調(diào)動力供電采用10000mA的大容量高輸出鋰電池，倍率為40C；機載控制系統(tǒng)因需電量較少，采用普通鋰電池，電源經(jīng)降壓、穩(wěn)壓后供CPU及外圍電路使用。

3 軟件設計

軟件部分包括機載控制系統(tǒng)與上位機輸出軟件兩部分。機載控制系統(tǒng)軟件完成對定速控制各等級速度的設定，對無線遙控信號的接收與獲取、車體運動速度的實施檢測。根據(jù)設定速度與實時速度通過運算獲得電機電調(diào)的PWM控制信號輸出，并根據(jù)路面摩擦、傾斜度等對車速的擾動信號適時做出控制調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)的主程序如圖3所示，定時中斷服務子程序流程如圖4所示：

圖3 控制系統(tǒng)的主程序流程圖

主程序根據(jù)按鍵的定速設置作為輸出的設定速度，根據(jù)PWM的占空比判斷是否收到啟動指令，如果超過14.7%(實測中值為13.7%)，表示發(fā)出出發(fā)指令，設定運行標志位。如果占空比小于12%，發(fā)出倒退指令，設定倒退標志位。定時中斷服務子程序根據(jù)主程序指令進行實時控制，根據(jù)標志位完成前進、后退、剎車等控制。前進時根據(jù)速度設定與速度反饋完成PID控制運算，調(diào)整輸出PWM占空比。

圖4 定時中斷服務子程序流程圖

主要控制子函數(shù)如下：

Manual_Show(void);

Auto_Show(void);

PIDcontrolset_Show(void);

TIMEset_Show(void);

SendRecord(void);

SureReceive(void);

ReccordMode(void);

BlueToothInit(void)。

為方便與車牌抓拍系統(tǒng)進行參照比對，機載控制通過藍牙模塊將速度信息傳輸?shù)絇C端軟件，輸出信息量包括測試順序、到達定速時間、定速速度值等，以及實時速度信息。PC端軟件使用QT5編寫，包含接口選擇、傳輸速率選擇、打印輸出等功能，如圖5所示。

4 速度控制測試結(jié)果

經(jīng)過制版、安裝調(diào)試，電動車可以完成定速設置、PID參數(shù)調(diào)整測試、無線遙控接管與控制、藍牙無線傳輸、上位機數(shù)據(jù)接收與打印，整機如圖6所示。

圖5 上位機人機交互界面

調(diào)試中，高速部分的調(diào)試較為困難，因電動車的速度高達80km/h，急速的升速使四輪抓地力產(chǎn)生很大的差異，導致車體會有方向偏移現(xiàn)象。修正方向帶來的前輪轉(zhuǎn)向會帶來很大的摩擦阻力，使電動車運行速度產(chǎn)生擾動。

圖6 車體及機載系統(tǒng)外觀圖

在此次實驗中，取具有代表性的速度：20km/h(圖7)、80km/h(圖8)的速度進行測試。測試結(jié)果如下：

圖7 速度為20km/h的測試

圖8 速度為80km/h的測試

由圖7可以看出，低速下上升較為迅速，在預定速度20km/h位置調(diào)整較為理想，達到預定速度后運行平穩(wěn)；但在80km/h測試時，急速加速的車輪摩擦力會有較明顯差異，導致方向有一定變化，方向調(diào)整會帶來速度明顯下降，影響到車輛運行速度。經(jīng)調(diào)整才能達到設定速度。測試數(shù)據(jù)顯示，在三秒后誤差最大為3.75%。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)調(diào)試的關(guān)鍵在高速部分的設計與調(diào)試。在從靜止到時速80km的急加速中，電動車輪胎發(fā)生甩漲現(xiàn)象，極大影響輪胎抓地力，從而影響定速控制，在實際速度控制中通過變參數(shù)控制，實現(xiàn)平穩(wěn)加速，在時速80km的高速段取得了較好的控制性能。

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