新型智能小車系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

金致靈++殷悅++張躍中

摘要：伴隨智能化控制技術(shù)和理論進(jìn)一步的發(fā)展，在交通運(yùn)輸過(guò)程中的愈來(lái)愈多的被運(yùn)用。隨后提出了智能車輛的概念。本篇文章重點(diǎn)以智能汽車為核心，經(jīng)過(guò)構(gòu)建硬件系統(tǒng)，制定以MK60DN512微型控制器為中心控制模塊的軟件系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)CMOS探測(cè)頭監(jiān)測(cè)軌道數(shù)據(jù)，運(yùn)用仿真比對(duì)器對(duì)圖形實(shí)施硬件二值化，從中提出黑色指引線，用作對(duì)路徑鑒別，從而自行循跡；經(jīng)過(guò)光電編碼器測(cè)試智能小車的實(shí)時(shí)速度，運(yùn)用PID控制運(yùn)算方法調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，完成對(duì)智能小車移動(dòng)速度與移動(dòng)方向的閉環(huán)操控。

關(guān)鍵詞：智能小車軌道鑒別；自行循跡；PID控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0205-01

1 小車硬件系統(tǒng)的概述

智能小車的硬件組成，以小車模型為載體，功能單元重點(diǎn)包含單片機(jī)、傳感器單元、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、軌道識(shí)別單元、電源部分和測(cè)試輔助單元。里面舵機(jī)通常是由單片機(jī)來(lái)帶動(dòng)運(yùn)行。智能小車模型以MCU為中心，為讓智能小車可以快速移動(dòng)，單片機(jī)必需將軌道的快速判定、對(duì)應(yīng)舵機(jī)方向操控和直流電動(dòng)機(jī)的操控精確的聯(lián)合在一塊。

重點(diǎn)從系統(tǒng)的平穩(wěn)性、可靠性、實(shí)際應(yīng)用性等層面來(lái)思考硬件的整體設(shè)計(jì)?？煽啃耘c平穩(wěn)性是系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的主要基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)圖和PCB的制定當(dāng)中，顧及到每個(gè)功能單元的電性和他們之間的耦合作用。智能小車操控系統(tǒng)線路由三個(gè)模塊構(gòu)成：用于全部控制和動(dòng)力供應(yīng)的MK60DN512微小系統(tǒng)板、ZLG7280鍵盤，LCD液晶屏。微小系統(tǒng)板能夠插進(jìn)主板中，構(gòu)成了信號(hào)采樣，信號(hào)接收、電動(dòng)機(jī)操控、舵機(jī)操控模塊。為降低電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線路造成的電磁影響，將調(diào)控模塊與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分離，分布在主板的兩側(cè)。

經(jīng)過(guò)前面提取的路徑邊線信息推算中心：當(dāng)左右邊線點(diǎn)總體數(shù)量比較少的時(shí)候返回；假如僅有單側(cè)具有邊線點(diǎn)數(shù)據(jù)，那么經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)對(duì)單側(cè)數(shù)據(jù)按照法線移動(dòng)路徑寬度二分之一的距離；在能找出和一側(cè)能配對(duì)的另外一側(cè)邊線點(diǎn)的時(shí)候則直接求算其中心當(dāng)作中點(diǎn)。計(jì)算完中點(diǎn)之后，對(duì)中點(diǎn)實(shí)施勻質(zhì)化，便于后續(xù)的控制。

2 PID控制

因?yàn)橹悄苄≤囅到y(tǒng)是機(jī)器電路高度偶合的分布式體系，而且要顧及到軌道的真實(shí)環(huán)境，要構(gòu)建準(zhǔn)確的智能小車移動(dòng)控制數(shù)理模型具有很大的困難，并且對(duì)車體機(jī)械構(gòu)造常常做出修改，模型系數(shù)變動(dòng)比較頻繁，理論運(yùn)算方法可行性較差，最后運(yùn)用了工程正定法。通過(guò)反復(fù)檢測(cè)，選取的PID調(diào)控對(duì)策是：

（1）把積分項(xiàng)參數(shù)改為零，得知對(duì)比于平穩(wěn)性與準(zhǔn)確性，舵機(jī)在這樣隨機(jī)體系中對(duì)動(dòng)態(tài)反應(yīng)功能的要求更嚴(yán)格。最主要的是，在KI歸零的狀況下，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整Kp，可知小車可以在直線高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中仍可以維持車體平穩(wěn)，無(wú)任何振蕩，幾乎不用運(yùn)用KI系數(shù)；

（2）微分項(xiàng)參數(shù)KD應(yīng)用固定值，理由是舵機(jī)在普通軌道里均要良好的動(dòng)態(tài)反應(yīng)性能；

（3）對(duì)Kp，運(yùn)用了數(shù)學(xué)函數(shù)方程，Kp隨中心位點(diǎn)和中點(diǎn)數(shù)值的偏差呈二次函數(shù)增加，在程序里其詳細(xì)代碼主要是：

Loca_Kp = （Loca_Error * loca_Error）/3 + 1500

其中，Local_Error是中心位點(diǎn)和中點(diǎn)數(shù)值的偏差。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)節(jié)測(cè)試，最后選取了一組PID系數(shù)，獲得了比較良好的轉(zhuǎn)向調(diào)控效果。針對(duì)速度的調(diào)控，采取了增量式PID調(diào)節(jié)運(yùn)算方法，基礎(chǔ)理論是直道增速，彎道降速。通過(guò)不斷測(cè)試，把每一場(chǎng)圖像獲得的黑線位點(diǎn)和速度PID系數(shù)值組成二次函數(shù)關(guān)系。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，可知智能車直行道與彎道互相過(guò)度的時(shí)候增減速度較為靈敏，和舵機(jī)方向調(diào)控配合良好。

在程序里詳細(xì)代碼主要為：

SPID.VI_Ref = G_highestspeed - （58 - G_control） * （58 - G_control） * （G_highestspeed-G_lowestspeed）/ 3561

參考文獻(xiàn)

[1]邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]張軍.AVR單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[3]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[4]臧杰，閻巖.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]張男，張迪洲，李永科.智能車路徑識(shí)別系統(tǒng)對(duì)虛線的預(yù)測(cè)擬合處理[M].科技前沿，2006.

[6]尹怡欣，陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998年.

[7]姚舜才，著.電機(jī)學(xué)與電力拖動(dòng)技術(shù)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[8]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京：高等教育出版社，2001.

[9]譚浩強(qiáng)，著.C程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.