林志強(qiáng)，萬在紅

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

基于自動(dòng)控制理論的高速循跡智能車設(shè)計(jì)

林志強(qiáng)，萬在紅

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

本設(shè)計(jì)以自動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，以飛思卡爾K60單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一種新型智能高速循跡小車，旨在解決現(xiàn)實(shí)生活中勘測(cè)、搜救行動(dòng)中人為難以到達(dá)位置的勘探搜救難題?；谧詣?dòng)控制理論的智能高速巡跡小車，利用各類傳感器確定路徑及姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能高速循跡行駛，具有自動(dòng)穩(wěn)定控制車身，高速行駛，并穩(wěn)定回傳數(shù)據(jù)的功能，使現(xiàn)實(shí)生活中的搜救勘探活動(dòng)更加智能高效。

自動(dòng)控制系統(tǒng)；智能車；pid控制；自動(dòng)

智能循跡小車作為智能行走機(jī)器人的一種，其采用傳統(tǒng)的四輪行走的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有適應(yīng)多種環(huán)境、抗干擾性強(qiáng)、成本低、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，可代替人進(jìn)入各種復(fù)雜的環(huán)境開展各種勘探測(cè)量工作［1］。本設(shè)計(jì)將電路設(shè)計(jì)技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制理論等技術(shù)知識(shí)，綜合設(shè)計(jì)出自動(dòng)循跡行駛的高速智能小車。本設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的科學(xué)先進(jìn)性，該小車配備光電傳感器，可自動(dòng)識(shí)別路徑上存在的黑線。配備的加速度計(jì)可監(jiān)控小車車身的偏移及各方向的加速度。再配以編碼器模塊，實(shí)時(shí)得到小車運(yùn)行速度。最后通過算法綜合各種得到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用自動(dòng)控制理論實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡形式。本設(shè)計(jì)還配有無線傳輸模塊，以實(shí)現(xiàn)小車狀態(tài)的實(shí)時(shí)回傳［2］。

1　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體框架

系統(tǒng)硬件包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)，采用飛思卡爾k60單片機(jī)，傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，包括光電傳感器，mpu60506軸加速度計(jì)，編碼器模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，無線傳輸模塊。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)總體框架

1.2傳感器檢測(cè)系統(tǒng)

1.2.1線性CCD光電傳感器

該模塊內(nèi)置TSL1401CL線性傳感器，TSL1401CL線性傳感器由128×1列光電二極管，內(nèi)部集成了電荷放大器電路，以及像素?cái)?shù)據(jù)保持功能，可同時(shí)集成啟動(dòng)和停止所有像素位［3］。該陣列由128個(gè)像素構(gòu)成， 每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)3 524.3 μm2的光敏區(qū)域。像素之間有8μm間距。內(nèi)部控制邏輯簡(jiǎn)化了芯片操作，只需要一個(gè)串行輸入（SI）信號(hào)和一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)（Clock）就可以完成全部邏輯控制，讀取AO口的電壓就可以完成數(shù)據(jù)采集。在檢測(cè)到黑線的時(shí)候相應(yīng)點(diǎn)返回較低電壓，白色時(shí)返回較高電壓。通過單片機(jī)adc口讀取128個(gè)電壓值，可判斷出路徑上一條橫向線段的情況，如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用3個(gè)線性ccd，可獲取3行圖像，融合數(shù)據(jù)后可判斷出前方道路信息，以實(shí)現(xiàn)巡跡［4］。

圖2　線性ccd道路采集上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)

1.2.2mpu6050六軸加速度計(jì)

mpu6050為三軸陀螺儀三軸加速度計(jì)模塊，其外觀如圖3所示，其可輸出小車在運(yùn)行過程中三軸上的加速度和角加速度，對(duì)其積分，即可得到小車的角加速度和角速度。其還帶有硬件dmp結(jié)算能力，即內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)引擎，直接輸出四元數(shù)［5］，可以減輕外圍微處理器的工作負(fù)擔(dān)且避免了繁瑣的濾波和數(shù)據(jù)融合過程，設(shè)計(jì)中可選擇硬件解算和軟件解算兩種方式。

若使用軟件解算，其角度計(jì)算公式為：angle_n=angle_ n-1+（Gyro-C_Gyro）*R_Gryo; angle_n為當(dāng)前角度值，angle_n-1為上一次計(jì)算的角度值，Gyro為陀螺儀敏感軸偏轉(zhuǎn)值，C_Gyro陀螺儀零點(diǎn)偏移值，R_Gyro是陀螺儀比例［6］。通過計(jì)算出角度，可以判斷出小車運(yùn)行平地、坡道等狀態(tài)，因而已實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的不同控制。

圖3　mpu6050模塊

1.2.3編碼器模塊

光電軸角編碼器是一種具有代表性的角位移傳感器，是一種集光、機(jī)、電于一體的數(shù)字測(cè)角裝置［7］。該模塊為512線光電增量式編碼器，其用光信號(hào)掃描分度盤（分度盤與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連），其內(nèi)部置有一個(gè)512線的光柵，隨輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到分度盤的光縫剛好使光照射到接收管時(shí)，編碼器會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)脈沖。將其連接到單片機(jī)PWM捕獲口，利用單片機(jī)自帶的正交解碼功能，可以檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)信號(hào)的通斷數(shù)量，由此計(jì)算出車輪的正反轉(zhuǎn)向及旋轉(zhuǎn)角度，從而得到小車的運(yùn)行速度。

1.2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

如圖4所示，該電路由脈寬調(diào)制電動(dòng)機(jī)控制芯片HIP4802 4 個(gè)mos管搭建的H橋組成，單片機(jī)輸入PWM脈沖，由HIP4802控制H橋電路的通斷時(shí)間。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用最廣泛的是H型傘橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路能方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，即正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)［8］。當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)電路導(dǎo)通時(shí)間占比大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就快。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間占比小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就慢。電路不導(dǎo)通時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。4個(gè)mos管相當(dāng)于4個(gè)開關(guān)，當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)［9］。當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。場(chǎng)效應(yīng)管為壓控元件，輸入阻抗大，開關(guān)速度快，且可承受大電流通過，滿足小車的高速行駛控制的性能要求。

圖4　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.2.5無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用目前通信采用最廣泛的2.4 G通訊技術(shù)，其采用nrf24l01無線通訊芯片，其電路如圖5所示，配以較大功率天線，其傳輸距離可達(dá)100 m以上［10］。其可被單片機(jī)配置為接受或發(fā)送模式，還可以配置頻道、地址、每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)、是否帶CRC校驗(yàn)、功率等。具有多通道抗干擾傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)一對(duì)六多向通訊，高效且穩(wěn)定。

圖5　無線傳輸模塊電路

2　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框架

本程序采用定時(shí)中斷控制系統(tǒng)，每隔10 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，每隔5 ms進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，確保車身控制的穩(wěn)定性和及時(shí)性。軟件設(shè)計(jì)總體框架如圖6所示。

圖6　軟件設(shè)計(jì)總體框圖

2.2算法設(shè)計(jì)

2.2.1pid控制算法

pid控制器是自動(dòng)控制理論中最重要的控制器之一。其運(yùn)用偏差量的比例（p）、積分（I）和微分（d）進(jìn)行控制。在實(shí)際運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制采用位置式pd控制的效果最好，而對(duì)電機(jī)控制采用增量式pid效果最好［11］。

位置式pid理想算式為：

其輸出量即為控制量，可直接用于舵機(jī)的控制輸出。式中：

u（t）—控制器（也稱調(diào)節(jié)器）的輸出；

e（t）—控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差，即e（t）=r（t）-c（t）；

Kp—控制器的比例放大系數(shù)；

Ti—控制器的積分時(shí)間；

Td—控制器的微分時(shí)間。

其算法為：

而增量式pid的輸出只是控制量的增量，需要對(duì)控制量增量累加后對(duì)電機(jī)輸出控制［12］，其算法如下：

2.2.2動(dòng)態(tài)P控制算法

在實(shí)際pid控制運(yùn)用中，為實(shí)現(xiàn)小車適應(yīng)各種環(huán)境，保證車身穩(wěn)定，固定pid值的pid算法效果，在實(shí)際Matlab仿真后，發(fā)現(xiàn)將小車舵機(jī)控制所用的p值（pid控制中的比例值）與計(jì)算出的車身與路徑的偏移量擬合成一條二次曲線后，舵機(jī)打角及時(shí)，過彎流暢，可實(shí)現(xiàn)高速過彎［13］。其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

pp-＞Proportion ＝ a*Err*Err+b*Err+c。

實(shí)際調(diào)試中，根據(jù)所面臨的環(huán)境，理論計(jì)算出實(shí)際所需的二次曲線。在MATLAB中，調(diào)整a，b，c 3值使所得曲線近似擬合為所需要的實(shí)際曲線即可。

2.3路徑識(shí)別算法

在路徑識(shí)別上，本設(shè)計(jì)采用二值化處理圖像，用基于閾值的中值濾波算法通過設(shè)定閾值，判斷像素是否為噪點(diǎn)，如果是噪點(diǎn)，可通過中值濾波消除其影響［14］。然后對(duì)圖像進(jìn)行二值化，使圖像只具有黑白兩變量。最后通過逐點(diǎn)查找數(shù)據(jù)跳變沿確定道路邊緣。左右邊緣確定后即可通過求中值確定智能車位置。將其偏移量導(dǎo)入舵機(jī)和電機(jī)pid計(jì)算實(shí)現(xiàn)小車的方向和速度控制［15］。

3　結(jié)語

該設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制搭載傳感控制電路為硬件平臺(tái)，結(jié)合自動(dòng)控制理論綜合設(shè)計(jì)算法，極大地提高智能車的自適應(yīng)能力。經(jīng)實(shí)際運(yùn)用測(cè)試，該小車能在多種環(huán)境下高速機(jī)動(dòng)行駛，具有穩(wěn)定可靠的功能，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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Design of high speed intelligent car based on automatic control theroy

Lin Zhiqiang, Wan Zaihong
（Information Engineering College of Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China）

In order to resolve the difficulty in some place where human is hard to reach in search and rescue activities, this design designed a new type high-speed smart car, which used the free scale K60 micro controller as the control core, choosing the automatic control system as the research object. Based on the theory of automatic control, the intelligent high speed tracking car used all kinds of sensor to determine the path and posture, to achieve the requirement of driving high-speed and automatically. The design has advantage of intelligent, high speed tracking and automatic stabilization control body, and with the function of the stability of return data, it makes search and rescue exploration activities in reality more intelligent and efficient.

automatic control system; intelligent car; pid control; automatic

林志強(qiáng)（1995— ），男，江西贛州，本科；研究方向：電子信息技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)。