馬 靜，張 玉

（西安工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安710021）

無人小車速度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

馬 靜，張 玉

（西安工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安710021）

本文提出了一種基于STM32嵌入式微處理器的無人小車速度控制技術。無人小車是以四輪式結(jié)構作為機械平臺，選擇常見的電機驅(qū)動模塊。根據(jù)軟硬件的相關配置編寫程序，實現(xiàn)無人小車的基本運轉(zhuǎn)及無人小車的調(diào)速和測速功能，達到智能控制，完成設計目標。

無人小車；STM32；智能控制；調(diào)速；測速

近年來，隨著科技的進步，人們在不斷的追求高品質(zhì)的生活，車是人們外出的首選方案，電瓶車、私家車、公共汽車等都和我們的生活息息相關，因此，車輛技術[1]的研究備受關注，人們主要從環(huán)保、節(jié)能、安全等的方向展開研究。在研究車輛技術的安全性上，車輛速度是否能夠精確控制至關重要。

無人小車是實現(xiàn)交通智能化的前提、是高新技術研發(fā)的基礎和載體，它是完成一項或者多項功能駕駛?cè)蝿盏木C合車輛技術的前提條件。無人小車是一個集各種高科技和創(chuàng)新技術為一體的智能系統(tǒng)，包括對不同環(huán)境的感知技術、路徑規(guī)劃技術、智能駕駛等技術，結(jié)合這些高新技術，使它在遇到障礙物時具有自動識別的功能，通過自動報警裝置，系統(tǒng)的采取車速、方向、安全距離等一系列的自動控制。它集中運用了傳感器、信息、通信、計算機、導航、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體[2]。無人小車的應用非常廣泛，它的研發(fā)將受益于各行各業(yè)，包括可以代替人在倉庫搬運東西，減輕人的負擔；可以運用于無人駕駛的車輛、生產(chǎn)線、服務業(yè)，減少人力；應用于航空航天領域，推動航天事業(yè)的發(fā)展。它的研究對于智能駕駛、抗險救災、外太空探測等都有重大意義，因此，為了使無人小車在最佳狀態(tài)下工作，進一步研究及完善其速度的控制是非常有必要的。

本設計運用STM32嵌入式微處理器[3]知識設計了一個無人小車速度控制系統(tǒng)，keil uvision4和JDK作為軟件開發(fā)平臺，選擇常見的電機模型車為機械平臺，通過細化設計要求，結(jié)合傳感器技術[4]和電機控制技術相關知識[5]，實現(xiàn)無人小車速度控制等一系列的功能，主要體現(xiàn)在無人小車的速度測量和調(diào)速兩個方面。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要有電源模塊，核心處理器模塊，電機驅(qū)動模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構

1.1 無人小車速度控制系統(tǒng)方案

無人小車的核心處理器模塊為STM32F103VE，其優(yōu)點在于性價比較高、配置比較靈活、低功耗等；電機驅(qū)動模塊是雙L298N，其支持PWM調(diào)速；電機為ASLONG JGA25-371，其速度穩(wěn)定，性價比高。

1）電源模塊

其功能是提供給驅(qū)動模塊驅(qū)動電機所需12 V的電壓。電機驅(qū)動模塊通過轉(zhuǎn)接器，給核心處理器提供其所需的5 V電壓。

2）核心處理器模塊

負責采集各模塊回傳的信息和數(shù)據(jù)，并進行相應的處理，協(xié)調(diào)各模塊完成它們的預定的任務，起到控制整個系統(tǒng)運作的作用。

3）電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊雙L298N支持PWM方式調(diào)速[6]。主要功能是驅(qū)動電機，使小車能夠完成基本的運轉(zhuǎn)?？刂破魍ㄟ^對PWM輸出的控制，進而通過控制電機驅(qū)動模塊芯片的管腳來達到對電機速度的控制，并且攜帶編碼器和控制器內(nèi)的計數(shù)器配合使用，完成測速功能。

1.2 無人小車速度控制

這里采用的是直流調(diào)速系統(tǒng) ，直流調(diào)速系統(tǒng)[7]的主要優(yōu)點是啟制動性能好和良好的調(diào)速性能，速度穩(wěn)定，維修便宜，經(jīng)濟適用，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑而經(jīng)濟的調(diào)速。目前常見的直流調(diào)速系統(tǒng)有電樞回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)，晶閘管變流器供電調(diào)速系統(tǒng)和脈沖調(diào)速系統(tǒng)。

1）電樞回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)

電樞回路串電阻調(diào)速的原理是通過交流發(fā)電機的拖動，給直流發(fā)電機供電，通過調(diào)節(jié)勵磁電流使輸出電壓發(fā)生改變，進而達到了調(diào)速的目的。但這種調(diào)速發(fā)法所需的外來設備較多，調(diào)速范圍較小，體積較大，效率較低，適用于小功率的電動機和調(diào)速精度要求不高的場合。

2）晶閘管變流器供電調(diào)速系統(tǒng)

通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來改變觸發(fā)脈沖的相位，這樣就改變了整流電壓的大小，實現(xiàn)了調(diào)速，但是，由于晶閘管它不是雙向?qū)щ?，只是單向?qū)щ姡钥赡孢\行實現(xiàn)起來還是比較復雜，進而導致運行條件高，費用貴，維護不方便。

3）脈沖調(diào)速系統(tǒng)

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。其方法是通過改變電機電樞電壓通電時間與導通時間的比值（即占空比）來控制電機速度。在電源電壓不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變占空比的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達到調(diào)速的目的。如果能夠?qū)崿F(xiàn)占空比的連續(xù)調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)直流電機無級調(diào)速。其優(yōu)勢有電路損耗小，效率比較高；頻率高，因此獲得很寬的頻帶，響應速度快，且抗干擾能力強；系統(tǒng)低速運行時較平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，在等電流下，損耗及發(fā)熱較小。

1.3 無人小車速度檢測

電機速度的檢測是整個無人小車控制必不可少的一部分，而速度控制的精度是速度檢測的核心部分。目前，具有較高精度控制的系統(tǒng)是基于反饋信號的閉環(huán)控制系統(tǒng)[8]，即就是增加測量電機轉(zhuǎn)速的傳感器。常見的測速方案有霍爾傳感器[9]和光電式編碼器。

1）霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾效應和它內(nèi)部的集成電路進行磁電轉(zhuǎn)換的一種靈敏度高的傳感器，它的基本結(jié)構是在帶動電機轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸上有一個轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上裝有若干個磁鋼，磁鋼均勻分布，在距離轉(zhuǎn)盤1～2 mm處裝有一個固定的霍爾傳感器，當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，小磁鋼通過霍爾傳感器時輸出相應的脈沖，小磁鋼愈多輸出的脈沖也越多，即小磁鋼越多越精確。通過采納固定時間內(nèi)的脈沖數(shù)進行相應的減速比轉(zhuǎn)換后計算出轉(zhuǎn)速。

2）光電式編碼器

它裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時隨軸一起轉(zhuǎn)動，發(fā)光元件光發(fā)出的光通過光柵被光敏元件接收后經(jīng)過轉(zhuǎn)化以脈沖信號形式輸出。在轉(zhuǎn)軸的帶動下，碼盤的位置不的斷變化，相繼輸出一系列的脈沖信號，根據(jù)位置變化的方向用計數(shù)器對輸出來的脈沖信號進行加/減計數(shù)，通過采樣固定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后獲得轉(zhuǎn)速。此方法靈敏度較高，但容易受外界光源影響。

2 軟件測速和手工測速誤差分析

2.1 PWM調(diào)速設計與實現(xiàn)

采用PWM方式調(diào)速，PWM是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，即脈沖寬度調(diào)制，其方法是通過調(diào)節(jié)高電平時間和整個周期時間的比值（即占空比）來控制電機速度。也就是說要按固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)實際需要改變固定周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電動機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。

當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。因此，掌握通、斷電時間的變化規(guī)律，改變通、斷時間即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。設電機一直接通電源時，設占空比為D=t1/T，Vd為電機的平均速度，Vmax是電機全通時的電壓，Vd=Vmax·D，式中，Vd為電機的平均速度，Vmax為電機兩端的最大電壓，D為占空比。平均速度Vd與占空比D的函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 平均速度和占空比的關系

由圖2可以看出，在T不變的情況下改變t1就能得到不同的電壓，準確的來說，Vd與占空比D并不是完全線性關系（圖中實線），理想情況下，可以將其近似地看成線性關系（圖中虛線）。在電源電壓始終不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小，通過改變占空比的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達到調(diào)速的目的。占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快，當占空比為1時，電機轉(zhuǎn)速最大。如果能夠?qū)崿F(xiàn)占空比的連續(xù)調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)直流電機無級調(diào)速。

具體方法為:在小車行駛期間，電源經(jīng)過PWM輸出控制后會給小車提供一個平均電壓。當電源輸出的電壓為最大值Vmax時，平均電壓Vd=Vmax*D=Vmax*（t1/T）。其中t1為高電平持續(xù)的時間，T為PWM的周期。在T不變的前提下，通過調(diào)高電平時間內(nèi)的脈沖數(shù)與一個周期內(nèi)的脈沖數(shù)的比值來調(diào)占空比，從而達到控制無人小車轉(zhuǎn)度的目的。

調(diào)速采用的是PWM1模式的向上計數(shù)方式，即TIMx_CNT＜TIMx_CCR1時通道為有效電平，否則為無效電平；并通過改變CCRX的值來改變占空比來調(diào)壓，從而實現(xiàn)無人小車的調(diào)速。例如：設定CCRX的值為x，PWM1向上計數(shù)模式時低電平為有效，則當 TIMx_CNT＜TIMx_CCR1時，輸出的是低電平，因此在一個周期中，低電平占了x%，而高電平占了（100-x）%，而占空比是一個周期中高電平所占時間比率為占空比，故此時占空比為D為（100-x）%。

通過PWM方式調(diào)速，高電平時間和整個周期時間的比值即占空比對速度的影響如表1所示。

表1 占空比對速度的影響

由表1中數(shù)據(jù)可以得出占空比的值和手工測量速度的值的關系，在電源電壓始終不變的情況下，占空比的值越大，速度越大，如果能夠?qū)崿F(xiàn)占空比的連續(xù)調(diào)節(jié)，則可實現(xiàn)電機的無極調(diào)速。

2.2 增量式編碼器的設計與實現(xiàn)

由于增量式編碼器的測速精確，因此，這里采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器來測速，它裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時編碼器隨之轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸帶動車輪的轉(zhuǎn)速情況是以脈沖信號形式輸出的。碼盤的位置隨轉(zhuǎn)軸在不斷發(fā)生變化，輸出一系列的脈沖信號，根據(jù)位置變化的方向用計數(shù)器對脈沖信號進行加/減計數(shù)，通過采樣固定時間的脈沖數(shù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后獲得轉(zhuǎn)速。圖3為光電式編碼器的示意圖，一個帶光柵的碼盤，由發(fā)光元件作為光源來發(fā)射光，隨著碼盤的轉(zhuǎn)動，不斷地有光通過光柵，光通過光柵時，光敏元件接收到光，即接收到高電平，輸出脈沖信號，光敏元件沒有接收到光時，沒有光通過光柵，接收到低電平，即沒有脈沖輸出。如果一個碼盤的光柵數(shù)越多，則它的精度越高。電機旋轉(zhuǎn)一圈，碼盤上有多少個光柵，接受管就會接收多少個高電平，進而輸出相應的脈沖信號。這里采用的是ASLONG JGA25-371電機，它攜帶的是334線碼盤，即334個光柵，具有較高的測速精度，其電機轉(zhuǎn)一圈輸出334個脈沖，芯片上已集成了脈沖整形觸發(fā)的電路，輸出的是矩形方波，將脈沖輸出線接在單片機上，通過單片機處理后獲得電機的速度。

圖3 編碼器

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器利用它的內(nèi)部兩個光敏接受管通過轉(zhuǎn)化角度碼盤的時序和及它的相位關系，得到角度碼盤角度位移量增加即正轉(zhuǎn)或減少即負轉(zhuǎn)。如圖4為編碼器的原理圖。

圖4 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器原理

A，B兩點分別對應的是兩個光敏接受管，它們之間的距離是S2，碼盤上的光柵間距分別為S0和S1。S0和S1距離的和是S2的四倍。這樣保證了A，B波形相位相差90度。旋轉(zhuǎn)的反向不同，鋸齒波A，B先到達高電平的順序就會不同，如圖4左側(cè)所示，利用順序的不同，就可以得到旋轉(zhuǎn)的方向。

測速方法是M法測速，如圖5，M法測速即在固定周期的時間Tc內(nèi)，碼盤隨位置不斷地的變化輸出一系列的脈沖信號，計數(shù)器對脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)值為M1，電機每轉(zhuǎn)動一圈輸出Z1個脈沖，電機的轉(zhuǎn)速習慣上用r/min為單位，而時間T是以秒為單位，則設轉(zhuǎn)速為n

上式中Z1為碼盤的線數(shù)是固定值，Tc是自己設定的合理測量周期也是固定值，因此可以得出轉(zhuǎn)速n與脈沖數(shù)M1成正比，轉(zhuǎn)速越小誤差越大，轉(zhuǎn)速過低時，計數(shù)值M1的值可能會小于1，此時電機轉(zhuǎn)軸不能正常運轉(zhuǎn)，所以M法適合高速段[10]。

由于 ASLONG JGA25-371電機在這里選用的是21.3:1的減速比，即是電機軸轉(zhuǎn)動21.3圈，電機輸出一圈，即輸出一圈光柵數(shù)為21.3*334，空載時轉(zhuǎn)速為201 r/min，在固定時間t內(nèi)計數(shù)器對脈沖信號的計數(shù)值為i，即編碼器輸出的值為i，由于是脈沖上升沿和下降沿都會計數(shù)，計數(shù)器就會在一個脈沖周期內(nèi)計4次計數(shù)原理如圖6所示，則t時間內(nèi)光柵總數(shù)為x=i/4，轉(zhuǎn)速 n=60x/（21.3*334*t）。

圖5 M法測速

圖6 計數(shù)器計數(shù)原理

2.3 誤差分析

為了方便測量和運算，這里采用電機上的車輪每秒轉(zhuǎn)一圈為轉(zhuǎn)速，實際電機轉(zhuǎn)速可以經(jīng)過相應轉(zhuǎn)化后得出，經(jīng)過測量，車輪周長為20 cm，編碼器測速經(jīng)過軟件測量和手測量值如表2。

表2 誤差分析

從2表中數(shù)據(jù)得出誤差范圍較大，導致誤差較大的原因包括模型車各部分硬件的重量，如電池、螺絲等，電機轉(zhuǎn)軸帶動的輪子不夠靈活，光電式編碼器受外見光的影響以及手工測量受路面摩擦力等的影響等。還有一個重要的原因是這里采用的是M法測速，M法測速適合高速測速，當轉(zhuǎn)速越小的時候誤差越大，甚至小到計數(shù)值小于1，不能正常行駛。后期應做出的調(diào)整主要是從測速方法上，選擇M/T法，這種測速方法，即適應高速又適應低速，避免M法在低速時誤差大。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于STM32系列單片機，選擇常見的電機模型車作為機械平臺，通過細化要求，結(jié)合傳感器和電機知識對無人小車進行速度控制，實現(xiàn)了基本的小車速度的調(diào)控和速度的檢測，但是要達到智能控制還有很多地方需要調(diào)整和完善，主要從調(diào)速穩(wěn)定性、避障、循跡等方面著手完善。對于這幾點的研究有待后期做進一步探討。

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Design and realization of speed control system based on single chip microcomputer

MA Jing，ZHANG Yu
（School of Computer Science and Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021，China）

A speed control technology based on STM32 embedded microprocessor is presented was proposed.Unmanned vehicle is a four wheeled structure as a mechanical platform，it choose common motordrive module.A programwrote according to the related software and hardware configuration，realizes the basic operation of unmanned vehicle and control of speed and speed measuring function.The program achieve intelligent control and complete design goal.

unmanned vehicle； STM32； intelligent control； control of speed； speed measuring

TP242.6

A

1674－6236（2017）16-0138-05

2016-07-17稿件編號：201607126

西安工業(yè)大學跨學科研究基金無人車自動避障與路徑規(guī)劃技術研究(CXY 1340-6）；國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201410702037）；陜西省"面向工程應用的計算機嵌入式技術人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)"支持項目

馬 靜（1980—），女，陜西西安人，碩士，講師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)。