張偉偉 丁宇豪

摘 要

本設(shè)計(jì)以安徽省機(jī)器人競(jìng)賽為背景，采用STM32單片機(jī)為核心微處理器。本設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)應(yīng)用于接力賽的智能小車軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：信息采集模塊，尋跡模塊，接力模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及控制算法的設(shè)計(jì)。在實(shí)際比賽過程中，智能小車能夠自動(dòng)適應(yīng)直道、彎道、接力區(qū)、停止區(qū)等各種路況。通過PID算法實(shí)現(xiàn)智能變速，在實(shí)際行駛過程中的行進(jìn)速度達(dá)到1.2m/s，達(dá)到智能小車接力賽的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。

關(guān)鍵詞

智能小車;單片機(jī);PID;STM32

中圖分類號(hào)： TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.052

0 引言

智能小車是機(jī)器人的一個(gè)分支，是一項(xiàng)涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的綜合性系統(tǒng)。它是輪式機(jī)器人的一種，很適合在人類無法生存的環(huán)境下工作。本課題 “應(yīng)用于接力賽的智能小車軟件部分設(shè)計(jì)”，是針對(duì)于“恩智浦智能車大賽”的要求所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)，希望在比賽之外它也可以用于眾多領(lǐng)域解決現(xiàn)實(shí)問題。

1 本課題研究的內(nèi)容

本設(shè)計(jì)所述的智能車是一種循跡小車，能夠在一定的區(qū)域內(nèi)沿著給定的軌跡自動(dòng)行駛（采用與白色地毯相反的黑色引導(dǎo)線作為行駛軌跡），運(yùn)行過程由信息采集模塊、循跡控制模塊和電機(jī)控制模塊三個(gè)部分完成。此外，還需要完成兩輛小車之間的接力棒傳遞過程。小車的硬件控制核心選用的是STM32F103VET6微處理器。軟件平臺(tái)為Keil MDK開發(fā)環(huán)境。在本次設(shè)計(jì)中使用了數(shù)字PID軟件算法來調(diào)節(jié)左右輪的轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)智能小車的平滑轉(zhuǎn)彎與平穩(wěn)循跡。一號(hào)智能小車沿著黑色軌跡線運(yùn)行，并在接力區(qū)域傳遞接力棒，由二號(hào)車完成到終點(diǎn)的運(yùn)行。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境

本設(shè)計(jì)選用的微控制芯片是STM32F103VET6，該芯片基于ARM核，所以有很多基于ARM嵌入式的開發(fā)環(huán)境都適用于本設(shè)計(jì)的軟件程序開發(fā)。本設(shè)計(jì)選擇由德國(guó)ARM公司開發(fā)的微控制軟件開發(fā)平臺(tái)Keil MDK作為軟件開發(fā)環(huán)境。MDK-ARM軟件為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器設(shè)備提供了一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境。下面介紹軟件開發(fā)的整個(gè)過程：

2.1.1 USB接口

智能車通過USB接口將程序下載到主控制芯片。使用一個(gè)連接PC機(jī)USB接口與智能車的USB接口相連。通過此接口將程序下載到智能車中。支持下載目標(biāo)程序、檢查內(nèi)車寄存器、單步運(yùn)行程序、在程序中插入斷點(diǎn)運(yùn)行等一系列操作。

2.1.2 Keil MDK環(huán)境下的軟件開發(fā)

首先在Keil MDK中創(chuàng)建一個(gè)新的工程，在新的工程中選擇智能車使用的主控制芯片，并進(jìn)行相關(guān)配置;然后開始編寫程序;程序編寫完成后，在MDK中進(jìn)行程序編譯;如果有錯(cuò)誤發(fā)生，則修改源程序文件，直到程序無誤，此時(shí)將程序文件燒錄到芯片中。

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

智能小車的控制主程序的主要任務(wù)是完成系統(tǒng)的初始化、處理信息采集、小車的循跡控制、電機(jī)的控制、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、紅外對(duì)管檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到一號(hào)車到達(dá)接力區(qū)的時(shí)候應(yīng)該停在接力區(qū)，將接力棒傳給二號(hào)車。當(dāng)檢測(cè)二號(hào)車接收到接力棒的時(shí)候，二號(hào)車啟動(dòng)循跡前進(jìn)。當(dāng)檢測(cè)到二號(hào)車到達(dá)停止區(qū)時(shí)，二號(hào)車停在停止區(qū)內(nèi)。

2.3 信息采集模塊

智能車要實(shí)現(xiàn)循跡功能，就需要采集賽道上的黑色引導(dǎo)線的軌跡信息，這部分就需要信息采集模塊來實(shí)現(xiàn)。通過光電傳感器采集道路上的黑白線位置信號(hào)，根據(jù)采集到的信號(hào)將不同的信號(hào)的電壓值輸入到主控制器內(nèi)，在主控制器內(nèi)將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為所需要的工程值，根據(jù)不同的工程值大小判斷黑白線。

2.4 循跡控制模塊

該模塊根據(jù)道路信息模塊所采集的道路信息和判斷的黑白線信息來判斷小車在賽道中的位置，根據(jù)小車在賽道中的位置通過調(diào)節(jié)左右輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速差來控制小車的行動(dòng)方向從而調(diào)節(jié)小車位置。當(dāng)檢測(cè)到小車在賽道偏左位置時(shí)，左電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于右電機(jī);當(dāng)檢測(cè)到小車在賽道偏右位置時(shí)，右電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于左電機(jī);當(dāng)檢測(cè)到小車位置在賽道中間位置時(shí)，左右電機(jī)轉(zhuǎn)速一致。

2.5 接力模塊

整個(gè)設(shè)計(jì)中接力模塊分為兩個(gè)部分。

第一部分為一號(hào)車的舵機(jī)控制模塊：當(dāng)一號(hào)車檢測(cè)已經(jīng)到達(dá)接力區(qū)并穩(wěn)定停車時(shí)，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定的角度的時(shí)候，接力棒完成投遞動(dòng)作。

第二部分為二號(hào)車的紅外對(duì)管檢測(cè)模塊：在二號(hào)車沒有接收到接力棒的時(shí)候紅外對(duì)管是導(dǎo)通的，這個(gè)時(shí)候程序中該位為高電平，二號(hào)車在接力區(qū)處于停止?fàn)顟B(tài);當(dāng)二號(hào)車檢測(cè)到接收到接力棒時(shí)，紅外對(duì)管是不導(dǎo)通的，這個(gè)時(shí)候程序中該位為低電平，二號(hào)車啟動(dòng)。

2.6 電機(jī)控制模塊

在實(shí)際的軟件算法設(shè)計(jì)中，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行先比例，后積分，再微分的整定步驟[1]。首先整定比例部分，如果調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)控制的效果沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求的時(shí)候，需要使用積分環(huán)節(jié)，若同時(shí)使用比例和積分環(huán)節(jié)，能消除靜差，但調(diào)試過程仍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，就需要加入微分環(huán)節(jié)。調(diào)速程序中采用的是增量式PID算法。

本設(shè)計(jì)的PID算法選取比例控制單元（Kp）和微分控制單元（Td），所以在算法程序中只需要設(shè)置比例放大系數(shù)（P）和微分時(shí)間常數(shù)（D），實(shí)際算法程序如下：

PID算法程序：

wucha_d=loc-lastloc[4];//誤差計(jì)算

pwm_out=P*loc+wucha_d*D;//誤差處理

PWM輸出：

pwm_final_L=pwm_max+pwm_out;//左電機(jī)PWM輸出

pwm_final_R=pwm_max-pwm_out;//右電機(jī)PWM輸出

一號(hào)車的參數(shù)設(shè)置：P=330，D=900，pwm_max=900;

二號(hào)車的參數(shù)設(shè)置：P=200，D=720，pwm_max=900;

首先對(duì)比例放大系數(shù)（P）進(jìn)行整定，將P的值從零開始逐步增大，觀察小車循跡時(shí)翻譯的快速性，當(dāng)小車循跡時(shí)反應(yīng)的快速性良好時(shí)，開始對(duì)微分時(shí)間常數(shù)（D）進(jìn)行整定，最終得到上述的P、D參數(shù)。

3 系統(tǒng)調(diào)試

通電檢查：給智能車通電，檢測(cè)各模塊是否供電正常，尤其是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓和電流，需要時(shí)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓和電流保持在額定范圍內(nèi)，才能使電機(jī)保持正常工作。

程序調(diào)試：檢查程序是否已經(jīng)燒錄到芯片中，在各模塊中能否正常運(yùn)行。

整機(jī)調(diào)試：整體調(diào)試智能車的各個(gè)參數(shù)。

（1）光電傳感器的參數(shù)調(diào)節(jié)：分別讓光電傳感器在黑色和白色的區(qū)域工作采集此時(shí)7個(gè)通道的各路參數(shù)，共采集10組計(jì)算平均值，用平均值作為所需要的參數(shù)。

（2）PID參數(shù)調(diào)節(jié)：PID的參數(shù)調(diào)節(jié)需要根據(jù)參數(shù)PID參數(shù)整定的步驟一步步進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至智能車的循跡效果和轉(zhuǎn)彎效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

通過優(yōu)化和完善，智能車基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和比賽的要求，在賽道上能夠正常運(yùn)行，并且實(shí)現(xiàn)了平均1.2m/s的行駛速度。

4 結(jié)論

本文從信息采集模塊，尋跡模塊，接力模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及控制算法等幾個(gè)方面完成了應(yīng)用于接力賽的智能小車的軟件部分設(shè)計(jì)，給出了軟件設(shè)計(jì)流程，詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)思路。光電傳感器采集道路上的黑白線位置信號(hào)，通過左右電機(jī)的PWM控制來實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，通過PID的參數(shù)整定一步步進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至智能車的循跡效果和轉(zhuǎn)彎效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過模塊調(diào)試和整機(jī)調(diào)試，本設(shè)計(jì)控制精確度高，可靠性強(qiáng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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