智能車(chē)速度控制系統的設計與實(shí)現

　　引言

　　在智能車(chē)競賽中，速度控制不能采用單純的PID，而要采用能夠在全加速、緊急制動(dòng)和閉環(huán)控制等多種模式中平穩切換的“多模式”速度控制算法，才能根據不同的道路狀況迅速準確地改變車(chē)速，實(shí)現穩定過(guò)彎。

　　系統硬件設計

　　按照競賽要求，本文設計的智能車(chē)速度控制系統，以飛思卡爾MC9S12DG128 單片機為核心[1]，與車(chē)速檢測模塊、直流電機驅動(dòng)模塊、電源模塊等一起構成了智能車(chē)速度閉環(huán)控制系統。單片機根據賽道信息采用合理的控制算法實(shí)現對車(chē)速的控制，車(chē)速檢測采用安裝于車(chē)模后軸上的光電編碼器，直流電機驅動(dòng)采用了由四個(gè)MOS管構成的H橋電路如圖1所示，電源模塊給單片機、光電編碼器和驅動(dòng)電機等供電。

　　系統建模

　　一個(gè)針對實(shí)際對象的控制系統設計，首先要做的就是對執行器及系統進(jìn)行建模，并標定系統的輸入和輸出。為了對車(chē)速控制系統設計合適的控制器，就要對速度系統進(jìn)行定階和歸一化[2]。對此，分別設計了加速和減速模型測定實(shí)驗。通過(guò)加裝在車(chē)模后輪軸上的光電編碼器測量電機轉速。編碼器齒輪與驅動(dòng)輪的齒數比為33/76，編碼器每輸出一個(gè)脈沖對應智能車(chē)運動(dòng)1.205mm。車(chē)?？梢酝ㄟ^(guò)調節加給電機的PWM波的占空比進(jìn)行調速。單片機上的PWM模塊可以是8位或16位的，為了提高調速的精度，電機調速模塊選用16位PWM，其占空比調節范圍從0到65535，對應電機電樞電壓從0%到100%的電池電壓。

　　將車(chē)模放置在一段長(cháng)直跑道上，采用開(kāi)環(huán)方式給驅動(dòng)電機加上不同的電壓，記錄車(chē)模在速度進(jìn)入穩定后的速度值。然后將所測得的電樞電壓與車(chē)速進(jìn)行擬合的曲線(xiàn)如圖2所示，由圖1可將智能車(chē)加速模型近似為線(xiàn)性模型。

　　根據實(shí)驗數據可以確定車(chē)速執行器系統的零點(diǎn)和增益。車(chē)速V與占空比PWM_Ratio的關(guān)系見(jiàn)公式1：

　　V = PWM_Ratio×402 + 22000 (1)

　　其中：PWM_Ratio的取值范圍為0-65535

　　車(chē)模減速有三種方法：自由減速、能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)。自由減速動(dòng)力來(lái)自摩擦阻力，基本認為恒定。能耗制動(dòng)是將能量消耗到電機內阻上，制動(dòng)力隨著(zhù)車(chē)速的降低而降低，也可通過(guò)控制使加速度減小得更快。反接制動(dòng)通過(guò)反加電壓實(shí)現，制動(dòng)力與所加的反向電壓有關(guān)。