基于PID控制算法的氣味循跡車(chē)設計

摘要：氣味源的循跡是目前的研究熱點(diǎn)之一，在以后的日常生活以及生產(chǎn)方面有著(zhù)較為廣泛的運用。本文介紹了一種基于 STC12C5A60S2單片機設計的簡(jiǎn)便智能氣味循跡小車(chē)。采用兩個(gè)氣味傳感器，根據濃度差判斷氣味流向，并通過(guò)PID算法控制舵機打出偏角，使小車(chē)循著(zhù)氣味行走。整個(gè)硬件模塊的設計結構簡(jiǎn)單靈活，通過(guò)實(shí)驗仿真，在室內時(shí)變氣流場(chǎng)的環(huán)境下，該小車(chē)能達到氣味循跡要求。

關(guān)鍵詞：單片機;PID;氣味;循跡小車(chē)

氣味循跡可以從事尋找有毒有害氣體泄漏源、尋找爆炸源等相關(guān)工作，受到科研人員高度關(guān)注，發(fā)展十分迅速。同時(shí)，隨著(zhù)人們日常生活智能化程度的增強，具有智能控制系統的小車(chē)、機器人層出不窮，而這些智能體將在未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中扮演更重要的角色。智能車(chē)，是一種能感知環(huán)境和自動(dòng)有目的地行駛的綜合系統。我們也可以這樣認為，智能車(chē)也是智能機器人的一種形式，它的雙腿我們用輪子代替，因而更加簡(jiǎn)單實(shí)現和控制。

耗時(shí)長(cháng)、跟隨性能差是當下智能氣味循跡車(chē)在循跡過(guò)程中普遍存在著(zhù)的情況。本文介紹的智能氣味循跡車(chē)的控制核心是STC12單片機，能自動(dòng)感知附近特定的氣味，并應用

PID算法調節舵機，控制方向遵循氣味來(lái)向前行，實(shí)驗結果顯示能有效縮短循跡時(shí)間，改善智能車(chē)的跟隨性能。

1 硬件系統及其工作原理

1.1 硬件系統設計

智能車(chē)的系統(圖1)的組成模塊有：電源模塊(變壓穩壓)、控制處理模塊、傳感器模塊(探尋氣味)、轉向控制模塊、電機驅動(dòng)模塊和狀態(tài)顯示模塊等?？刂铺幚砟K為STC12 C5A單片機，由ULN2003APC驅動(dòng)電機，采用后輪驅動(dòng)，舵機由單片機直接控制，而舵機控制前輪轉向。部分電路圖(圖2)和電路板實(shí)物圖(圖3)如下。

1.2 工作原理簡(jiǎn)介

本設計中，智能小車(chē)先由氣味傳感器感知兩個(gè)方向的氣味濃度，傳送給單片機的AD口，由單片機進(jìn)行判斷，判斷兩個(gè)方向的濃度高低，然后通過(guò)PID算法，控制舵機打出偏角，跟隨軌跡前行。

2 芯片配置及其功能

2.1 單片機STC12C5A60S2介紹

STC12C5A60S2引腳圖如圖4所示。

此單片機具有如下配置：RAM擁有1 280字節，具備40個(gè)通用I/O口，復位后為準雙向口/弱上拉。具有EEPROM、看門(mén)狗功能。5.0 V單片機為：11～17 MHz，3.3 V單片機為：8～12 MHz。Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCPO/P1.3，CCPO/P1.3。

雙串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.3。

氣味傳感器是氣味循跡小車(chē)的關(guān)鍵模塊，氣體感應的準確性關(guān)系著(zhù)小車(chē)最終能否尋找到氣味源。本實(shí)驗采用一個(gè)MS5100傳感器。MS5100通電后，圓圈內的金屬化合物能感知特定氣味，其電阻隨氣味濃度升高而降低，則增大，輸送給單片機的AD口，因為單片機能判斷此氣味傳感器所處位置的氣味濃度。(電路圖如圖5)

2.2 舵機模塊

本設計中舵機(圖2中舵機部分)采用PWM信號(脈寬調制信號)作為控制信號，控制周期為20 ms，擁有0.5～2.5 ms的脈沖寬度，以及0～180度的舵盤(pán)偏移角度，呈線(xiàn)性變化。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì )保持在一個(gè)相對應的角度上，無(wú)論外界轉矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號，它才會(huì )改變輸出角度到新的對應的位置上。

2.3 電機驅動(dòng)模塊

由于單片機提供的電流無(wú)法直接驅動(dòng)小車(chē)上的直流電機，故本設計采用外接驅動(dòng)芯片達林頓管，即ULN2003作為電機驅動(dòng)(圖2中電機驅動(dòng)部分)，控制電機轉動(dòng)。此芯片能承受較高的工作電壓和電流，采用編程產(chǎn)生有序的PWM波，對電機進(jìn)行控制，能達到速度可調的效果。

2.4 指示燈顯示模塊

本設計中采用發(fā)光二極管，將將傳感器的采集結果直接輸出，可直觀(guān)了解到各個(gè)傳感器的工作情況。通過(guò)對觀(guān)察傳感器工作情況與的行駛小車(chē)狀態(tài)，可判斷小車(chē)是否正常工作。

2.5 電源模塊

本設計中單片機、電機驅動(dòng)等元器件的正常工作均需要穩定的電壓，因此采用LM7805和LM7806并配上穩壓濾波電路分別將干電池的電源直接變壓成5 V和6 V的直流電源，來(lái)提供單片機、舵機、電機等元件工作所需電源。

3 實(shí)驗

智能車(chē)追蹤氣味源的關(guān)鍵在于快速地分析氣味的流向，并迅速準確地控制舵機打出偏角。然而在連續轉彎時(shí)，由于曲率變化過(guò)大，加上小車(chē)具有一定的速度，舵機響應又需要一定的時(shí)間，所以在實(shí)際中經(jīng)常出現小車(chē)來(lái)不及掉頭而隨意沖撞的情況。本設計中采用PID算法來(lái)控制舵機轉向，在智能車(chē)對氣味的跟隨性能上有明顯改善，能實(shí)現快速準確地控制(圖8)。PID算法公式：

其中：Kp為比例控制參數;

KI為積分控制參數;

KD為微分控制參數。

C語(yǔ)言是實(shí)驗的主要編程語(yǔ)言，上述PID算法代碼可用下面語(yǔ)句實(shí)現：

PID_out=(servo_P*error_history[2]//比例

+servo_I*error_sum/10//積分

+servo_D*(error_history[2]-error_history[1])//微分

)/10;//這里的能將小數計算轉換成整數計算，以減輕單片機的負擔

4 結束語(yǔ)

本設計系統的主控模塊采用的STC12C5A60S2單片機，可以將氣味傳感器輸入的模擬量通過(guò)AD轉換轉換成數字量從而使運算更加簡(jiǎn)便，加上合適的 PID運算，能對舵機進(jìn)行較為準確的控制，從而能夠達到智能車(chē)跟隨氣味行走的目的。本方案系統設計合理有序。不足的地方就在于傳感器的靈敏度，本設計需要傳感器能較為準確地判斷比較兩個(gè)傳感器所處位置的濃度差，而一般的傳感器不能很好的達到這一要求。本實(shí)驗最終的結果實(shí)現了智能小車(chē)對氣味的感知，并能尋找高濃度的方向。通過(guò)對智能氣味循跡車(chē)添加PID算法控制的實(shí)驗證明：添加算法后，小車(chē)循跡更加迅速準確，有較強的適應能力。