車(chē)速智能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，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。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)系如下：

　　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)。

　　由于輪胎抓地力有限，制動(dòng)力超過(guò)一定值后會(huì )發(fā)生輪胎打滑的情況。一旦發(fā)生打滑，會(huì )使剎車(chē)距離變長(cháng)，過(guò)彎半徑變大。如果能使剎車(chē)力始終控制在臨界打滑點(diǎn)上，則可以獲得最短的剎車(chē)距離。在這三種減速方法中，只有反接制動(dòng)可以根據不同的車(chē)速給出不同的反接剎車(chē)力，讓車(chē)速以最大斜率下降。因此，通過(guò)大量實(shí)驗測定出不打滑的最高剎車(chē)電壓，最高不打滑劃占空比約為55000。因為不同賽道會(huì )有差異，在編程時(shí)留有了余量。以震蕩作為識別車(chē)模在剎車(chē)時(shí)是否打滑的標志?？梢苑秩讉€(gè)典型的車(chē)速，讓車(chē)模在直道上加到預設的速度，然后分別用一組反接電壓進(jìn)行反接制動(dòng)，觀(guān)察并記錄最高不打滑的剎車(chē)電壓。這樣，每個(gè)典型車(chē)速都得到一個(gè)對應的最大剎車(chē)電壓。將最大不打滑反接電壓與車(chē)速對比后，發(fā)現最大不打滑反接電壓與車(chē)速成比例關(guān)系?？紤]直流電機的模型，外部電壓加到電機電樞上時(shí)，電機轉子開(kāi)始轉動(dòng)，產(chǎn)生反電勢，此電壓與車(chē)速成正比例關(guān)系。當轉子上產(chǎn)生的反電勢等于外加電壓后，電機速度達到穩態(tài)。因此，反接制動(dòng)電壓減去電機產(chǎn)生的反電勢之后剩下的電壓部分才是用于減速的。在車(chē)模要減速的時(shí)候，可以先通過(guò)當前車(chē)速計算出轉子的反電勢，然后在這個(gè)基礎上再疊加一個(gè)反接制動(dòng)電壓，送到執行器上。

　　車(chē)模前進(jìn)的阻力主要分為地面滑動(dòng)摩擦力和風(fēng)阻，車(chē)模在行駛過(guò)程中質(zhì)量保持恒定不變。在車(chē)速較低的情況下，風(fēng)阻也可認為是恒值。結合以上實(shí)驗數據和推理可知，車(chē)速模型的主要部分為一階慣性環(huán)節。

　　
速度控制策略

　　經(jīng)分析，賽道大致分為直道，90度和90度以上的彎道和S形彎道等類(lèi)型，要想在不同道路上發(fā)揮出最大速度，關(guān)鍵問(wèn)題是如何判斷出道路的情況，以下是幾種道路的判斷條件和通過(guò)策略。

　　● 直道的判斷條件和通過(guò)策略

　　當小車(chē)在中間三個(gè)光電管的檢測范圍內檢測到黑線(xiàn)，則認為小車(chē)行駛在直道上，滿(mǎn)足直道的條件就使小車(chē)加速，直至加到某個(gè)較大的值時(shí)滿(mǎn)足剎車(chē)的條件。如果連續幾十個(gè)周期都檢測到了黑線(xiàn)，說(shuō)明小車(chē)行駛在長(cháng)直道上，而轉彎時(shí)需要剎車(chē)。

直道最高限速度是賽車(chē)從長(cháng)直道入彎時(shí)不沖出彎道的最高速度，小車(chē)行駛時(shí)不能高于這個(gè)速度。當然，剎車(chē)越及時(shí)，越靈敏，則直道上速度就可以越大。實(shí)驗得到約為55000(對應PWM的占空比)。

　　需要剎車(chē)的最小速度是讓小車(chē)從長(cháng)直道入彎，不用剎車(chē)時(shí)能夠順利通過(guò)彎道的最高速度。當車(chē)的瞬時(shí)速度高于這個(gè)速度入彎時(shí)，啟動(dòng)剎車(chē)，反之，不用剎車(chē)。實(shí)驗測得長(cháng)直道入彎最高速度不超過(guò)50000(對應PWM的占空比)。

　　● 彎道判斷條件和通過(guò)策略

　　當小車(chē)不滿(mǎn)足直道的條件時(shí)，則行駛在彎道上。由于彎道的曲率半徑和角度的不同分為90度和90度以上的彎道和S形彎道。當小車(chē)行駛在彎道時(shí)，只有某一邊的傳感器連續檢測到黑線(xiàn)，再根據兩邊的傳感器檢測到黑線(xiàn)時(shí)間的長(cháng)短來(lái)確定彎道角度的大小;如果小車(chē)行駛在S形彎道上，則傳感器檢測到的值會(huì )在水平偏差范圍內連續變化?？傊趶澋郎?，要以彎道最大速度行駛。

　　彎道最大速度是讓小車(chē)在彎道上一直加速，直至沖出賽道的速度。當賽車(chē)在彎道上的速度小于彎道最大速度時(shí)，就要調整PWM信號的占空比，使小車(chē)逐漸加速。實(shí)驗測得所有彎道最大速度不超過(guò)32000(對應PWM的占空比)。

　　● 交叉線(xiàn)識別

　　按比賽規則，還有交叉線(xiàn)，但由于是直角交叉，因此只需要在多個(gè)傳感器都檢測到黑線(xiàn)的情況下保持原來(lái)的行進(jìn)方向和速度繼續前進(jìn)即可。