基于單片機的智能車(chē)速度控制系統

作者/ 陶佳 廣東省技師學(xué)院(廣東 惠州 516100)

陶佳(1986-)，男，講師，研究方向：智能控制工程，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

摘要：本文重點(diǎn)介紹了基于光電自動(dòng)尋線(xiàn)智能車(chē)的速度控制系統的設計，包含直流電機的驅動(dòng)模塊、速度檢測模塊、速度控制策略、速度控制周期等部分。采用兩片MC33886芯片來(lái)驅動(dòng)電機運行，用反射式紅外對管檢測電機速度，實(shí)現對電機的閉環(huán)控制，通過(guò)大量的試驗，最終速度控制策略采用了增量式PID控制和BangBang控制相結合的方法，并創(chuàng )新性地使用兩個(gè)中斷相結合的方法使得速度控制周期為等時(shí)的，從而對智能車(chē)過(guò)彎速度達到良好的控制。

引言

　　在智能車(chē)制作中，利用ATmega16 單片機作為核心控制單元，以攝像頭為路徑識別傳感器，分別設計控制系統，使得模型汽車(chē)能夠自動(dòng)準確地按照規定的橢圓路線(xiàn)行駛，速度控制是智能車(chē)控制系統最核心的部分之一，本文就如何設計智能車(chē)速度控制系統做了詳細介紹。

　　智能車(chē)速度控制系統包含電機驅動(dòng)模塊，速度檢測模塊，速度控制策略，速度控制周期等，如圖1所示：

1 電機驅動(dòng)模塊

　　系統所用電機是RS-380型號的直流電動(dòng)機，其額定工作電壓為7.2V，能輸出0.9～40W的功率。使用兩片MC33886芯片并聯(lián)來(lái)驅動(dòng)電機，其中MC33886為H橋式電源開(kāi)關(guān)IC，該 IC結合內部控制邏輯、電荷泵、柵極驅動(dòng)器、MOSFET輸出電路，可工作在5~40V電壓范圍內。通過(guò)PWM信號調節輸出，進(jìn)而調節電機轉速，PWM的控制頻率為1KHz，PWM23可用于正轉控制，PWM45可用于反轉控制，OUT1和OUT2接于直流電機上，用來(lái)實(shí)現在直道時(shí)快速加速，彎道實(shí)現反轉剎車(chē)來(lái)快速減速。電路圖如圖2所示。

2 速度檢測模塊

2.1 速度檢測硬件

　　直流電機的速度的檢測方案是：用MATLAB自制黑白相間且均勻等分的編碼盤(pán)，如圖3(a)所示。將編碼盤(pán)黏貼于圓盤(pán)上，當圓盤(pán)隨著(zhù)齒輪轉動(dòng)時(shí)，利用反射式紅外對管ST188接收強弱交替變化的反射光，再通過(guò)I/O口將高低脈沖電平傳給單片機的輸入捕捉中斷中進(jìn)行計算。自制測速裝配圖和速度檢測模塊原理圖分別如圖3(b)和如圖3(c)所示。

　　該方案具有成本低廉、制作容易、負荷小的優(yōu)點(diǎn)，配合單片機的輸入捕捉功能可以實(shí)現高精度的速度采集。

2.2 速度的計算

　　方案中的數字測速的計算方法是采用T法。T法是指在兩個(gè)相鄰的輸入脈沖的間隔時(shí)間T內，用一個(gè)計數器對高頻基準信號的脈沖數進(jìn)行計數，由計數值來(lái)計算轉速，原理圖如圖4所示。

　　計算公式推導：設計碼盤(pán)格數為40，旋轉一周能產(chǎn)生20個(gè)脈沖。高頻基準信號是通過(guò)對系統時(shí)鐘128分頻獲得，實(shí)際頻率f0=24M/128=187.5KHz。在T法測速中，測速時(shí)間T是用計數器所得的基準 信號脈沖個(gè)數M2來(lái)計算的，即T=M2/f0，對應后輪轉速為：n=2/ZT=2f0/ZM2，經(jīng)測量小車(chē)的后輪周長(cháng)為17cm，所以小車(chē)速度的計算公式如式(1)所示：

(1)

3 速度控制策略

3.1 增量式 PID 控制^[2]

　　本方案采用增量式PID來(lái)使智能車(chē)能夠勻速穩定地行駛，增量式PID的速度檢測信號M2高頻基準信號T計算公式如式(2)所示：

(2)

　　其中，u_n為當前輸出增量;u_n-1為上一次輸出增量;K_p為比例增益;為積分系數;為微分系數;T為采樣周期;T_I為積分周期;T_D為微分周期;e_n為第n次偏差，e_n-1第n-1次偏差。

3.2 BangBang 控制

　　BangBang 控制的思想是：定義速度誤差en為給定速度減去反饋速度，當e_n大于設定值 e_k時(shí)，就強制輸出一個(gè)最大值u_max;反之，如果速度誤差e_n小于設定值(-e_k)時(shí)，就強制輸出一個(gè)最小值u_max，在速度誤差較大時(shí)，Bang_Bang調節比PID調節響應速度更快、更及時(shí)。計算公式如式3所示。式中en為給定速度減去反饋速度的差值。

(3)

3.3 增量式 PID 控制配合 BangBang 控制

　　為了實(shí)現，在賽道曲率變化不大時(shí)且智能車(chē)高速勻速穩定行駛，采用增量式PID控制。在從直道行駛入彎道時(shí)，智能車(chē)能夠很快地反轉剎車(chē)，降低速度，從而良好通過(guò)彎道;在彎道進(jìn)入直道時(shí)，智能車(chē)能夠很快地提高速度，以高速在直道上行駛。我們采用的速度控制策略是增量式 PID 控制配合 Bang_Bang 控制，當給定速度與反饋速度相差不大時(shí)，采用增量式 PID 控制，當給定速度與反饋速度相差較大時(shí)， 采用 Bang_Bang 控制，計算公式如式 4 所示：

(4)

4 速度控制周期

　　采用的控制周期方案是：

　　測速程序是通過(guò)單片機的輸入捕捉中斷來(lái)完成的，即車(chē)輪每轉一周(0.17m)，將產(chǎn)生 20 次中斷，在這20次中斷過(guò)程中，能運行20次的速度檢測，如果按照平均車(chē)速 1.8m/s 計算的話(huà)，那么每一次輸入捕捉中斷的時(shí)間為：0.17/(18×20)=4.7ms，也就是每隔4.7ms得到一個(gè)反饋速度。

　　速度控制程序是指單片機每隔一定時(shí)間(如10ms)根據給定的速度和反饋速度進(jìn)行速度的閉環(huán)控制。反饋速度是通過(guò)上面的輸入捕捉中斷方式讀取，給定速度通過(guò)查詢(xún)方式獲得。速度控制程序在定時(shí)中斷程序中執行，而定時(shí)中斷是通過(guò)模數遞減計數器來(lái)實(shí)現的。

　　這樣程序在運行中存在兩個(gè)中斷，并且輸入捕捉中斷優(yōu)先級高于模數遞減計數器的定時(shí)中斷。輸入捕捉的頻率為定時(shí)中斷的兩倍，這樣，每執行一次定時(shí)中斷，反饋速度有兩個(gè)值，由于兩個(gè)值的時(shí)間間隔比較短，取前一次的值代表當前速度，并且測速程序執行所占有的時(shí)間極短，因此輸入捕捉中斷對速度控制程序的影響不大。

　　等時(shí)控制是指控制程序每隔一定時(shí)間執行一次，等距控制是指控制程序每隔一定的距離執行一 次，由于控制周期不受車(chē)速控制，所以等時(shí)控制優(yōu)于等距控制。方案一采用自制的用反射式紅外對管測速，價(jià)格便宜，但控制周期是等時(shí)的;方案二采用旋轉編碼器測速，價(jià)格昂貴，但測速精度相對高，控制周期是等時(shí)的。我們的方案用反射式紅外對管測速，價(jià)格便宜，控制周期是等時(shí)的。電機速度控制的流程圖如圖5所示。

5 仿真結果

　　圖6為已制作完成的智能車(chē)實(shí)物照片，我們在自制的跑道上進(jìn)行了實(shí)際測試，得出以下試驗結果：獲取了一組比較好的PID參數，KP=50，KI=3，KD=4，在該參數下，智能車(chē)能夠得到較快、較好且平穩的速度。當速度誤差en(給定速度減去反饋速度的差值)大于70cm/s時(shí) ，電機驅動(dòng)輸出un為90%的占空比;當速度誤差en(給定速度減去反饋速度的差值)小于-70cm/s時(shí)，電機驅動(dòng)輸出un為10%的占空比。在PID和BangBang 控制下速度變化范圍較大，實(shí)現了快速加速，快速剎車(chē)。

6 結論

　　經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗調試，智能車(chē)在基于兩片MC33886并聯(lián)組成的驅動(dòng)上，能夠實(shí)現良好的電機正轉和反轉控制。通過(guò)使用反射式紅外管能夠比較穩定和精確地檢測速度，計算速度。用于測速的輸入捕捉中斷 和用于速度控制定時(shí)中斷兩個(gè)相結合能夠很好地實(shí)現控制周期等時(shí)。使用的PID和BangBang的結合的控制策略，通過(guò)不斷調試，選擇合理的參數，實(shí)現了智能車(chē)根據路徑識別來(lái)閉環(huán)調節速度，在賽道曲率變化不大時(shí)的勻速行駛，在賽道曲率突變時(shí)的速度急增急減的效果，并且智能夠使智能車(chē)長(cháng)時(shí)間的良好運行，印證了該方法的可靠和有效。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第46頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。