基于安卓的智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何姣++楊靖

摘 要：為了提高智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)速度控制系統(tǒng)在線可調(diào)及數(shù)據(jù)采集方便有效，將安卓引入轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。移動(dòng)終端采用WiFi通信方式實(shí)現(xiàn)智能車控制參數(shù)在線可調(diào)以及快速有效地采集數(shù)據(jù)等。文中基于全國(guó)大學(xué)生智能車比賽的環(huán)境和Eclipse平臺(tái)，做了基于安卓的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)終端在線調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)和快速有效采集數(shù)據(jù)功能，使得智能車轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)精度得以提高，并能夠更快、更穩(wěn)的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；安卓；在線調(diào)節(jié)；控制精度

中圖分類號(hào)：TP30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）07-00-02

0 引 言

從全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”智能車比賽開(kāi)始，現(xiàn)在雖然飛思卡爾公司已被合并，但全國(guó)大學(xué)生智能車比賽依然進(jìn)行的如火如荼 [1，2]。智能車不僅是在學(xué)生比賽中被廣為學(xué)習(xí)，有輪式機(jī)器人之稱的智能車在日常生產(chǎn)中也占據(jù)了重要地位，包括在生活中被期待和反復(fù)試驗(yàn)的無(wú)人駕駛技術(shù)以及在生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用的智能安全巡檢技術(shù)等。

智能車的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)一直都是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，精準(zhǔn)可調(diào)控的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可以為生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)很大便利[3，4]?；诎沧康闹悄苘囖D(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用安卓系統(tǒng)設(shè)計(jì)移動(dòng)終端App，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)控智能車轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速系統(tǒng)參數(shù)等功能，及對(duì)智能車的精準(zhǔn)控制和在線調(diào)控功能。

1 智能車硬件設(shè)計(jì)

智能車選擇龍邱科技的32位K60單片機(jī)作為控制芯片，硬件包括電源模塊、OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭、500線編碼器、直流電機(jī)、SD5舵機(jī)、RM04串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、手機(jī)終端等[1，5]。手機(jī)作為移動(dòng)終端，通過(guò)App發(fā)送控制信號(hào)給WiFi轉(zhuǎn)串口模塊，模塊將信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)接收信號(hào)后執(zhí)行轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制命令。圖 1所示為智能車硬件結(jié)構(gòu)框圖。

智能車上安裝的編碼器檢測(cè)到車速，單片機(jī)采集到的速度信息經(jīng)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊將速度信息顯示在移動(dòng)終端上。可以從移動(dòng)終端上實(shí)時(shí)得到攝像頭獲取的圖像信息，在線修改轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)PID參數(shù)，達(dá)到提高轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制精度和在線調(diào)控的目的[4]。

系統(tǒng)采用紅樹(shù)偉業(yè)7.2 V/2 000 mAh電池，用穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)一個(gè)為攝像頭提供3.3 V電壓，為編碼器提供5 V電壓的電源模塊。攝像頭采用OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭，用于采集道路信息，經(jīng)圖像處理來(lái)控制智能車的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。電源模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖 2 電源模塊

如圖2所示，電源模塊接入7.2 V電池電壓，經(jīng)AMS1117穩(wěn)壓片輸出3.3 V和5 V電壓，為攝像頭提供3.3 V電壓，為舵機(jī)和編碼器提供5 V電壓。

2 智能車轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道路不同，智能車的速度也不同，攝像頭采集道路圖像信息，主控制器通過(guò)控制算法分析，控制電機(jī)運(yùn)行速度。編碼器將電機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度傳回主控制器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)控制，手機(jī)終端從主控制器獲取智能車速及PID參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線可調(diào)控。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.2 PID控制算法分析

智能車的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用增量式PID控制[6，7]，其控制原理圖如圖 4所示。

目標(biāo)值與實(shí)際值的差為誤差，誤差通過(guò)PID控制器得到一個(gè)輸出量，輸出量與控制器中的PID參數(shù)構(gòu)成線性組合關(guān)系。最終實(shí)際速度在以一個(gè)接近目標(biāo)值的穩(wěn)態(tài)值為中心的小范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖4中的PID輸入量由目標(biāo)值與實(shí)際值決定，其關(guān)系式為：

（1）

PID控制系統(tǒng)輸出與比例、積分、微分的線性組合關(guān)系為：

（2）

其中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)。輸出量被電機(jī)執(zhí)行，得出新的實(shí)際值，新的實(shí)際值又與目標(biāo)值比較得出新的誤差，如此循環(huán)，最后實(shí)際值以一個(gè)穩(wěn)態(tài)值為中心上下波動(dòng)[2，7]。

2.3 參數(shù)整定

在PID控制器中，三個(gè)參數(shù)分別有不同的作用，在調(diào)整參數(shù)時(shí)，首先確定影響系統(tǒng)響應(yīng)速度的比例系數(shù)kp，然后調(diào)整影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的微分系數(shù)kd，最后在系統(tǒng)上增加影響穩(wěn)態(tài)誤差的積分系數(shù)ki。在調(diào)整微分系數(shù)kd和ki積分系數(shù)時(shí)，需要微調(diào)比例系數(shù)kp。微調(diào)三個(gè)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制效果[4，8，9]。

3 移動(dòng)終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端系統(tǒng)輸入給定速度，編碼器采集實(shí)時(shí)速度傳回移動(dòng)終端，終端將采集到的速度保存到sdcard中，通過(guò)時(shí)域參數(shù)運(yùn)算得出時(shí)域動(dòng)態(tài)指標(biāo)，超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差。移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)示例如圖 5所示。

根據(jù)時(shí)域動(dòng)態(tài)指標(biāo)在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)控制策略，畫出智能車實(shí)時(shí)速度變化曲線圖。

新建WriteButtonListener類寫入給定速度、PID參數(shù)，新建類ReadButtonListener讀取采集到的實(shí)時(shí)速度，新建類onDraws畫出輸出速度曲線圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于安卓的智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)在PID閉環(huán)控制基礎(chǔ)上采用手機(jī)終端遠(yuǎn)程控制智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)提高了智能車轉(zhuǎn)速控制的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)在線可調(diào)和數(shù)據(jù)采集優(yōu)化，降低了調(diào)試人員的工作難度。如要獲得更加快捷有效的調(diào)試結(jié)果，可以先采用模糊或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法整定PID參數(shù)，再進(jìn)行在線調(diào)試。

參考文獻(xiàn)

[1]卓晴，黃開(kāi)勝，邵貝貝.學(xué)做智能車——挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]肖文健，李永科.基于增量式PID控制算法的智能車設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2012（10）：125-127.

[3]龔君.基于ZigBee多智能小車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2012.

[4]王志飛.基于PID驅(qū)動(dòng)控制算法的智能車遠(yuǎn)程閉環(huán)控制的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[5]胡房武.基于圖像采集的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué)，2011.

[6]鄭怡.基于遺傳算法的智能車速度控制系統(tǒng)研究[J].西北民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，36（1）：28-31.

[7]楊曉嵐.PID算法在智能車中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（4）：187-189.

[8]李梅，金力. 《智能車PID算法的設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)綜述[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013（16）：3826-3829.

[9]吳全玉，張曉東，晁曉琪，等.基于經(jīng)典PID算法的智能車系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2011（1）：25-26.