馬 靜,張 玉
(西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710021)
無(wú)人小車(chē)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
馬 靜,張 玉
(西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710021)
本文提出了一種基于STM32嵌入式微處理器的無(wú)人小車(chē)速度控制技術(shù)。無(wú)人小車(chē)是以四輪式結(jié)構(gòu)作為機(jī)械平臺(tái),選擇常見(jiàn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。根據(jù)軟硬件的相關(guān)配置編寫(xiě)程序,實(shí)現(xiàn)無(wú)人小車(chē)的基本運(yùn)轉(zhuǎn)及無(wú)人小車(chē)的調(diào)速和測(cè)速功能,達(dá)到智能控制,完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。
無(wú)人小車(chē);STM32;智能控制;調(diào)速;測(cè)速
近年來(lái),隨著科技的進(jìn)步,人們?cè)诓粩嗟淖非蟾咂焚|(zhì)的生活,車(chē)是人們外出的首選方案,電瓶車(chē)、私家車(chē)、公共汽車(chē)等都和我們的生活息息相關(guān),因此,車(chē)輛技術(shù)[1]的研究備受關(guān)注,人們主要從環(huán)保、節(jié)能、安全等的方向展開(kāi)研究。在研究車(chē)輛技術(shù)的安全性上,車(chē)輛速度是否能夠精確控制至關(guān)重要。
無(wú)人小車(chē)是實(shí)現(xiàn)交通智能化的前提、是高新技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)和載體,它是完成一項(xiàng)或者多項(xiàng)功能駕駛?cè)蝿?wù)的綜合車(chē)輛技術(shù)的前提條件。無(wú)人小車(chē)是一個(gè)集各種高科技和創(chuàng)新技術(shù)為一體的智能系統(tǒng),包括對(duì)不同環(huán)境的感知技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、智能駕駛等技術(shù),結(jié)合這些高新技術(shù),使它在遇到障礙物時(shí)具有自動(dòng)識(shí)別的功能,通過(guò)自動(dòng)報(bào)警裝置,系統(tǒng)的采取車(chē)速、方向、安全距離等一系列的自動(dòng)控制。它集中運(yùn)用了傳感器、信息、通信、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù),是典型的高新技術(shù)綜合體[2]。無(wú)人小車(chē)的應(yīng)用非常廣泛,它的研發(fā)將受益于各行各業(yè),包括可以代替人在倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)東西,減輕人的負(fù)擔(dān);可以運(yùn)用于無(wú)人駕駛的車(chē)輛、生產(chǎn)線、服務(wù)業(yè),減少人力;應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,推動(dòng)航天事業(yè)的發(fā)展。它的研究對(duì)于智能駕駛、抗險(xiǎn)救災(zāi)、外太空探測(cè)等都有重大意義,因此,為了使無(wú)人小車(chē)在最佳狀態(tài)下工作,進(jìn)一步研究及完善其速度的控制是非常有必要的。
本設(shè)計(jì)運(yùn)用STM32嵌入式微處理器[3]知識(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)人小車(chē)速度控制系統(tǒng),keil uvision4和JDK作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),選擇常見(jiàn)的電機(jī)模型車(chē)為機(jī)械平臺(tái),通過(guò)細(xì)化設(shè)計(jì)要求,結(jié)合傳感器技術(shù)[4]和電機(jī)控制技術(shù)相關(guān)知識(shí)[5],實(shí)現(xiàn)無(wú)人小車(chē)速度控制等一系列的功能,主要體現(xiàn)在無(wú)人小車(chē)的速度測(cè)量和調(diào)速兩個(gè)方面。
本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,主要有電源模塊,核心處理器模塊,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無(wú)人小車(chē)的核心處理器模塊為STM32F103VE,其優(yōu)點(diǎn)在于性?xún)r(jià)比較高、配置比較靈活、低功耗等;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是雙L298N,其支持PWM調(diào)速;電機(jī)為ASLONG JGA25-371,其速度穩(wěn)定,性?xún)r(jià)比高。
1)電源模塊
其功能是提供給驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需12 V的電壓。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)轉(zhuǎn)接器,給核心處理器提供其所需的5 V電壓。
2)核心處理器模塊
負(fù)責(zé)采集各模塊回傳的信息和數(shù)據(jù),并進(jìn)行相應(yīng)的處理,協(xié)調(diào)各模塊完成它們的預(yù)定的任務(wù),起到控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的作用。
3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊雙L298N支持PWM方式調(diào)速[6]。主要功能是驅(qū)動(dòng)電機(jī),使小車(chē)能夠完成基本的運(yùn)轉(zhuǎn)??刂破魍ㄟ^(guò)對(duì)PWM輸出的控制,進(jìn)而通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊芯片的管腳來(lái)達(dá)到對(duì)電機(jī)速度的控制,并且攜帶編碼器和控制器內(nèi)的計(jì)數(shù)器配合使用,完成測(cè)速功能。
這里采用的是直流調(diào)速系統(tǒng) ,直流調(diào)速系統(tǒng)[7]的主要優(yōu)點(diǎn)是啟制動(dòng)性能好和良好的調(diào)速性能,速度穩(wěn)定,維修便宜,經(jīng)濟(jì)適用,能夠?qū)崿F(xiàn)平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速。目前常見(jiàn)的直流調(diào)速系統(tǒng)有電樞回路串電阻調(diào)速系統(tǒng),晶閘管變流器供電調(diào)速系統(tǒng)和脈沖調(diào)速系統(tǒng)。
1)電樞回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)
電樞回路串電阻調(diào)速的原理是通過(guò)交流發(fā)電機(jī)的拖動(dòng),給直流發(fā)電機(jī)供電,通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使輸出電壓發(fā)生改變,進(jìn)而達(dá)到了調(diào)速的目的。但這種調(diào)速發(fā)法所需的外來(lái)設(shè)備較多,調(diào)速范圍較小,體積較大,效率較低,適用于小功率的電動(dòng)機(jī)和調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合。
2)晶閘管變流器供電調(diào)速系統(tǒng)
通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來(lái)改變觸發(fā)脈沖的相位,這樣就改變了整流電壓的大小,實(shí)現(xiàn)了調(diào)速,但是,由于晶閘管它不是雙向?qū)щ?,只是單向?qū)щ?,所以可逆運(yùn)行實(shí)現(xiàn)起來(lái)還是比較復(fù)雜,進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)行條件高,費(fèi)用貴,維護(hù)不方便。
3)脈沖調(diào)速系統(tǒng)
脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation),簡(jiǎn)稱(chēng)PWM。其方法是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓通電時(shí)間與導(dǎo)通時(shí)間的比值(即占空比)來(lái)控制電機(jī)速度。在電源電壓不變的情況下,電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小,改變占空比的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。如果能夠?qū)崿F(xiàn)占空比的連續(xù)調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速。其優(yōu)勢(shì)有電路損耗小,效率比較高;頻率高,因此獲得很寬的頻帶,響應(yīng)速度快,且抗干擾能力強(qiáng);系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)較平穩(wěn),調(diào)速范圍較寬,在等電流下,損耗及發(fā)熱較小。
電機(jī)速度的檢測(cè)是整個(gè)無(wú)人小車(chē)控制必不可少的一部分,而速度控制的精度是速度檢測(cè)的核心部分。目前,具有較高精度控制的系統(tǒng)是基于反饋信號(hào)的閉環(huán)控制系統(tǒng)[8],即就是增加測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳感器。常見(jiàn)的測(cè)速方案有霍爾傳感器[9]和光電式編碼器。
1)霍爾傳感器
霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)和它內(nèi)部的集成電路進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的一種靈敏度高的傳感器,它的基本結(jié)構(gòu)是在帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸上有一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán),轉(zhuǎn)盤(pán)上裝有若干個(gè)磁鋼,磁鋼均勻分布,在距離轉(zhuǎn)盤(pán)1~2 mm處裝有一個(gè)固定的霍爾傳感器,當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),小磁鋼通過(guò)霍爾傳感器時(shí)輸出相應(yīng)的脈沖,小磁鋼愈多輸出的脈沖也越多,即小磁鋼越多越精確。通過(guò)采納固定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的減速比轉(zhuǎn)換后計(jì)算出轉(zhuǎn)速。
2)光電式編碼器
它裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,電機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),發(fā)光元件光發(fā)出的光通過(guò)光柵被光敏元件接收后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化以脈沖信號(hào)形式輸出。在轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下,碼盤(pán)的位置不的斷變化,相繼輸出一系列的脈沖信號(hào),根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)輸出來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行加/減計(jì)數(shù),通過(guò)采樣固定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù),經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后獲得轉(zhuǎn)速。此方法靈敏度較高,但容易受外界光源影響。
采用PWM方式調(diào)速,PWM是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě),即脈沖寬度調(diào)制,其方法是通過(guò)調(diào)節(jié)高電平時(shí)間和整個(gè)周期時(shí)間的比值(即占空比)來(lái)控制電機(jī)速度。也就是說(shuō)要按固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源,并且根據(jù)實(shí)際需要改變固定周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)電機(jī)通電時(shí),速度增加;電機(jī)斷電時(shí),速度逐漸減少。因此,掌握通、斷電時(shí)間的變化規(guī)律,改變通、斷時(shí)間即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)一直接通電源時(shí),設(shè)占空比為D=t1/T,Vd為電機(jī)的平均速度,Vmax是電機(jī)全通時(shí)的電壓,Vd=Vmax·D,式中,Vd為電機(jī)的平均速度,Vmax為電機(jī)兩端的最大電壓,D為占空比。平均速度Vd與占空比D的函數(shù)曲線如圖2所示。
圖2 平均速度和占空比的關(guān)系
由圖2可以看出,在T不變的情況下改變t1就能得到不同的電壓,準(zhǔn)確的來(lái)說(shuō),Vd與占空比D并不是完全線性關(guān)系(圖中實(shí)線),理想情況下,可以將其近似地看成線性關(guān)系(圖中虛線)。在電源電壓始終不變的情況下,電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小,通過(guò)改變占空比的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。占空比越大,電機(jī)轉(zhuǎn)得越快,當(dāng)占空比為1時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。如果能夠?qū)崿F(xiàn)占空比的連續(xù)調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速。
具體方法為:在小車(chē)行駛期間,電源經(jīng)過(guò)PWM輸出控制后會(huì)給小車(chē)提供一個(gè)平均電壓。當(dāng)電源輸出的電壓為最大值Vmax時(shí),平均電壓Vd=Vmax*D=Vmax*(t1/T)。其中t1為高電平持續(xù)的時(shí)間,T為PWM的周期。在T不變的前提下,通過(guò)調(diào)高電平時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)與一個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)的比值來(lái)調(diào)占空比,從而達(dá)到控制無(wú)人小車(chē)轉(zhuǎn)度的目的。
調(diào)速采用的是PWM1模式的向上計(jì)數(shù)方式,即TIMx_CNT<TIMx_CCR1時(shí)通道為有效電平,否則為無(wú)效電平;并通過(guò)改變CCRX的值來(lái)改變占空比來(lái)調(diào)壓,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人小車(chē)的調(diào)速。例如:設(shè)定CCRX的值為x,PWM1向上計(jì)數(shù)模式時(shí)低電平為有效,則當(dāng) TIMx_CNT<TIMx_CCR1時(shí),輸出的是低電平,因此在一個(gè)周期中,低電平占了x%,而高電平占了(100-x)%,而占空比是一個(gè)周期中高電平所占時(shí)間比率為占空比,故此時(shí)占空比為D為(100-x)%。
通過(guò)PWM方式調(diào)速,高電平時(shí)間和整個(gè)周期時(shí)間的比值即占空比對(duì)速度的影響如表1所示。
表1 占空比對(duì)速度的影響
由表1中數(shù)據(jù)可以得出占空比的值和手工測(cè)量速度的值的關(guān)系,在電源電壓始終不變的情況下,占空比的值越大,速度越大,如果能夠?qū)崿F(xiàn)占空比的連續(xù)調(diào)節(jié),則可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速。
由于增量式編碼器的測(cè)速精確,因此,這里采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)速,它裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,電機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)編碼器隨之轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速情況是以脈沖信號(hào)形式輸出的。碼盤(pán)的位置隨轉(zhuǎn)軸在不斷發(fā)生變化,輸出一系列的脈沖信號(hào),根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行加/減計(jì)數(shù),通過(guò)采樣固定時(shí)間的脈沖數(shù),經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后獲得轉(zhuǎn)速。圖3為光電式編碼器的示意圖,一個(gè)帶光柵的碼盤(pán),由發(fā)光元件作為光源來(lái)發(fā)射光,隨著碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng),不斷地有光通過(guò)光柵,光通過(guò)光柵時(shí),光敏元件接收到光,即接收到高電平,輸出脈沖信號(hào),光敏元件沒(méi)有接收到光時(shí),沒(méi)有光通過(guò)光柵,接收到低電平,即沒(méi)有脈沖輸出。如果一個(gè)碼盤(pán)的光柵數(shù)越多,則它的精度越高。電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈,碼盤(pán)上有多少個(gè)光柵,接受管就會(huì)接收多少個(gè)高電平,進(jìn)而輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)。這里采用的是ASLONG JGA25-371電機(jī),它攜帶的是334線碼盤(pán),即334個(gè)光柵,具有較高的測(cè)速精度,其電機(jī)轉(zhuǎn)一圈輸出334個(gè)脈沖,芯片上已集成了脈沖整形觸發(fā)的電路,輸出的是矩形方波,將脈沖輸出線接在單片機(jī)上,通過(guò)單片機(jī)處理后獲得電機(jī)的速度。
圖3 編碼器
增量式旋轉(zhuǎn)編碼器利用它的內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光敏接受管通過(guò)轉(zhuǎn)化角度碼盤(pán)的時(shí)序和及它的相位關(guān)系,得到角度碼盤(pán)角度位移量增加即正轉(zhuǎn)或減少即負(fù)轉(zhuǎn)。如圖4為編碼器的原理圖。
圖4 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器原理
A,B兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)光敏接受管,它們之間的距離是S2,碼盤(pán)上的光柵間距分別為S0和S1。S0和S1距離的和是S2的四倍。這樣保證了A,B波形相位相差90度。旋轉(zhuǎn)的反向不同,鋸齒波A,B先到達(dá)高電平的順序就會(huì)不同,如圖4左側(cè)所示,利用順序的不同,就可以得到旋轉(zhuǎn)的方向。
測(cè)速方法是M法測(cè)速,如圖5,M法測(cè)速即在固定周期的時(shí)間Tc內(nèi),碼盤(pán)隨位置不斷地的變化輸出一系列的脈沖信號(hào),計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值為M1,電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈輸出Z1個(gè)脈沖,電機(jī)的轉(zhuǎn)速習(xí)慣上用r/min為單位,而時(shí)間T是以秒為單位,則設(shè)轉(zhuǎn)速為n
上式中Z1為碼盤(pán)的線數(shù)是固定值,Tc是自己設(shè)定的合理測(cè)量周期也是固定值,因此可以得出轉(zhuǎn)速n與脈沖數(shù)M1成正比,轉(zhuǎn)速越小誤差越大,轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí),計(jì)數(shù)值M1的值可能會(huì)小于1,此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能正常運(yùn)轉(zhuǎn),所以M法適合高速段[10]。
由于 ASLONG JGA25-371電機(jī)在這里選用的是21.3:1的減速比,即是電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)21.3圈,電機(jī)輸出一圈,即輸出一圈光柵數(shù)為21.3*334,空載時(shí)轉(zhuǎn)速為201 r/min,在固定時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)值為i,即編碼器輸出的值為i,由于是脈沖上升沿和下降沿都會(huì)計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器就會(huì)在一個(gè)脈沖周期內(nèi)計(jì)4次計(jì)數(shù)原理如圖6所示,則t時(shí)間內(nèi)光柵總數(shù)為x=i/4,轉(zhuǎn)速 n=60x/(21.3*334*t)。
圖5 M法測(cè)速
圖6 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)原理
為了方便測(cè)量和運(yùn)算,這里采用電機(jī)上的車(chē)輪每秒轉(zhuǎn)一圈為轉(zhuǎn)速,實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速可以經(jīng)過(guò)相應(yīng)轉(zhuǎn)化后得出,經(jīng)過(guò)測(cè)量,車(chē)輪周長(zhǎng)為20 cm,編碼器測(cè)速經(jīng)過(guò)軟件測(cè)量和手測(cè)量值如表2。
表2 誤差分析
從2表中數(shù)據(jù)得出誤差范圍較大,導(dǎo)致誤差較大的原因包括模型車(chē)各部分硬件的重量,如電池、螺絲等,電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)的輪子不夠靈活,光電式編碼器受外見(jiàn)光的影響以及手工測(cè)量受路面摩擦力等的影響等。還有一個(gè)重要的原因是這里采用的是M法測(cè)速,M法測(cè)速適合高速測(cè)速,當(dāng)轉(zhuǎn)速越小的時(shí)候誤差越大,甚至小到計(jì)數(shù)值小于1,不能正常行駛。后期應(yīng)做出的調(diào)整主要是從測(cè)速方法上,選擇M/T法,這種測(cè)速方法,即適應(yīng)高速又適應(yīng)低速,避免M法在低速時(shí)誤差大。
本系統(tǒng)基于STM32系列單片機(jī),選擇常見(jiàn)的電機(jī)模型車(chē)作為機(jī)械平臺(tái),通過(guò)細(xì)化要求,結(jié)合傳感器和電機(jī)知識(shí)對(duì)無(wú)人小車(chē)進(jìn)行速度控制,實(shí)現(xiàn)了基本的小車(chē)速度的調(diào)控和速度的檢測(cè),但是要達(dá)到智能控制還有很多地方需要調(diào)整和完善,主要從調(diào)速穩(wěn)定性、避障、循跡等方面著手完善。對(duì)于這幾點(diǎn)的研究有待后期做進(jìn)一步探討。
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Design and realization of speed control system based on single chip microcomputer
MA Jing,ZHANG Yu
(School of Computer Science and Engineering,Xi'an Technological University,Xi'an 710021,China)
A speed control technology based on STM32 embedded microprocessor is presented was proposed.Unmanned vehicle is a four wheeled structure as a mechanical platform,it choose common motordrive module.A programwrote according to the related software and hardware configuration,realizes the basic operation of unmanned vehicle and control of speed and speed measuring function.The program achieve intelligent control and complete design goal.
unmanned vehicle; STM32; intelligent control; control of speed; speed measuring
TP242.6
A
1674-6236(2017)16-0138-05
2016-07-17稿件編號(hào):201607126
西安工業(yè)大學(xué)跨學(xué)科研究基金無(wú)人車(chē)自動(dòng)避障與路徑規(guī)劃技術(shù)研究(CXY 1340-6);國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201410702037);陜西省"面向工程應(yīng)用的計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)"支持項(xiàng)目
馬 靜(1980—),女,陜西西安人,碩士,講師。研究方向:嵌入式系統(tǒng)。