基于單片機的智能車速度控制系統(tǒng)

陶佳

摘要：本文重點介紹了基于光電自動尋線智能車的速度控制系統(tǒng)的設計，包含直流電機的驅(qū)動模塊、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芯片來驅(qū)動電機運行，用反射式紅外對管檢測電機速度，實現(xiàn)對電機的閉環(huán)控制，通過大量的試驗，最終速度控制策略采用了增量式PID控制和BangBang控制相結(jié)合的方法，并創(chuàng)新性地使用兩個中斷相結(jié)合的方法使得速度控制周期為等時的，從而對智能車過彎速度達到良好的控制。

關鍵詞：速度控制；增量式PID控制；BangBang控制；控制周期

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.010

引言

在智能車制作中，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(tǒng)，使得模型汽車能夠自動準確地按照規(guī)定的橢圓路線行駛，速度控制是智能車控制系統(tǒng)最核心的部分之一，本文就如何設計智能車速度控制系統(tǒng)做了詳細介紹。

智能車速度控制系統(tǒng)包含電機驅(qū)動模塊，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(qū)動模塊

系統(tǒng)所用電機是RS-380型號的直流電動機，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)來驅(qū)動電機，其中MC33886為H橋式電源開關IC，該IC結(jié)合內(nèi)部控制邏輯、電荷泵、柵極驅(qū)動器、MOSFET輸出電路，可工作在5-40V電壓范圍內(nèi)。通過PWM信號調(diào)節(jié)輸出，進而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，PWM的控制頻率為1KHz，PWM23可用于正轉(zhuǎn)控制，PWM45可用于反轉(zhuǎn)控制，OUT1和OUT2接于直流電機上，用來實現(xiàn)在直道時快速加速，彎道實現(xiàn)反轉(zhuǎn)剎車來快速減速。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，如圖3（a）所示。將編碼盤黏貼于圓盤上，當圓盤隨著齒輪轉(zhuǎn)動時，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I/O口將高低脈沖電平傳給單片機的輸入捕捉中斷中進行計算。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，配合單片機的輸入捕捉功能可以實現(xiàn)高精度的速度采集。

2.2 速度的計算

方案中的數(shù)字測速的計算方法是采用T法。T法是指在兩個相鄰的輸入脈沖的間隔時間T內(nèi)，用一個計數(shù)器對高頻基準信號的脈沖數(shù)進行計數(shù)，由計數(shù)值來計算轉(zhuǎn)速，原理圖如圖4所示。

計算公式推導：設計碼盤格數(shù)為40，旋轉(zhuǎn)一周能產(chǎn)生20個脈沖。高頻基準信號是通過對系統(tǒng)時鐘1 28分頻獲得，實際頻率f0=24M/128=187.5KHz。在T法測速中，測速時間T是用計數(shù)器所得的基準信號脈沖個數(shù)M2來計算的，即T= M2/f0，對應后輪轉(zhuǎn)速為：n=2/ZT=2fO/ZM2，經(jīng)測量小車的后輪周長為17cm，所以小車速度的計算公式如式（1）所示：

3 速度控制策略

3.1 增量式PID控制，2l

本方案采用增量式PID來使智能車能夠勻速穩(wěn)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：

3.2 BangBang控制

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

3.3 增量式PID控制配合BangBang控制

為了實現(xiàn)，在賽道曲率變化不大時且智能車高速勻速穩(wěn)定行駛，采用增量式PID控制。在從直道行駛?cè)霃澋罆r，智能車能夠很快地反轉(zhuǎn)剎車，降低速度，從而良好通過彎道：在彎道進入直道時，智能車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，采用增量式PID控制，當給定速度與反饋速度相差較大時， 采用Bang_Bang控制，計算公式如式4所示：

4 速度控制周期

采用的控制周期方案是：

測速程序是通過單片機的輸入捕捉中斷來完成的，即車輪每轉(zhuǎn)一周（0.17m），將產(chǎn)生20次中斷，在這20次中斷過程中，能運行20次的速度檢測，如果按照平均車速1 .8m/s計算的話，那么每一次輸入捕捉中斷的時間為：0.17/（18×20）=4.7ms，也就是每隔4.7ms得到一個反饋速度。

速度控制程序是指單片機每隔一定時間（如lOms）根據(jù)給定的速度和反饋速度進行速度的閉環(huán)控制。反饋速度是通過上面的輸入捕捉中斷方式讀取，給定速度通過查詢方式獲得。速度控制程序在定時中斷程序中執(zhí)行，而定時中斷是通過模數(shù)遞減計數(shù)器來實現(xiàn)的。

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

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

5 仿真結(jié)果

圖6為己制作完成的智能車實物照片，我們在自制的跑道上進行了實際測試，得出以下試驗結(jié)果：獲取了一組比較好的PID參數(shù)，Kp=50，K1=3，KD=4，在該參數(shù)下，智能車能夠得到較快、較好且平穩(wěn)的速度。當速度誤差e。（給定速度減去反饋速度的差值）大于70cm/s時，電機驅(qū)動輸出U_n為90%的占空比；當速度誤差e。（給定速度減去反饋速度的差值）小于-70cm/s時，電機驅(qū)動輸出U_n為10%的占空比。在PID和BangBang控制下速度變化范圍較大，實現(xiàn)了快速加速，快速剎車。

6 結(jié)論

經(jīng)過大量的實驗調(diào)試，智能車在基于兩片MC33886并聯(lián)組成的驅(qū)動上，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制。通過使用反射式紅外管能夠比較穩(wěn)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中斷兩個相結(jié)合能夠很好地實現(xiàn)控制周期等時。使用的PID和BangBang的結(jié)合的控制策略，通過不斷調(diào)試，選擇合理的參數(shù)，實現(xiàn)了智能車根據(jù)路徑識別來閉環(huán)調(diào)節(jié)速度，在賽道曲率變化不大時的勻速行駛，在賽道曲率突變時的速度急增急減的效果，并且智能夠使智能車長時間的良好運行，印證了該方法的可靠和有效。

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