一種基于PID算法的智能小車設(shè)計

鄧良益 易佳 王浩 顏雁軍 單飛橋

摘? 要：文章基于PID算法設(shè)計了一種智能小車，該小車包括控制模塊、探測模塊、驅(qū)動模塊、人機(jī)交互模塊。以STM32F103芯片為控制模塊核心，采用雙路全H橋驅(qū)動芯片TB6612驅(qū)動直流電機(jī)，探測模塊包括一個超聲波測障模塊、四個紅外循跡對管和光電編碼器、人機(jī)交互模塊包括一個手機(jī)藍(lán)牙APP和LCD彩色液晶顯示屏。采用增量式PID算法實現(xiàn)了小車軌跡的精確控制。小車設(shè)計的功能有：直行、左右轉(zhuǎn)彎、超聲波避障及測距、紅外循跡、APP藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制及測速。

關(guān)鍵詞：增量式PID;STM32;超聲波測障;藍(lán)牙透傳;紅外尋跡

中圖分類號：TP23? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0093-02

Abstract： This paper designs an intelligent car based on PID algorithm， which includes control module， detection module， driving module and human-computer interaction module. With STM32F103 chip as the core of the control module， the DC motor is driven by a dual H-bridge driver chip TB6612. The detection module includes an ultrasonic obstacle detection module， four infrared tracer pairs and photoelectric encoder， and a human-computer interaction module including a Bluetooth APP and LCD color LCD display. The incremental PID algorithm is used to realize the precise control of car trajectory. The functions of car design include： straight line， left and right turn， ultrasonic obstacle avoidance and ranging， infrared tracing， APP Bluetooth remote control and speed measurement.

Keywords： incremental PID; STM32; ultrasonic barrier detection; Bluetooth transmission; infrared tracing

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的主控制器采用STM32系列單片機(jī)STM32F103VET6。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）電機(jī)及驅(qū)動模塊

電機(jī)使用2個有刷直流電機(jī)，高的轉(zhuǎn)速控制靈活簡便。電機(jī)的驅(qū)動由1個TB6612FNG雙H橋大電流驅(qū)動芯片實現(xiàn)，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時驅(qū)動2個電機(jī)。TB6612FNG每通道輸出最高1.2A的連續(xù)驅(qū)動電流，啟動峰值電流達(dá)2A/3.2A（連續(xù)脈沖/單脈沖）;4種電機(jī)控制模式：正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動/停止;PWM支持頻率高達(dá)100kHz。

（2）測速模塊

本系統(tǒng)采用在電機(jī)上安裝測速碼盤，利用光電開關(guān)實現(xiàn)脈沖輸出，通過程序?qū)崿F(xiàn)測速，其優(yōu)點(diǎn)是獲取信息準(zhǔn)確，體積小，不增加車輪的負(fù)擔(dān)。

（3）超聲波測障模塊

本系統(tǒng)使用超聲波模塊HC-SR04來實現(xiàn)障礙物的有無檢測和距離檢測。HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3mm;模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

機(jī)器內(nèi)部超聲波只需要提供一個10uS以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。

（4）紅外循跡模塊

本系統(tǒng)采用四個紅外光電對管實現(xiàn)循跡功能，每個紅外對管的發(fā)射管不斷的發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或者被反射回來但是強(qiáng)度不夠大時，紅外接收一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊的TTL輸出為高電平，相應(yīng)的指示二極管一直處于熄滅狀態(tài);當(dāng)黑線出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被吸收且強(qiáng)度足夠大，紅外接受管關(guān)斷，此時模塊的TTL輸出為高電平，指示二極管熄滅。

（5）藍(lán)牙無線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)采用HC-05主從一體藍(lán)牙模塊，通過該藍(lán)牙模塊控制實現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)彎、倒車右轉(zhuǎn)、倒車左轉(zhuǎn)、測速、避障等功能?？刂品椒樵谛≤囆凶哌^程中通過Android手機(jī)利用APP界面的“按鈕”控制改變小車運(yùn)動狀態(tài)。

2 智能小車軟件設(shè)計

2.1 增量式PID的算法實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)方式來完成小車的運(yùn)動狀態(tài)調(diào)節(jié)。該方法的調(diào)節(jié)效率高，絕對誤差小。

傳統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)如圖2所示：

在算法層面本系統(tǒng)使用單級增量式PID，輸入為目標(biāo)角度，輸出為PWM的增減量。其計算公式（1）如下：

其中Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)。ek為第k次采樣的實時輸出與設(shè)定值的誤差。

其算法流程如下：

在整定PID參數(shù)時先進(jìn)行比例系數(shù)的整定，然后進(jìn)行積分系數(shù)的整定以消除穩(wěn)態(tài)誤差，最后進(jìn)行微分系數(shù)的整定以減小角度的超調(diào)量。

智能小車機(jī)器人通過串口通信發(fā)送速度值，上位機(jī)用 Visual Basic 6.0編制的PID曲線繪制軟件通過串口接收速度值，在校驗通過后，實時的繪制出PID速度曲線，進(jìn)行在線整定數(shù)字PID的三個參數(shù)Kp、Ki和Kd。

3 測試結(jié)果

3.1 直行及變向測試結(jié)果

實驗結(jié)果：小車反應(yīng)很迅速，不會出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象。前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、加速減速均已實現(xiàn)。其中左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)是通過改變左右輪的速度來實現(xiàn)的。加速減速是改變輸出給電機(jī)驅(qū)動TB6612的PWM的占空比實現(xiàn)。

3.2 避障及循跡測試結(jié)果

尋跡的原理是通過紅外對管來實現(xiàn)檢測黑線的位置，通過程序判斷黑線的位置來了解小車本身所處的位置，從而決定小車下一步的行進(jìn)路線。經(jīng)過試驗測試效果非常好完全可以按照黑線所指示的路線行進(jìn)，而且程序穩(wěn)定性十分好。

3.3 藍(lán)牙控制及數(shù)據(jù)回傳實驗現(xiàn)象

在stm32最小系統(tǒng)板上，藍(lán)牙模塊連接的是USART2的RX和TX，通過在程序的USART2的接收終端所接收的字符來判斷小車下一步該執(zhí)行什么程序。并且小車將當(dāng)前所處的狀態(tài)（左右輪的轉(zhuǎn)速以及超聲波探頭所測的距離值）返回手機(jī)。

4 結(jié)束語

本文闡述了智能小車的總體設(shè)計思路和系統(tǒng)框圖，主要研究了智能小車機(jī)器人的軟硬件設(shè)計， 并給出了系統(tǒng)架構(gòu)和軟件流程。采用數(shù)字增量PID控制算法對直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在上位機(jī)編制 PID 曲線繪制軟件方便整定 PID 參數(shù)。經(jīng)過模塊測試和整機(jī)測試，該系統(tǒng)控制精度高，運(yùn)行可靠，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可被廣泛用于教學(xué)、智能玩具和搬運(yùn)等場合，有很好的實用價值。

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