【正文】 基于 PID 算法多電機協(xié)同運動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計 摘要 本文所述為一種基于瑞薩 H8 單片機的智能尋跡模型車的設(shè)計與實現(xiàn)，其核心控制單元為瑞薩公司 H8 系列 8 位單片機 H8/3048FONE，系統(tǒng)采用紅外傳感器檢測賽道白線。通過對智能車運動模型的建立與分析， 利用光電傳感器陣列采集離散的路徑信息， 控制處理器采用數(shù)字 PID 控制策略和 PWM 控制技術(shù)對模型車的速度和方向進行控制 。 對舵機和驅(qū)動電機分別采用了 PID 控制算法和間接 的 PID 控制算法，從而避免了智能車轉(zhuǎn)向及車速調(diào)節(jié)的階躍式變化，消除了超調(diào)及振蕩現(xiàn)象，達到了近似連續(xù)的控制效果。研究表明，此設(shè)計方案可在黑白(或色差較大 )賽道上獲得良好的自主尋跡效果。 該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于無人駕駛機動車 、 無人工 廠、 倉庫、服務(wù)機器人等領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞 智能車 ； 尋跡 ； 光電傳感器 ； 路徑識別 ； PID 控制 ABSTRACT In this paper, referred to as a singlechip based on the Renesas H8 model smart car tracing the design and realization of its core control module for Renesas H8 series of 8bit singlechip H8/3048FONE, system uses infrared white line detection sensor circuit. Intelligent vehicle movement through the model and analysis, the use of photoelectric sensor array discrete collection of path information, control processor with digital PID control strategy and PWM control techniques to model the rate and direction of vehicle control. On the steering gear and the drive motor, respectively, a PID control algorithm and indirect PID control algorithm so as to avoid the smart car and speed towards the steptype changes in regulation to eliminate the overshoot and oscillation, reaching results similar to continuous control. Studies have shown that this design can be black and white (or color difference greater) on a good track tracing the effect of autonomy. The technology can be widely used in unmanned aerial vehicles, unmanned factories, warehouses, service robots and other fields. KEY WORDS smart cars。 tracing。 photoelectric sensor。 path identification。 PID control 目錄 1. 前言 ???????????????????????????? 4 2. 系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計安裝 ????????????????????? 5 總體構(gòu)成 ? ??????????????????????? 5 主控制模塊 ? ???????????????????? 6 電源管理模塊 ? ??????????????????? 6 路徑識別模塊 ? ??????????????????? 6 轉(zhuǎn)向舵機模塊 ? ??????????????????? 7 電機驅(qū)動模塊 ? ??????????????????? 8 車速檢測模塊 ? ??????????????????? 9 3. 控制策略設(shè)計 ???????????????????????? 9 方向控制方案的設(shè)計 ??????????????????? 10 方向計算算法 ? ??????????????????? 10 方向控制算法 ??????? ????????????? 10 速度控制方案的設(shè)計 ??????????????????? 12 賽道分析 ? ????????????????????? 12 行駛策略 ?????????????????????? 12 速度給定算法 ???????????????????? 13 速度閉環(huán) ?????????????????????? 14 4. 軟件算法設(shè)計 ? ?????????????????????? 14 智能車的數(shù)學(xué)模型及其控制算法的實現(xiàn)目標(biāo) ????????? 14 關(guān)于 PID ? ????????????????????? 14 參數(shù)的選擇 ????????????????????? 14 名詞解釋 ?????????????????????? 14 參數(shù)的 作用 ????????????????????? 15 具體應(yīng)用中的數(shù)值量化處理 ???????????????? 16 參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整 ???????????????????? 17 流程圖 ????????????????????????? 18 具體代碼 ???????????????????????? 18 主程序 ? ?????????????????????? 19 PWM ???????????????????????? 23 PID ?????? ?????????????????? 24 PID 控制器的參數(shù)調(diào)整 ??????????????????? 27 5. 結(jié)論 ????????????????????????????? 28 致謝 ?? ????????????????????????????? 28 參考文獻 ????????????????????????????? 29 言 眾所周知， 近年來 ， 機器人的發(fā)展遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域，機器人的智能水平不斷提高。 隨著控制技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展 , 智能車系統(tǒng)將在未來工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中扮演重要的角色。 安全、節(jié)能、環(huán)保以及智能化和信息化是未來汽車的發(fā)展趨勢。與這些要求相適應(yīng)，汽車電子化的趨勢也越來越明顯。智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是現(xiàn)今汽車領(lǐng)域研究的重點方向之一。 汽車智能化在提高汽車的行駛安全性，操縱性等方面有巨大的優(yōu)勢，汽車智能化是未來汽車發(fā)展的一大趨勢。 本文所述為一種基于瑞薩 H8/3048FONE 單片機的智能尋跡模型車的設(shè)計與實現(xiàn)，其核心控制單元為瑞薩公司 H8 系列 8 位單片機 H8/3048FONE，系統(tǒng)采用紅外傳感器檢測 黑底 賽道 上的 白線。通過對智能車運動模型的建立與分析，利用光電傳感器陣列采集離散的路徑信息， 控制處理器采用數(shù)字 PID 控制策略和 PWM 控制技術(shù)對模型車的速度和方向進行控制 。 對舵機和驅(qū)動電機分別采用了 PID 控制算法和 間接 的 PID 控制算法，從而避免了智能車轉(zhuǎn)向及車速調(diào)節(jié)的階躍式變化，消除了超調(diào)及振蕩現(xiàn)象，達到了近似連續(xù)的控制效果。研究表明，此設(shè)計方案可在黑白 (或色差較大 )賽道 （圖 ） 上獲得良好的自主尋跡效果。 本文所述的智能車控制系統(tǒng)可 以分為兩個大的子控制系統(tǒng)，它們分別是方向控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)。方向控制系統(tǒng)能使智能車沿著導(dǎo)引白線行駛而不偏移，速度控制能使智能車在直道上加速行駛而在入彎時剎車減速以盡量提高行駛速度和避免因入彎速度過快而造成的沖出跑道。為保證智能車在行駛的過程中具有良好的操縱穩(wěn)定性和平順性，本文對智能車運動系統(tǒng)進行了建模與分析，針對賽道特點對智能車的方向控制和速度控制提出了較為理想的解決方案。 智能車系統(tǒng)根據(jù)檢測到的路況和車速的當(dāng)前信息 ,控制轉(zhuǎn)向舵機和直流驅(qū)動電機 ,相應(yīng)地調(diào)整小車的行駛方向和速度 。最終的目的是使智能車能快速、穩(wěn)定地按給定的 白色 引導(dǎo)線行駛。 該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于無人駕駛機動車 、 無人工 廠、 倉庫、服務(wù)機器人等領(lǐng)域。 圖 賽道 圖 賽道由曲線彎道、上坡和直角彎道構(gòu)成 總體構(gòu)成 智能尋跡模型車的硬件部分以日本瑞薩公司 8 位單片機 H8/3048FONE 為核心控制器，主要包括主控制、電源管理、路徑識別、轉(zhuǎn)向舵機、電機驅(qū)動、車速檢測六大模塊組成。智能車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 所示；智能車安裝包括電池部分的安裝，舵機的安裝，傳感器的安裝以及車速檢測模塊的安裝。 圖 尋跡智能車硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 主控制模塊 智能車的控制核心為日本瑞薩公司的 8 位單片機 H8/3048FONE。其主要特點是片內(nèi)硬件資源非常豐富、高速、低耗、大容量、易于拓展、支持 C 語言編程， H8/3048 系列特別適合電池供電設(shè)備的使用。同時可以利用 PWM 模塊產(chǎn)生PWM 調(diào)制信號來控制電機和舵機，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器獲取位置傳感器的信息和車速傳感器的信息。 電源管理模塊 電源是一個系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，因此電源的設(shè)計至關(guān)重要。智能車中接受供電的部分包括：路徑識別模塊、轉(zhuǎn)向舵機模塊、電機驅(qū)動模塊、車速檢測模塊。尋跡智能車使用 8 節(jié) Energizer 2500mAh AA充電電池作為系統(tǒng)主電源。由于系統(tǒng)各模塊所需電壓和電流容量不同，因此需要通過不同的 DCDC 轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。為防止電機和舵機等大功率器件在反復(fù)啟動狀態(tài)下對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，主要功能模塊均采用單獨供電。智能車使用 LM2940 作為 5V 電壓的穩(wěn)壓芯片，同時使用 LM350 作為 6V 電壓的穩(wěn)壓芯片給舵機供電。另一方面，為提高電機驅(qū)動功率，采用 DCDC 變換器 MC34063 將電源電壓升壓至 24V 用于電機驅(qū)動電路MOSFET 管驅(qū)動。 路徑識別模塊 １．MCU基板 ２．傳感器基板 ３．馬達驅(qū)動基板 ４．馬達 ５．伺服系統(tǒng) 圖 賽道由白、黑、灰三色組成，寬度為 30cm 智能車路徑識別模塊的設(shè)計是整個智能車設(shè)計中的重要的一部分 ,其作用相當(dāng)于人的眼睛和耳朵?？紤]到要使車輛的行駛過程穩(wěn)定，尋跡智能車采用 8 對反射式紅外傳感器作為路徑識別元件。每對傳感器由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成，水平均勻分布在智能車前部的傳感器板上 ,傳感器間距約為 20mm，如圖 所示。 智能車在黑底白線（圖 ）上行走， 通常采用的