【正文】 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 TIM_SetCompare2(TIM2,pwm2)。 GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3)。該寄存器的各位描述如圖 所示： 反饋補(bǔ)償 伺服電動機(jī) 微分先行 速度設(shè)定 不完全微分 模糊 PID 路線偏差 速度 v(t) + + + r(t) 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 圖 TIMx_CCMR1 寄存器各位描述 需要說明的是模式設(shè)置位 OCxM，此部分由 3 位組成 ，它總共可以配置成 7 種模式，我們使用的是 PWM 模式，所以這 3 位必須設(shè)置為 110/111。 STM32 的 PWM 輸出功能需要用到定時(shí)器， STM32 的定時(shí)器除了 TIM6 和 TIM7 其他的定時(shí)器都可以用來產(chǎn)生 PWM 輸出。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 圖 智能車速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 各模塊軟件設(shè)計(jì) 電機(jī)控制及調(diào)速 軟件控制電機(jī)的核心主要由兩部分組成：方向控制和速度控制。當(dāng)智能車經(jīng)過連續(xù)的彎道時(shí)，路線偏差的頻繁變化會導(dǎo)致速度的頻繁變化，這會引起速度控制系統(tǒng)的振蕩，并且微分環(huán)節(jié)對于誤差突變干擾很敏感，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定 [9]。 e (t) u(t) + + r(t) 比例 積分 微分 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 對象 + 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 PID 控制在智能玩具車上的實(shí)現(xiàn) 舵機(jī) PID 控制 舵機(jī)的 PID 控制是使用比較廣泛的方法。 微分調(diào)節(jié)作用反應(yīng)系統(tǒng)信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有產(chǎn)生之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除 [7]。 積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高誤差度。當(dāng)被控制對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其他技術(shù)難以應(yīng)用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)必訓(xùn)靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來決定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最方便 [7]。 圖 S 型彎或 U 型彎檢測流程圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 復(fù)雜賽道的分段循跡方法 任何復(fù)雜的循跡都可以拆分成簡單的循跡來實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的循跡最重要的是找到交叉點(diǎn)，然后根據(jù)預(yù)先各種簡單路徑的判斷方法，先進(jìn)行小范圍轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向的多少 可以用前面的 傳感器 （即 SS3） 做轉(zhuǎn)過黑線數(shù)目的計(jì)數(shù) ，將一段復(fù)雜賽道拆分若干個(gè)塊 。如圖 所示， 判斷最邊上的傳感器（ SS1 或 SS5） 是否檢測到黑線，轉(zhuǎn)彎一段路程進(jìn)入到彎道中部，此時(shí)再判斷各個(gè)傳感器狀態(tài)。此時(shí)，讓小車以低速度、大半徑轉(zhuǎn)彎一段路程，此段路程的長度與小車的機(jī)械性能有關(guān)，需要經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測定。 可以得出垂直交叉路口的算法程序流程圖，如圖 所示。 具體的程序算 法可以用上一次的檢測數(shù)據(jù)來完成，定義： SS1_Last=SS1。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 直道及簡單彎道程序流程圖 垂直交叉路口的循跡方法 若小車行駛的賽道出現(xiàn)垂直的交叉路口，出現(xiàn)兩種情況， T 型路口和十 字路口，如圖 所示。智能小車判斷當(dāng)前路徑為 直道及簡單的彎道 前提是， SS3始終能檢測到黑線，并且 SS1 和 SS5 始終不能檢測到黑線。 因此，提出了一種改進(jìn)型方案，如圖 所示 ， 把 最 中間的傳感器 SS3 提到前面來。 圖 一字型排列示意圖 這種布局的優(yōu)點(diǎn)是簡單且安裝方便。 float speed。 根據(jù)需要延時(shí) ()。 圖 主程序流程圖 以下是主程序的基本框架： int main(void) { 軟硬件初始化 ()。 圖 無線模塊與單片機(jī)接口應(yīng)用電路 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 4 軟件設(shè)計(jì) 軟件部分為整個(gè)智能玩具車運(yùn)行的核心， 完成了 硬件和機(jī)械部分，軟件算法的完善程度決定了小車運(yùn)行的最終效果。 圖 NRF24L01 模塊實(shí)物圖 常用的無線通信模塊為 NRF24L01， 圖 為該模塊的實(shí)物圖。顯示器的數(shù)據(jù)為串行輸入，節(jié)省單片機(jī) I/O 口資源。 圖 循跡模塊實(shí)物圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 輔助及調(diào)試電路設(shè)計(jì) 在智能玩具車基本硬件模塊組裝完成之后還需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試過程中需要一些輔助的調(diào)試設(shè)備。 本文設(shè)計(jì)了 一款 專門 用作黑 、 白線檢測的傳感器，特別適合復(fù)雜黑白線、交叉黑白線的檢測，它 使用 5 路巡線、 1 路避 障共 6 路 的 高靈敏度的紅外傳感器 ，能夠?qū)诎拙€進(jìn)行 準(zhǔn)確的識別。紅外對管裝有一對紅外發(fā)射管和紅外接收管，紅外 光 在不同顏色的表面具有 不同的 反射性質(zhì) 。具有雙向測速功能，可直接輸出方波，通過兩路方波的相位差來識別轉(zhuǎn)動方向。光電編碼器的最大特點(diǎn)就是 傳感器檢測非接觸 ， 不收機(jī)械運(yùn)動的抖動誤差影響， 因此它的 響應(yīng)快 、精度高、可靠性高。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度與接收脈沖 的關(guān)系 測速模塊設(shè)計(jì) 在智能玩具車設(shè)計(jì)中，速度反饋是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，良好的速度反饋是智能汽車在告訴運(yùn)行過程中精確的調(diào)節(jié)速度的前提 。 控制線是用來傳送脈沖的。 舵機(jī) 與普通直流電機(jī)的區(qū)別在于直流電機(jī)是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而舵機(jī)只能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動。控制邏輯如表 和表 所示。相對于 采用分立元件搭建電路，集成模塊價(jià)格便宜，操作簡單，穩(wěn)定性高，因此本設(shè)計(jì)采用了 2403ND 直流電機(jī)驅(qū)動模塊。導(dǎo)通對角線上的一對管 子就能使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而每一側(cè)的開關(guān)管不允許同時(shí)導(dǎo)通。 圖 簡單直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動電路 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 其中 VT 為功率 MOS 管，電流大小由電機(jī)功率決定。電動機(jī)的控制是通過脈寬調(diào)制（ PWM）實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際電路中，芯片輸入端和輸出端與地接大容量濾波電容外，還需要接小容量電容（ ~10μF），用于抑制芯片自激振蕩，壓窄高頻帶寬，減小高頻噪聲。 表 智能車常用模塊的電壓需求情況 模塊名稱 需求電壓 典型單元 單片機(jī)供電 舵機(jī)供電 編碼器供電 I/O 外設(shè) 光電傳感器 常用 IC 芯片 5~6V 5V 5V/ 5V 5V/ STM32F103VBT6 FUTABA S3003 歐姆龍 E6A2CW3C Nokia 5110 LCD BFD1000 緩沖 IC 供電根據(jù)需求而定 其中，除了舵機(jī)電壓可以提升至 6V 外，大多數(shù)供電電壓需求為 5V 或 ，而電池電壓為 12V。 芯片硬件結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)使用的 MCU 是 ST 公司推出的 STM32 系列 32 位微控制器， 如圖 所示為STM32F103 芯片及引腳圖， 該 芯片的各項(xiàng)硬件參數(shù)性能如下： 圖 STM32F103 芯片及引腳圖 內(nèi)核 32 位 CortexM3 內(nèi)核 ， 最高 72MHz 工作頻率， 支持 單周期乘法和硬件除法。 （ 3） 信息交互部分包括 LCD 顯示模塊和無線通信模塊。在功能和作用上，系統(tǒng)成了 分成了三個(gè) 主要部分 ，即信息獲取 與處理部分、動作控制部分和信息交互部分 ： （ 1） 信息獲取和處理部分包括兩種傳感器：光電傳感器陣列和編碼器，以及擔(dān)任信息處理作用的 STM32F103 主控芯片。 （ 3） 電機(jī) 和 驅(qū)動 模塊 采用 集成 MOS 管電機(jī)驅(qū)動 ，小車轉(zhuǎn)向采用舵機(jī)控制； （ 4） 循跡電路 傳感器采用集成式光電傳感器，小車行駛時(shí)記錄編碼器的輸出脈沖； 軟件方案： （ 1） 開發(fā)軟件 采用 MDKARM 集成開發(fā)環(huán)境 （ 2） 調(diào)試軟件采用 串口調(diào)試助手軟件 和 JLINK 仿真軟件 。 方案二：利用紅外對管 傳感器 作為尋跡 方案 ， 紅外光電對管 集成了紅外發(fā)射管和接收管， 因?yàn)?傳感器 發(fā)射 出的是紅外光 ， 所以 接收信號 對 外界 可見光 的影響較小， 并且光電對管輸出 對信號 可以通過電平轉(zhuǎn)換電路變成數(shù)字信號輸出 ，可靠性高 ，適合單片機(jī)的接收控制 。 循跡電路 方案一：采用發(fā)光二極管 （ LED） 或著 鹵素?zé)舻?其他外部光源 ，用光敏二極管 或顏色傳感器 接收 發(fā)射的光線信息 。用由 MOSFET 管組成的 H 型橋式電路，用單片機(jī) 或可編程芯片輸出占空比可調(diào)的脈沖控制信號 ， 即可以 精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。但 該方案的缺點(diǎn)就是繼電器的工作頻率有限，無法實(shí)現(xiàn)高頻 PWM調(diào)節(jié) 。開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是：功耗小、效率高；穩(wěn)壓范圍寬；效率 高，濾波電容的容量和體積 少；電路形式多樣 靈活 。線性穩(wěn)壓直流電源的 優(yōu) 點(diǎn)是 反應(yīng)速度 最 快、輸出紋波小，工作噪聲低；然而，它的的缺點(diǎn)是 在大功率條件下電源 效率較低、發(fā)熱量大。 電源電路 電源電路的好壞關(guān)乎著整個(gè)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，是整個(gè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的一環(huán)。并且，片上系統(tǒng)集成度較低，實(shí)際運(yùn)用需要大量的外圍電路，不利于系統(tǒng)的小型化和穩(wěn)定性。 主控芯片 智能玩具車中的 主控芯片是 該系統(tǒng) 的 核心 ，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信息獲取、處理和控制。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 2 設(shè)計(jì)方案 硬件設(shè)計(jì)方案 在智能玩具小車的整體設(shè)計(jì)中硬件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 研究內(nèi)容 本文主要通過對玩具小車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，以達(dá)到模擬智能汽車的目的。近年來， 隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展， 智能車輛 與下一代移動通信技術(shù)和云計(jì)算相結(jié)合， 己經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)增長的新動力，很多發(fā)達(dá)國家都將其納入到重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中 [2]。 智能汽車是當(dāng)今車輛工程領(lǐng)域研究的前沿， 20 世紀(jì) 80 年代以來，隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)、 信息技術(shù)、 通信 和 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展 以 及其他學(xué)科的 相互發(fā)展和 滲透， 使得 控制科學(xué)與工程研究的 研究不斷深入，控制系統(tǒng)向智能化 的發(fā)展已成為一種趨勢。 關(guān)鍵詞 ：智能循跡小車；嵌入式；傳感器；自動控制 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II Abstract Intelligent Vehicle is a collection of environmental awareness, planning decisions, multilevel driver assistance functions in an integrated system, which focused on the use of puters, modern sensor, information fusion, munications and automatic control technology. This thesis simulated intelligent unmanned vehicles, to achieve its basic functionality through the toy car. Among them, the use of embedded microprocessors and various sensors on the installation and toy car to achieve its induction surroundings change, access to road information, after processing, realtime munication with the puter via the wireless munication module. Implementation of this intelligent toy car, toy cars by electronic hardware and sensor design modifications and programming software for embedded processors, debugging, design control algorithms based on tracking different paths environments, finished toy car on a predetermined path intelligent tracking travel functions. Keyword: Intelligent TrackingVehicle。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 摘 要 智能車輛是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊及自動控制等技術(shù)。本文實(shí)現(xiàn)的智能玩具小車，通過對玩具車電子硬件 、傳感器設(shè)計(jì) 和對嵌入式處理器軟件的編程、調(diào)試，設(shè)計(jì) 了 根據(jù)不同路徑環(huán)境下的循跡控制算法，完成了玩具小車在規(guī)定路徑上的智能循跡行駛功能。Automatic Controll 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 目錄 1 引言 ....