【正文】 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]。當智能車經(jīng)過連續(xù)的彎道時，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]。 STM32 的 PWM 輸出功能需要用到定時器， STM32 的定時器除了 TIM6 和 TIM7 其他的定時器都可以用來產(chǎn)生 PWM 輸出。 GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3)。 pwmval=((k10)*5)/18+49。 （ 3） SCLK 時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生。 如圖 為 NRF24L01 模塊與 MCU 連接圖。小車搭建要求機械結(jié)構(gòu)合理、牢固，考慮到各模塊的大小，將主要電路放在小車后輪處，這樣可以使小車重心后移，有利于轉(zhuǎn)向的靈活。由于在小車在設(shè)計中采用模塊 化設(shè)計，所以可以方便的對各電路模塊 測試，即： MCU 控制模塊的調(diào)試、無線模塊的調(diào)試、紅外尋跡模塊的調(diào)試以及電機、舵機控制模塊的調(diào)試，最后進行實際的場地測試。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 軟件參數(shù)調(diào)試 首先需要檢查的是軟件編譯是否有錯誤和警告，各模塊變量參數(shù)是否定義錯誤，在軟件代碼編譯無誤之后，將其下載到 MCU 之中。 B C 起點 A D E F沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 表 小車實際場地 測試 時間記錄表（單位： s） 測試次數(shù) AB 路段 BC 路段 CD 路段 DE 路段 F 路段 備注 1 — 2 / 脫軌 3 — 注：小車 因速度過快而脫離軌道后仍能自行返回原軌道，無須人為搬回。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 結(jié)論 21 世紀的電子和計算機技術(shù)飛速發(fā)展，對傳統(tǒng)玩具進行信息化智能化改造，智能玩具能夠?qū)崿F(xiàn)越來越多的功能，更需要不斷應(yīng)用現(xiàn)代先進的技術(shù)開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品以滿足大眾的需求。 雖然 只是一個簡單的智能算法，但有這樣的基礎(chǔ) 鋪墊 之后，就可以把更多的智能算法用于玩具 小車 的開發(fā) 中來 ，這也是 實現(xiàn) 小車智能化的一個重要方法。并且各個模塊可以自由修改，為以后的升級產(chǎn)品提供了實現(xiàn)空間。 小車 能很好的完成沿黑色軌道前進，改變軌道的形狀及轉(zhuǎn)彎角度，小車仍可以完成循跡任務(wù)。 測試的場地是白色卡紙板上粘上黑色不反光膠帶制成，周圍設(shè)置了一定的防撞措施如圖 所示為測試場地示意圖 ，從起點 A 處開始，小車逆時針行駛。當兩對管都放置黑線之外的白色地板上時，單片機對應(yīng) I/O 口收到的電平都為低，輸入電壓為 左右，當左邊的紅外線管進入黑線范圍，對應(yīng)電平變高，為 左右，同時指示等紅燈亮，說明要控制小車右轉(zhuǎn)；當在右邊時同左邊情況對應(yīng)，需控制左轉(zhuǎn)。需要考慮的是高電壓（ 12V）與低電壓（ ）的隔離，防止特殊情況下電路燒毀，同時注意電源模塊發(fā)熱量較大，應(yīng)做好散熱措施。 圖 LCD5110 復(fù)位時序圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 LCD 初始化程序 流程圖 如下 圖 所示 ： 圖 LCD 初始化程序流程圖沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 5 制作與調(diào)試 硬件部分制作 根據(jù)本智能玩具車的設(shè)計方案，系統(tǒng)的制作主要是硬件制作，包括三個部分：玩具小車車模的制作組裝， PCB 電路模塊的制作，各元器件的焊接和模塊的連接。 外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。 SPI 接口一般使用 4 條線通信： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 （ 1） MISO 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出。由于初始化代碼與之前類似，下面 給出舵機調(diào)角度控制函數(shù) ，其中舵機角度 控制參數(shù)值范圍為 60~120 度 。 綜上所述 ， PWM 相關(guān)的函數(shù)設(shè)置過程如下 ： （ 1） 開啟 TIM3 時鐘以及復(fù)用功能時鐘，配置 PB5 為復(fù)用輸出； （ 2） 初始化 TIM3,設(shè)置 TIM3 的 ARR 和 PSC； （ 3） 設(shè)置 TIM3_CH2 的 PWM 模式，使能 TIM3 的 CH2 輸出； （ 4） 使能 TIM3； （ 5） 修改 TIM3_CCR2 來控制占空比。后者主要是輸出占空比可調(diào)的 PWM 波形，電機速度與 PWM 波的占空比成正比關(guān)系。 其中起主要作用的是比例項；積分項會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向延遲，故常常將積分項系數(shù)置 0，適當調(diào)節(jié)微分項系數(shù)能使小車優(yōu)化路徑，達到更好的轉(zhuǎn)向效果。積分作用的強弱取決于積分時間T1， T1 越小，積分作用就越強 [10]。 圖 復(fù)雜賽道分段循跡示例 U型彎 S型彎 直道 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 自動 控制算法 PID 算法介紹 PID 控制 是 比例、積分、微分控制 的簡稱，它是工程實際中應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律 。如圖 (c)所示，轉(zhuǎn)彎過程中，當發(fā)現(xiàn)只有 SS3和 SS5（或 SS1）檢測到黑線時，可以判斷已經(jīng)出彎。 //更新傳感器數(shù)據(jù) 類似的，可以保存 SS2~SS5 的傳感器上一次檢測數(shù)據(jù)為 SS2_Last~SS5_Last。 圖 直道及簡單彎道的循跡 路徑 根據(jù)上面所述，可以把直道和簡單彎道的循跡方法概括成流程圖 ，如下圖 所示。智能車會 在彎道突然減速，在直道會突然加速，機械磨損大。 速度控制 ()。 主程序 智能玩具車的主程序流程可以用圖 來表示。由于通信過程中必須使用線纜進行連接，因此無法采集到 智能汽車運行過程中的數(shù)據(jù)。 圖 傳感器模塊電路設(shè)計圖 該電路設(shè)計 具 有如下功能和特點： （ 1） 集成 5 路循跡傳感器，適合復(fù)雜黑線 、 白線的跟蹤 ； （ 2） 有一路蔽障用的紅外傳感器，蔽障距離可以通過滑動變阻器調(diào)節(jié)； （ 3） 有一個專門設(shè)計的觸碰傳感器，使得 智能小車能夠規(guī)避前方障礙 ； （ 4） 輸出信號全部都為數(shù)字信號，方便與單片機相連； （ 5） 全部傳感器都有 LED 燈作為指示，方便調(diào)試 （ 6） 支持電壓為 滿足 系統(tǒng)需求。 圖 編碼器實物圖 循跡電路設(shè)計 目前在路徑檢測上廣泛采用的 是紅外對管檢測 ， 電路基本原理圖如圖 所示。本文主要通過光電脈沖測速傳感器來測量小車的速度。 因此 普通直流電機一般是整圈轉(zhuǎn)動做動力輸出， 而 舵機 主要用于 控制某物體轉(zhuǎn)動一定角度控制（例如機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動）。 如圖 所示為 2403ND 直流電機驅(qū)動模塊的實物圖。使用此方案可以實現(xiàn)電動機的單向調(diào)速，若想實現(xiàn)雙向控制，就要使用 H 橋來控制電機正反轉(zhuǎn)動 。 圖 最小應(yīng)用 系統(tǒng) 實物圖 電機 驅(qū)動模塊設(shè)計 在智能玩具車運行過程中，電動機的速度是根據(jù)傳感器的反饋隨時調(diào)整的。 供電電路 設(shè)計 由于智能玩具車各模塊對電源的需求不同，故不能直接使用單一的電源。 （ 2） 動作控制部分包括舵機控制與電機驅(qū)動。 通過 單片機 I/O 接口接收信息 ，程序控制小車改變方向。采用 H 型橋式電路 可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度 快 、 穩(wěn)定性強， 因此 是一種廣泛采用的 電機 調(diào)速技術(shù)。開關(guān)穩(wěn)壓電源 工作 中 會產(chǎn)生高頻 交流電壓和電流 ，導(dǎo)致 尖峰干擾和庇振干擾， 如果不采取一定的措施進行抑制和屏蔽，就會嚴重地影響電源的安全有效輸出 [3]。 方案一：線性穩(wěn)壓電源。 51 系列單片機作為一種經(jīng)典的單片機品種，技術(shù)成熟且技術(shù)資料豐富，開發(fā)周期短， 特別適合低端智能玩具上使用。智能汽車是一個綜合的浩大的工程， 包括傳感器的應(yīng)用、電動機的應(yīng)用、電路設(shè)計、自動控制原理、系統(tǒng)調(diào)試、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 智能車輛在普通車輛的基礎(chǔ)上增加了先進的傳感器、控制器、執(zhí)行器 和無線通信 等裝置，通過車載傳感系統(tǒng)和信息終端，實現(xiàn)與人、車、路等的智能信息交換，使車輛 能夠 智能的 感知周圍 環(huán)境，自動分析車輛行駛的安全及危險狀態(tài)，并使車輛按照人的意愿到達目的地，最終實現(xiàn)替代人來操作的目的。其中，使用嵌入式微處理器和紅外 傳感器加裝 于玩具小車之上， 感應(yīng)周圍環(huán)境變化，獲取路面信息，處理之后通過無線通信模塊與計算機進行實時通信。 Embedded Microprocessors。 汽車產(chǎn)業(yè)，作為一個有著一百多年歷史的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在新的環(huán)境下，必然需要不斷的自我革新，緊跟時代潮流。良好的硬件設(shè)計是智能玩具車穩(wěn)定運行的基本保證。 方案二：采用 ARM Cortex M 系列 核心的嵌入式處理器。 方案二：開關(guān)穩(wěn)壓電源。 還有一個問題在于 電動機 工作 電流很大， 這種方案效率較低 ， 工作損耗大， 而且使用壽命不高 。 然而 光敏二極管 精度不夠， 受 外界 光的 干擾 影響較大，線性程度不好 。 總體設(shè)計框圖 經(jīng)過上訴方案論證的過程之后， 其系統(tǒng)總方框圖如圖 所示。這個部分主要作用是系統(tǒng)的測試和參數(shù)調(diào)整，能夠直觀快速的顯示系統(tǒng)的各項狀態(tài)。由于 STM32 的功耗很小，所以不需要大電流穩(wěn)壓，但主控芯片需要一個穩(wěn)定的電壓保持平穩(wěn)工作，所以供電設(shè)計為獨立供電，避免與其他負載并聯(lián)導(dǎo)致負載變化時影響芯片供電引起問題。 單片機 芯片在接收并處理完成 傳感器傳回的道路信息后得出預(yù)期速度，通過脈寬調(diào)制信號來控制電動機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)個管不同 的導(dǎo)通 情況 ，電流可能會從左 到 右或從右 到 左流過電機，從而控制電機的 不同方向 。其中 0 為低電平、 1 為高平、 為任意電平，懸空時為高電平，如表 所示。脈沖有最小值，最大值，和頻率 三個參數(shù) 。 圖 光電脈沖測速原理示意圖 光電編碼器采用光電 接收技術(shù) ，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為 不同角度極性的 數(shù)字脈沖，如圖 所示的是為光電脈沖測速原理示意圖，在發(fā)光元件和光電接收元件中間有一個 扇沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 形的 碼盤， 碼盤上均 勻的刻有透明光柵， 轉(zhuǎn)動碼盤形成光脈沖，產(chǎn)生對應(yīng)的電信號。紅外發(fā)射管向地面發(fā)射紅外光，遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射， 紅外 接收管接收 到了發(fā)射光 ，輸出 較低的 電壓 ； 當 遇到黑線 時， 則紅外光被吸收， 紅外 接收管接收不到信號， 則輸出 高 電壓。 液晶顯示 器 液晶顯示是智能車對外界反饋信息最好的方式，快捷且直觀，可以將液晶顯示模塊與單片機進行連接，將要監(jiān)視的數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶顯示模塊上，從而可以脫離在線仿真監(jiān)視變量的變化。 該模塊使用 SPI 協(xié)議與單片機通信。 結(jié)束 是否到終點線？ 開始 方向控制 硬件初始化 定時器中斷 獲取傳感器值 速度控制 N Y 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 for(。 // 小車實時速度 int angle。改進型相對于傳統(tǒng)一字型布局有顯著的優(yōu)點：由于傳感器 有一個分布在前排上 ，使得智能 玩具小 車對于 路徑檢測 有了一定的預(yù)測功能， 具體體現(xiàn)在 進入 復(fù)雜 彎道的時刻，此時后一排傳感器仍在 彎 道時，前一排傳感器已經(jīng) 檢測到彎道的變化 。而根據(jù)經(jīng)驗，若遇到垂直彎道完全可以按照弧形彎道的方法來處理，小車很難出現(xiàn)跑偏的情況。 圖 垂直交叉路口的算法程序流程圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 S 型彎及 U 型彎的循跡 方法 S 型彎和 U 型彎屬于大曲率彎道，由于傳感器個數(shù)和智能車反應(yīng)時間的限制，容易使路徑判斷錯誤，導(dǎo)致小車偏離賽道。若只有 SS3 和 SS5（或 SS1）檢測到黑線，則判斷為 U 型彎，采取大于 180 度的角度轉(zhuǎn)彎。如圖 為 PID 控制系統(tǒng)原理圖。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。為了解決上訴存在的問題，對數(shù)字 PID 算法進行了改進，將不完全微分和微分先行引入到PID 算法中，大大改善了速度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。要使 STM32 的通用定時器 TIMx 產(chǎn)生 PWM 輸出會用到 3 個寄存器，分別是：捕獲 /比較模式寄存器（ TIMx_CCMR1/2）、捕獲 /比較使能寄存器（ TIMx_CCER）、捕獲 /比較寄存器（ TIMx_CCR1~4）。 } 類似的， 小車后退 控制程序： void Motor_Back(void) { GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2)。 TIM_SetCompare1(TIM3,pwmval)。 （ 4） CS 從設(shè)備片選信號，由主設(shè)備控制。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 圖 NRF24L01 模塊與 MCU 連接圖 綜上所述， NRF24L01 初始化 過程 如下： （ 1） 初始化 NRF24L01 芯片的 I/O 口，配置上拉輸入和推挽輸出模式； （ 2） 使能 STM32 的 SPI 總線，配置主從模式； （ 3） 定義 SPI 通信的波特值， 開啟 CRC 校驗； （ 4） 向 NRF24L01 的 ADDR 寄存器寫入 5 個字節(jié)的地址； （ 5） 再讀出寫入的地址，判斷初始化程序是否成功。前排的傳感器安裝位置盡量靠前，以獲得最大的探測視野和提前量，使動 作反應(yīng)更加靈敏。 硬件調(diào)試 硬件測試即 對各個模塊的功能進行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。檢查小車能否正常工作，接下來還是利用 ISP 調(diào)試和無線模