【正文】 30 液晶顯示 ...................................................................................................... 32 5 制作與調(diào)試 ..........................................................................................................................1 硬件部分制作 ............................................................................................................. 1 系統(tǒng)調(diào)試 ..................................................................................................................... 1 硬件調(diào)試 ........................................................................................................ 1 軟件參數(shù)調(diào)試 ................................................................................................ 3 實(shí)際測(cè)試 ........................................................................................................ 3 6 結(jié)論 ..................................................................................................................................... 1 致謝 ........................................................................................................................................... 1 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................... 1 附錄 A 英文文獻(xiàn)翻譯 .............................................................................................................. 1 附錄 B 程序源代碼 .................................................................................................................. 4 附錄 C 電路原理圖 ................................................................................................................ 58 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 引言 研究背景和意義 智能控制技術(shù)指在無(wú)人 （或少量） 干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。 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(lái)，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(shì)。 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。開(kāi)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 。 方案二：利用紅外對(duì)管 傳感器 作為尋跡 方案 ， 紅外光電對(duì)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(hào) 對(duì) 外界 可見(jiàn)光 的影響較小， 并且光電對(duì)管輸出 對(duì)信號(hào) 可以通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路變成數(shù)字信號(hào)輸出 ，可靠性高 ，適合單片機(jī)的接收控制 。 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。 圖 簡(jiǎn)單直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路 沈陽(yáng)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。 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(dòng)的，而舵機(jī)只能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。具有雙向測(cè)速功能，可直接輸出方波，通過(guò)兩路方波的相位差來(lái)識(shí)別轉(zhuǎn)動(dòng)方向。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。 根據(jù)需要延時(shí) ()。智能小車判斷當(dāng)前路徑為 直道及簡(jiǎn)單的彎道 前提是， SS3始終能檢測(cè)到黑線，并且 SS1 和 SS5 始終不能檢測(cè)到黑線。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(zhǎng)度與小車的機(jī)械性能有關(guān)，需要經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 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。 沈陽(yáng)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。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 TIM_SetCompare2(TIM2,pwm2)。這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內(nèi)容就被交換 [13]。模塊的體積小且安裝固定比較方便，出現(xiàn)問(wèn)題可以立即檢查哪個(gè)部分的原因，不用拆解電路就可以及時(shí)更換損壞的零件。在進(jìn)行 實(shí)際測(cè)試 時(shí)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，不斷的來(lái)修改參數(shù)來(lái)完善結(jié)果。各個(gè)功能在硬件和軟件的設(shè)計(jì)上都使用了模塊的電路組件。論文介紹了該設(shè)計(jì)的總體思想和一些用到的基本的原理及系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。 如前面所述，需要調(diào)試獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)為：電機(jī) PID 參數(shù)；舵機(jī) PID 參數(shù)；定時(shí)器中斷時(shí)間；延時(shí)時(shí)間；循跡算法參數(shù)。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個(gè)控制系統(tǒng)中延時(shí)較大的環(huán)節(jié)，可以通過(guò)增大舵機(jī)的工作電壓來(lái)提高舵機(jī)反應(yīng)的靈敏度，但是過(guò)高的電壓容易使舵機(jī)燒毀，因此需要多次實(shí)際調(diào)試來(lái)取得一個(gè)最為合適的電壓參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，舵機(jī)電壓調(diào)高到 6V比較合適。 從圖 中可以看出，主機(jī)和從機(jī)都有一個(gè) 串行移位寄存器，主機(jī)通過(guò)向它的 SPI串行寄存器寫入一個(gè)字節(jié)來(lái)發(fā)起一次傳輸。 GPIO_SetBits (GPIOC, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3)。 圖 為智能車速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 比例調(diào)節(jié)作用是按照比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)左用用來(lái)減少偏差。為了避免這個(gè)問(wèn)題的發(fā)生，智能車應(yīng)該在進(jìn)入彎道前判斷是否為普通小曲率彎道，若不是，則應(yīng)降低車速，進(jìn)一步判斷彎道類型。此傳感器布局的不足之處在于：由于布局在兩排上，控制算法的復(fù)雜程度有了很大的增加， 若要 判斷 具體的彎道信息 ，往往需要 加 上一次的檢測(cè)數(shù)據(jù)。) { 讀取光電傳感器的數(shù)值 ()。這里選用的 Nokia 5110 液晶模塊， 圖 為該液晶模塊的實(shí)物圖。 市售的集成封裝的編碼器精度高，測(cè)速準(zhǔn)確，碼盤和電路都封裝在編碼器內(nèi)，極大降低了損壞的概率。 表 電機(jī)接口控制信號(hào)邏輯 IN1 IN2 ENA 輸出狀態(tài) 0 無(wú)輸出， OUT OUT2 懸空 0 0 1 剎車， VOUT1 = VOUT2 = VGND 0 1 1 正轉(zhuǎn)， VOUT1 VOUT2 = 電源電壓 1 0 1 反轉(zhuǎn)， VOUT2 VOUT1 = 電源電壓 1 1 1 剎車， VOUT1 = VOUT2 = 電源電壓 * *注： 未連接控制信號(hào)時(shí)的默認(rèn)狀態(tài) 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 舵機(jī) 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 智能玩具車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要 舵機(jī)（ Servo） 來(lái)控制，如圖 所示，舵機(jī)是 由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路 構(gòu) 成 ，是 一套 典型的 伺服 控制系統(tǒng)。然而單片機(jī)芯片的輸出能力非常弱，不可能直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要一個(gè)專門的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 3 硬件設(shè)計(jì) 主控電路設(shè)計(jì) 主控電路是智能小車系統(tǒng)各功能模塊的控制中心，它負(fù)責(zé)信息的獲取、處理和執(zhí)行。 而顏色傳感器雖然能夠檢測(cè)出顏色信息，但是由于外界環(huán)境和光線強(qiáng)弱的變化，極易出現(xiàn)傳感器判斷失誤的現(xiàn)象。開(kāi)關(guān)電源是現(xiàn)代電力電子技術(shù) 發(fā)展而成的新型電源 ， 通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)斷的時(shí)間 占比 ， 來(lái)持續(xù)輸出 穩(wěn)定 電壓。智能玩具車的硬件模塊大體可以分為三部分，即傳感器電路、驅(qū)動(dòng)電路和輔助電路。Sensors。在此基礎(chǔ)上，智能控制的車輛也越來(lái)越受到工業(yè)、交通、國(guó)防、能源等領(lǐng)域的青睞，得到了 蓬勃發(fā)展 。 方案一 ：采用目前廣泛運(yùn)用，成本低廉的 51 系列單片機(jī)作為主控芯片。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾。 若在小車底部安裝該光電傳感器，當(dāng) 底部的遇到黑 色路徑 時(shí)， 傳感器 輸出 高電平，遇到 白色地 面時(shí)， 輸出 低電平。 存儲(chǔ)器 512K 字節(jié) ROM， 64K 字節(jié) SRAM； 外 設(shè) （ 1） 2 個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ， 1 個(gè) 溫度傳感器 ， 2 個(gè) DMA 控制器； （ 2） 64 個(gè) 通用 快速 I/O 端口； （ 3） 1 個(gè) 串行單線調(diào)試和 JTAG 接口； （ 4） 6 個(gè) 通用 定時(shí)器 和 2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器 ； 通信接口 （ 1） 2 個(gè) I2C 總線 接口 ； 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 （ 2） 3 個(gè) USART 通信 接口 ； （ 3） 2 個(gè) SPI 總線 接口； （ 4） 2 個(gè) CAN 總線 接口； （ 5） 1 個(gè) USB 全速接口。 PWM 信號(hào)的占空比決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)節(jié) PWM 占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。 舵機(jī)可以 反饋轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息，而 普通直流電機(jī)不能做到 。供電電壓為 5~12V，完全兼容智能玩具車的供電需求。 圖 Nokia 5110 液晶顯示模塊實(shí)物圖 無(wú)線通信 使用串口通信可以將智能車采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，然而其弊端在于線纜的限制。 } } 定義的 中斷服務(wù)子程序 如下： void EXTI2_IRQHandler(void) { 轉(zhuǎn)向控制 ()。在這個(gè)前提下，當(dāng) SS2 碰到黑線時(shí)可以向左轉(zhuǎn)， SS4 碰到黑 線的時(shí)候可以向右轉(zhuǎn)，如圖 所示，就可以實(shí)現(xiàn) 直道 簡(jiǎn)單 彎道 的循跡方法。當(dāng)小車經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎之后行駛到 S 彎中部時(shí)，判斷中間三個(gè)傳感器（ SS SS SS4）的狀態(tài)，若三個(gè)傳感器均能檢測(cè)到黑線，則可以確定為此為S 彎，此時(shí)小車以相同半徑反方向轉(zhuǎn)彎。當(dāng)有誤差時(shí)，積分 調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)誤差時(shí)積分調(diào)節(jié)才停止，積分調(diào)節(jié)輸出常值。前者主要是使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上面的控制端，通過(guò)單片機(jī)的 I/O 口輸出控制信號(hào)。 } 舵機(jī)控制 舵機(jī)的初始化與電機(jī)控制類似，都是 PWM波形，不同的是舵機(jī)的 PWM頻率為 50Hz，且脈寬只能在一定范圍內(nèi)改變。 圖 SPI 總線初始化流程圖 圖 所示為 SPI 總線初始化流程圖。 各模 塊的簡(jiǎn)介采用接插件固定在一整塊洞洞板上，關(guān)鍵位置需要用銅柱螺絲固定，防止小車行駛過(guò)程中脫落。使程序按照要求設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行。這樣的好處能夠提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 本設(shè)計(jì)主要是采用了現(xiàn)代控制技術(shù)和嵌入式技術(shù)，通過(guò)對(duì)玩具車的改造，加裝主控板和各種各樣 的模塊，實(shí)現(xiàn)了玩具小車的循跡行駛功能，通過(guò)無(wú)線模塊和液晶顯示器，能夠很好的反應(yīng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。檢查小車能否正常工作，接下來(lái)還是利用 ISP 調(diào)試和無(wú)線模塊通信對(duì)軟件算法的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。前排的傳感器安裝位置盡量靠前，以獲得最大的探測(cè)視野和提前量，使動(dòng) 作反應(yīng)更加靈敏。 （ 4） CS 從設(shè)備片選信號(hào)，由主設(shè)備控制。 } 類似的， 小車后退 控制程序： void Motor_Back(void) { GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2)。為了解決上訴存在的問(wèn)題，對(duì)數(shù)字 PID 算法進(jìn)行了改進(jìn)，將不完