【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 １２ 圖 28 路面信息 檢測(cè)原理圖 圖 29 傳感器示意圖 車速檢測(cè)模塊 旋轉(zhuǎn)編碼器是用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差 90 度的脈沖，通過(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。 本系統(tǒng)車速檢測(cè)單元采用日本 OMRON公司的 E6A2CW3C型旋轉(zhuǎn)編碼器河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 １３ 作為車速檢測(cè)元件。因?yàn)槠渚冗_(dá)到車輪每旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生 200個(gè)脈沖，不僅硬件電路簡(jiǎn)單，而且信號(hào)采 集速度快、精度高，滿足模糊控制精度要求。其硬件電路如圖 210所示。旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器的工作電壓為5— 24伏，輸出為一系列脈沖。 因?yàn)?E6A2CW3C 型旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出方式為電平輸出，所以 本系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出接 一個(gè) 2K上拉電阻再 與 MC9S12DG128 的 I/O口 PT0 相連 。PT0 采用 16位輸入脈沖累加模式對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。在旋轉(zhuǎn)編碼器的中軸上安裝一個(gè)直徑為 4cm，齒數(shù) 76，傳動(dòng)比 1： 1 的齒輪，并將該齒輪與同軸于后輪的傳動(dòng)齒輪咬合。如此則后輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)將通過(guò)傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器一同 旋轉(zhuǎn)。此時(shí)只需要測(cè)量一定時(shí)間 (10ms)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖數(shù)就能準(zhǔn)確計(jì)算出車速。車速的計(jì)算公式如公式（ 21）所示： Tdn200v ?? （ 21） ( , , )d n T為 小 車 后 輪 直 徑 為 采 樣 時(shí) 間 內(nèi) 旋 轉(zhuǎn) 編 碼 器 產(chǎn) 生 脈 沖 數(shù) 為 采 樣 周 期 圖 210 車速檢測(cè)硬件電路圖 舵機(jī)控制單元 本系統(tǒng)舵機(jī)控制單元采用 S3010 型舵機(jī)作為智能車方向控制部件。舵機(jī)控制采用電壓反饋閉環(huán)控制時(shí)，由于采用電位器檢測(cè)反饋電壓作為反饋回路，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 １４ 其檢測(cè)精度不高，達(dá)不到較好的控制效 果，故舵機(jī)采用 PWM 信號(hào)開環(huán)控制。小車轉(zhuǎn)向角的控制通過(guò)輸入 PWM 信號(hào)進(jìn)行控制。根據(jù)檢測(cè)的不同路徑，判斷出小車所在位置，按不同的區(qū)間給出不同的舵機(jī) PWM 控制信號(hào)，小車轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度?？紤]到實(shí)際舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角與所給 PWM 信號(hào)的占空比基本成線性關(guān)系，所以舵機(jī)的控制方案采用查表法。在程序中預(yù)先創(chuàng)建控制表，路徑識(shí)別單元檢測(cè)當(dāng)前的路況，單片機(jī)通過(guò)查表可知當(dāng)前的路況，然后給出相應(yīng)的 PWM信號(hào)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。 如圖 211 所示。多少的脈寬對(duì)應(yīng)多少的轉(zhuǎn)角一目了然。 實(shí)驗(yàn)證明：舵機(jī)的開環(huán)轉(zhuǎn)向力矩足夠，可以滿足給定 PWM 信號(hào)與角度 的一一對(duì)應(yīng)，控制電路簡(jiǎn)單且能滿足控制要求。其硬件電路如圖 212 所示。舵機(jī)的工作電壓為 ，輸入為 PWM 信號(hào)，相應(yīng)輸出一定轉(zhuǎn)角。 舵機(jī)的控制信號(hào)線與 MC9S12DG128 的 PWM3 口相連，為提高舵機(jī)的精度，加大 PWM 信號(hào)控制范圍，將 2個(gè) 8位 PWM 信號(hào)寄存器合并作為一個(gè) 16 位的寄存器進(jìn)行輸出。本系統(tǒng)采用 PWM2 和 PWM3 合并當(dāng)作 PWM23 給舵機(jī)作控制信號(hào)輸入口，同時(shí)為保證整個(gè)小車的重心在小車的中心線上，將舵機(jī)安裝在前輪靠后的部位，使得整個(gè)小車行駛時(shí)更加平穩(wěn)可靠。 圖 211 轉(zhuǎn)角與脈寬關(guān)系 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 １５ 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元 系統(tǒng)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元采用 RS380ST型直流電機(jī)，由于路況十分復(fù)雜，彎道多，直道少，所以采用 MC33886 電機(jī)驅(qū)動(dòng) H 橋芯片作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件。通過(guò) MC9S12DG128 輸出的 PWM 信號(hào)來(lái)控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 MC33886 內(nèi)部具有過(guò)流保護(hù)電路，接口簡(jiǎn)單易用，能夠提供比較大的驅(qū)動(dòng)電流，考慮到實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流可能很大，故采用 2 片 MC33886 并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 但考慮到采用全橋時(shí)，均流問(wèn)題 可能引起 2 片 MC33886 不同時(shí)工作，所以我們采用半橋驅(qū)動(dòng)。為了提高 PID 控制的精度，將 PWM0 和 PWM1 兩個(gè) 8位寄存器合并成PWM01。 其硬件電路如圖 213所示。 MT_VCC為 5伏， IN1 和 IN2 分別為 MC33886的 PWM 信號(hào)輸入端口。 MC33886 的輸出端口 OUT1 和 OUT2 分別接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩端。 D D2 為芯片的使能端。 圖 212 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制電路 VCC PWM SERVO OUTPUT 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 １６ (b) 圖 213 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 １７ 3 智能車軟件設(shè)計(jì) 本程序設(shè)計(jì)由以下幾個(gè)模塊組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)初始化模塊，實(shí)時(shí)路徑檢測(cè)模塊，舵機(jī)控制模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模 塊，中斷速度采集模塊，速度模糊控制模塊。 （ 1）單片機(jī)的初始化模塊包括： I/O模塊、 PWM模塊、 AD模塊、計(jì)時(shí)器模塊、定時(shí)中斷模塊初始化。 （ 2）實(shí)時(shí)路徑檢測(cè)模塊：前排光電傳感器檢測(cè)黑線，將返回信號(hào)輸入單片機(jī)的輸入端口，程序不間斷地讀入輸入端口的信號(hào)，通過(guò)判斷語(yǔ)句，得出合適的 PWM信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。 （ 3）舵機(jī)控制模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊：通過(guò)直接輸出 PWM信號(hào)控制。舵機(jī)的控制采用開環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用模糊算法閉環(huán)控制。 模糊控制算法把由各種傳感器測(cè)出的精確量轉(zhuǎn)換成為適于模糊運(yùn)算的模糊量，然后將這些量在模糊控 制器中加以運(yùn)算，最后再將運(yùn)算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，以便對(duì)各執(zhí)行器進(jìn)行具體的操作控制。在模糊控制中，存在著一個(gè)模糊量和精確量之間相互轉(zhuǎn)化的問(wèn)題。 本系統(tǒng)控制軟件采用 CodeWarrior 軟件及 BDM 作為調(diào)試工具，此外，編程環(huán)境支持 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，以及 C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言的混合編程，大大方便了程序設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。本系統(tǒng)程序代碼使用 C 語(yǔ)言編寫。 控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象的檢測(cè)是一個(gè)非常重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在反饋控制系統(tǒng)中，控制器總是通過(guò)比較檢測(cè)量和給定量來(lái)計(jì)算控制量，因此，檢測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)整 個(gè)控制系統(tǒng)的 質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。 為保證小車一直沿著黑色引導(dǎo)線快速行駛，系統(tǒng)主要的控制對(duì)象是小車的轉(zhuǎn)向和車速。即應(yīng)使小車在直道上以最快的速度行駛，在進(jìn)入彎道的時(shí)刻盡快減速，且角度的轉(zhuǎn)向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉(zhuǎn)彎。從彎道進(jìn)入直道時(shí)，小車的舵機(jī)要轉(zhuǎn)向至中間，速度應(yīng)該立即得到提升。為實(shí)現(xiàn)上述控制思想，我們要盡可能的提高路徑檢測(cè)的精度，并采用不同的控制方法來(lái)控制小車的轉(zhuǎn)角和速度。首先河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 １８ 繪制出系統(tǒng)軟件流程圖，如圖 31 所示： 圖 31 軟件流程圖 單片機(jī)初始化 定時(shí)器中斷使能 開始 開始 啟動(dòng)定時(shí)器 實(shí)時(shí)路徑檢測(cè) 輸出伺服電機(jī) PWM控制信號(hào) 定時(shí)中斷 速度采樣 計(jì)算偏差和變化率 輸入量 模糊化 模糊推理 反模糊化 PID 控制 PWM 控制信號(hào) 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 設(shè)定速 度 N Y 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 １９ 路徑的檢測(cè) 我們采用模擬量對(duì)黑線的位置定位。由于各環(huán)境下光電管的值不一樣，為了解決這個(gè)問(wèn)題，先要對(duì)光電管進(jìn)行標(biāo)定，找到它對(duì)黑線的敏感程 度，將這個(gè)過(guò)程的每個(gè)光電管的最大值最小值保存下來(lái)，用最大值減去最小值得到每個(gè)傳感器在賽道上的輸出范圍。小車行使過(guò)程中，將每個(gè)傳感器輸出的信號(hào)減去最小值，再除以該傳感器的輸出范圍即可得到其相對(duì)輸出值， 然后找到其中最大的那個(gè)值。就可以確定該光電管下面的黑線比例最大，然后找到它旁邊的兩個(gè)光電管。就可以 根據(jù)這三個(gè)值可以算出黑線的準(zhǔn)確位置，具體公式如式（ 31）所示： position=percent[j]*weight[j]+percent[j+1]*weight[j+1]+percent[j1]*weight[j1] （ 31） percent[j]為所占黑線的百分比 ， weight[j]為當(dāng)前光電管所在位置。 程序段如下： void CheckStart(void){ int i,sum=0,backnum=0。 if(percent[10]50 amp。amp。percent[14]50) { if(flag==0){ TIE_C1I=1。 TC1=TCNT+4000。 TFLG1_C1F=1。 flag=1。 } for(i=11。i14。i++) sum+=percent[i]。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 ２０ if(sum200amp。amp。sum90) isstart++。 if(sum=220)iscrossing++。 } } 轉(zhuǎn)角的控制 對(duì)于舵機(jī)的控制，我們采用開環(huán)控制，由于舵機(jī)的控制精度高，一個(gè) PWM占空比對(duì)應(yīng)一個(gè)角度，因此開環(huán)控制的效果較好。我們采用的是 PD 控制，因?yàn)檫@樣可以讓舵機(jī)的控制速度更快，輸入黑線位置和黑線位置的變化率，通過(guò)分段比例控制輸出相應(yīng)的 PWM 值。因?yàn)?小車處于彎道和直道的轉(zhuǎn)向模型不同，統(tǒng)一的比例帶過(guò)大會(huì)導(dǎo)致小車振蕩，過(guò)小導(dǎo)致最大控制量偏小，小車轉(zhuǎn)向不足，過(guò)彎時(shí)沖出賽道。使用分段比例控制既方便又可以解 決以上兩種問(wèn)題。 由于小車前面有一排光電管，當(dāng)小車處于直道時(shí)，最中間的光電管檢測(cè)到信號(hào)，當(dāng)處于不同曲率的彎道時(shí)，上排兩側(cè)不同的光電管將檢測(cè)到信號(hào)。所以，根據(jù)上排光電管檢測(cè)到的不同信號(hào)，可以判斷出小車所處的位置。然后，根據(jù)小車的位置再相應(yīng)的調(diào)整舵機(jī)。 調(diào)整舵機(jī)的原則是：小車處于直道，則擺正舵機(jī)，使小車沿直線行駛。小車進(jìn)入彎道時(shí)根據(jù)彎道的曲率來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，小車處于彎道的曲率越大，則將舵機(jī)的轉(zhuǎn)角擺的越大。除此之外，小車還會(huì)遇到黑色交叉線的特殊情況，對(duì)此，本系統(tǒng)將保持原有的小車方向與速度，使小車不受交叉線的干擾 。如果小車轉(zhuǎn)過(guò)的彎過(guò)大，則可能使上排光電管全部偏離黑色軌跡，從而沒有一個(gè)光電管檢測(cè)到黑線，這時(shí)本系統(tǒng)將會(huì)把舵機(jī)轉(zhuǎn)至最大角，讓小車急轉(zhuǎn)駛回黑線，同時(shí)，將速度降至最低，防止小車沖出軌跡。 程序段如下： void angle_sample(void) { int pwmdty1=0。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 ２１ //if(abs(distance)10) //pwmdty1=0。 //else { if(distance0) pwmdty1=fuzzy1()。 else pwmdty1=fuzzy1()。 //} if(pwmdty160) pwmdty1=60。 if(pwmdty158) pwmdty1=58。 PWMDTY23=ini_Angle+pwmdty1。 } void diff1(void) { int j。 dif1=abs(distance)error1[error1num1]。 for(j=error1num1。j0。j) error1[j]=error1[j1]。 error1[0]=abs(distance)。 } 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 ２２ 車速的控制 對(duì)于車速的控制，我們采用閉環(huán)控制，控制量由 MC33886 給出，而速度反饋量由編碼器測(cè)得。編碼器輸出的脈沖輸入到 PACN10，通過(guò)定時(shí)器申請(qǐng)中斷，