【文章內(nèi)容簡介】 (1)采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制 ,通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整 .此方案的優(yōu)點是電路較為簡單 ,缺點是繼電器 的響應(yīng)時間慢 ,易損壞 ,壽命較短 ,可靠性不高。 (2)采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。 線性驅(qū)動應(yīng)用是一種最為簡單和最為直接的驅(qū)動應(yīng)用方式，其電路簡單、體積小巧，能滿足一些特定的場合應(yīng)用較多。采用由達林頓管組成的 H 型橋式電路（如圖 4）。采取由單片機控制達林管，讓其在能夠調(diào)節(jié)的占空比開關(guān)狀態(tài)下運行。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，擁有高效率的特性， H 型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和方向的控制功能， 圖 4 H 橋式電路 實際使用的時候，用分立元件制作 H 橋是很麻煩的，好在現(xiàn)在市面上有很多 封裝好的 H 橋集成電路，接上電源、電機和控制信號就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的 L293D、 L298N、 TA7257P、SN754410等。現(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了 L298N[11]。 反饋模塊 單片機程序中 PID 算法的應(yīng)用和霍爾傳感器測速的應(yīng)用。 PID 控制已成為智能自動化控制的研究中最為活躍而又富有成果的領(lǐng)域 [7]。從過去的傳統(tǒng)與現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展歷史來講 PID 控制研究與應(yīng)用已經(jīng)得到十分迅速地發(fā)展。然而，在很多新興的模糊控制技術(shù)方法不斷涌現(xiàn)人們視野之后，人們 更加清楚地認識到了模糊控制研究中所面臨的眾多理論問題己經(jīng)成為模糊 PID 控制技術(shù)廣泛 8 研究應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。例如， PID 控制技術(shù)還尚未在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中得到如同日常家電產(chǎn)品一樣的推廣和應(yīng)用，在這其中包含有如何解決 “ 控制性能優(yōu)于傳統(tǒng) PID 控制器的模糊控制器設(shè)計 ” 問題。世界各先進國都曾先后做過對鍋爐、煉鋼爐、蒸汽機以及汽輪發(fā)電機組等 PID 控制的計算機研究和仿真，他們也進行了 PID 控制算法和經(jīng)典的傳遞函數(shù)算法之間的計算機研究仿真比較。所有結(jié)果表明： PID 控制比傳統(tǒng)的經(jīng)典控制要穩(wěn)定，效果也更加良好。世界各國的優(yōu)秀科技工 作者采用電子計算技術(shù)和 PID 控制算法，對工業(yè)生產(chǎn)過程控制進行了大量的仿真研究和試驗。并且成功的把仿真內(nèi)容準(zhǔn)確的應(yīng)用于實際中去，研制出了非常多成功的 PID 控制應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng) [8]。 本系統(tǒng)中，在小車出現(xiàn)偏差時由圖像采集模塊將信息傳給單片機，不進行立即調(diào)整，由 PID 程序?qū)ζ钸M行微分積分以及相應(yīng)的比例算法進行處理，再根據(jù)處理結(jié)果對小車進行調(diào)整?；魻杺鞲衅饕话阌苫魻栐痛配摻M成，當(dāng)霍爾元件和磁鋼相對運動時，就會產(chǎn)生脈沖信號，根據(jù)磁鋼和脈沖數(shù)量就可以計算轉(zhuǎn)速，進而求出車速。這樣使小車具有前進和后退的檢測功能，并用指示 燈顯示；記錄小車的行駛時間，實時計算小車的行駛速度，根據(jù)路況，調(diào)整速度。出現(xiàn)偏差，及時反饋控制模塊進行調(diào)整。 機械系統(tǒng) 本題目要求小車的機械系統(tǒng)穩(wěn)定、快速、靈活、簡單，因此采用前驅(qū)，后輪采用兩個萬向輪。小車上裝有電池、電機、電子器件等，使得電機負擔(dān)較重。為使小車能夠順利啟動，且運動平穩(wěn)，在直流電機和輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。 電源系統(tǒng) 采用 4節(jié)普通 干電池單電源供電，但 6V 的電壓太小，不同時給單片機與與電機供電。電機在運行過程中產(chǎn)生的反向電動勢可能會影響單片機的正常工作。所以決定獨 立供電，即單片機控制系統(tǒng)和光對管與電機分開供電。由于單片機為低功元件而可采用普通 電池（共 4節(jié)）供電，電機為大功耗器件因而單獨采用（ 900mAh）供電。 硬件總體設(shè)計如圖 5： 9 圖 5 總體結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)是基于 Freescsle 公司的 16位單片機的智能車控制系統(tǒng)，綜合了傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)。中央處理器采用 STC89C52，控制所有的外圍設(shè)備及傳感器系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。 信號采集模塊 為了防止因傳感器太少引起的誤動作，因而在車體前 段安裝了 5個紅外光對管（如圖 6），有效的減小了誤動作的發(fā)生，減小了小車沖出跑道的幾率。 圖 6 5路光對管 電源模塊 本模塊主要是對采集信號進行分析，同時控制電機起停、正反轉(zhuǎn)。，該模塊包括電源模塊，串口電平轉(zhuǎn)換模塊，以及 I/O 口擴展模塊。電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，串口電平轉(zhuǎn)換模塊可以將電腦與單片機串口相連從而實現(xiàn)程序的下反饋模塊 按鍵與顯示 驅(qū)動電機 轉(zhuǎn)向舵機 圖像采集模塊 單片機STC89C52 10 載以及串口打印 debug 調(diào)試功能。 I/O 擴展排針將單片機的管腳引出，可以實現(xiàn)靈活的擴展功能。 驅(qū)動模塊 本模塊主要是對單片機傳送過來的高低電平信號進行處理，控制電機 起停、正反轉(zhuǎn)。原理圖如圖 7： 圖 7 驅(qū)動模塊原理圖 總體設(shè)計 智能小車采用前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個電機驅(qū)動，調(diào)制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬向輪，起支撐的作用。將循跡光對管分別裝在車體下的左右。當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制左輪電機停止，車向左修正，當(dāng)車身下右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片 11 控制右輪電機停止，車向右修正。由于系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個模塊之間采用杜邦線連接。 預(yù)測控制算法 PID 控制已成為智能自動化控制的研究中最為活躍而又富有 成果的領(lǐng)域，從過去的傳統(tǒng)與現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展歷史來講 PID 控制研究與應(yīng)用已經(jīng)得到十分迅速地發(fā)展。 該小車采用 PID 算法鑲嵌到智能小車單片機程序中 。 用紅外光來采集道路圖像。 通過紅外光的場信號與行信號傳送給單片機的 ETC 模塊，利用中斷控制圖像采集，并將采集的 8位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口傳給單片機 [4]。 PID控制設(shè)計： 模糊邏輯整定控制器的表達式為 ( ) ( 1 ) ( )( ) ( 1 ) ( )( ) ( 1 ) ( )p p p pi i id d d dK k K k k KK k K k k KK k K k k K???? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ? ?? 其中， ( ), ( ), ( )p i dr k r k r k為校正速度量，其值隨校正次數(shù)增加而減小。為了簡單可以將它 們均設(shè)成常數(shù)。 ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )kp i diu k K k e k K k e i K k e k e k?? ? ? ? ?? 注意，這里求和式子不是全部的 PID控制器積分項，正常的應(yīng)該和采樣周期T相乘，為簡單起見，將變量 ()iKk中，上式同樣對 ()dKk進行處理。這樣可以推導(dǎo)出狀態(tài)方程為： ( 1) ( ) ( )x k x k e k+ = + （ 4） 這時，式中的控制量可以改寫成 = K ( ) ( )+ K ( ) ( )+ K ( ) [ ( ) ( 1 ) ]k p i du k e k k x k k e k e k （ 5） 設(shè)計 總體程序流程圖 如圖 8： （ 2） （ 3） 12 圖 8 程序流程圖 開始 光電開關(guān)掃描 右轉(zhuǎn) 前進 左邊掃描 右邊掃描 左轉(zhuǎn) 前面障礙物或偏差 霍爾傳感器測速或 PID 算法處理 調(diào)整后執(zhí)行循跡子程序 到達終點 系統(tǒng)初始化 N N N Y Y Y 前邊掃描 13 總程序 PID 控制算法程序： include include typedefunsignedcharuint8。 typedefunsignedintuint16。 typedefunsignedlongintuint32。 /**********函數(shù)聲明 ************/ voidPIDOutput()。 voidPIDOperation()。 /*****************************/ typedefstructPIDValue { uint32Ek_Uint32[3]。//差值保存，給定和反饋的差值 uint8EkFlag_Uint8[3]。//符號， 1 則對應(yīng)的為負數(shù)， 0 為對應(yīng)的為正數(shù) uint8KP_Uint8。 uint8KI_Uint8。 uint8KD_Uint8。 uint16Uk_Uint16。//上一時刻的控制電壓 uint16RK_Uint16。//設(shè)定值 uint16CK_Uint16。//實際值 }PIDValueStr。 PIDValueStrPID。 uint8out。//加熱輸出 uint8count。//輸出時間單位計數(shù)器 /********************************* PID=Uk+KP*[E(k)E(k1)]+KI*E(k)+KD*[E(k)2E(k1)+E(k2)]。(增量型 PID 算式 ) 函數(shù)入口 :RK(設(shè)定值 ),CK(實際值 ),KP,KI,KD 函數(shù)出口 :U(K) 14 //PID 運算函數(shù) ********************************/ voidPIDOperation(void) { uint32Temp[3]。//中間臨時變量 uint32PostSum。//正數(shù)和 uint32NegSum。//負數(shù)和 Temp[0]=0。 Temp[1]=0。 Temp[2]=0。 PostSum=0。 NegSum=0。 if()//設(shè)定值大于實際值否？ { if(10)//偏差大于 10 否？ { =100。}//偏差大于 10 為上限幅值輸出 (全速加熱 ) else { Temp[0]=。//偏差 =10,計算 E(k) [1]=0。//E(k)為正數(shù) //數(shù)值移位 [2]=[1]。 [1]=[0]。 [0]=Temp[0]。 /************