【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 積分電壓清零，第 18 個(gè)周期以后才開(kāi)始積分。中斷程序就是根據(jù)曝光時(shí)間的大小在適合的曝光點(diǎn)使 CCD 復(fù)位。下一個(gè) 20ms 到達(dá)后再重采樣數(shù)據(jù)，采集到數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的曝光時(shí)間就是系統(tǒng)輸出內(nèi)部復(fù)位序列到下一次采樣的時(shí)間。例如曝光時(shí)間為 7ms，則曝光點(diǎn)為 13ms。自適應(yīng)曝光程序有效解決了 CCD的曝光受光線影響問(wèn)題。 13 電機(jī) PI 算法調(diào)速程序設(shè)計(jì) PI 調(diào)節(jié)器 是在自動(dòng)控制中常常用到，該調(diào)節(jié)器主要作用是能快速進(jìn)行系統(tǒng)反映，并且能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，結(jié)合了比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)兩者的優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)用到了增量式 PI 調(diào)節(jié)器，其公式為 ? ? ? ? ? ? ? ??????? ????? keTTkekeKkuIP1，其中 KP為比例系數(shù)，KI為積分時(shí)間，輸出為位置增量。 軟件編寫(xiě)思路：進(jìn)入中斷后，通過(guò)正交解碼獲取的編碼器脈沖數(shù)和給定的速度的偏差，利用 PI 算法輸出 PWM 波控制電機(jī)，不斷的刷新，能在短時(shí)間內(nèi)控制電機(jī)速度達(dá)到預(yù)期設(shè)定的速度。 流程圖如圖 55 所示。 圖 55 電機(jī) PI調(diào)速算法程序框圖 舵機(jī) PD 算法轉(zhuǎn)向程序設(shè)計(jì) 小車轉(zhuǎn)向通過(guò)單片機(jī)輸出 PWM 波占空比控制舵機(jī)打角，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，使用邊緣檢測(cè)法檢測(cè)軌跡。將 CCD 傳感器取回的 128 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)閾值二值化后依次坐標(biāo)化為 0 至 127，由于白線為高電平（ 1），黑線為低電平（ 0），就可以得到左右邊界值。依據(jù)“中線位置＝（左邊位置＋右邊位置） /2”，就得到中線位置。根據(jù)中線位置與中間值 63 的偏差，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)于一側(cè)丟現(xiàn)情況（彎道）可以使用補(bǔ)線方法求中線位置，對(duì)于兩側(cè)都丟現(xiàn)（十字路口）可以采用保持上次中線位置值作為 本次中線位置值使用的方法。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向利用 PD 算法，其核心算法為 ? ? ? ? ? ?? ? ? ?keKkekeKku DP *1 ????? ，其中KP 為比例系數(shù)， KD 為微分系數(shù)。使用 PD 算法可用既能快速反映抑制偏差，又有偏差預(yù)見(jiàn)性，防止偏差的變大，程序流程圖如圖 56 所示。 圖 56 舵機(jī) PD轉(zhuǎn)向控制算法 五向按鍵掃描程序部分設(shè)計(jì) 使用了 AD 掃描按鍵，在 PIT 中斷中設(shè)置 4ms 的按鍵中斷，根據(jù)各按鍵的電壓不同，判斷當(dāng)前被按下的是什么鍵，利用 switch、 case 函數(shù)對(duì)不同的按鍵進(jìn)行相應(yīng)事 件 14 處理，比如在 OLED 屏幕上進(jìn)行檔位的調(diào)節(jié)， PID 參數(shù)的調(diào)節(jié)， CCD 曝光閾值的調(diào)節(jié)，具體程序流程圖如圖 57 所示。 圖 57 AD 按鍵事件處理程序框圖 終點(diǎn)停車程序的設(shè)計(jì) 因?yàn)榻K點(diǎn)線是 2 條間隔的黑線段，已經(jīng)計(jì)算過(guò)布局了 4 個(gè) ST188 模塊，無(wú)論什么情況，都會(huì)同時(shí)有 2 個(gè)檢測(cè)到黑線（高電平），因此在主程序中，不斷的檢測(cè)4 個(gè) ST188 光電對(duì)管所對(duì)應(yīng)的輸入電壓，一旦有 2 個(gè)引腳同時(shí)都是高電平，那么則判斷出檢測(cè)到了終點(diǎn)線，就把電機(jī)驅(qū)動(dòng)的使能角拉低，不使能。程序流程圖如圖 58 所示。 圖 58 終點(diǎn)停車程序框圖 6. 制作與調(diào)試 硬件部分組裝完畢后，接下來(lái)就是測(cè)試各個(gè)功能模塊能否正常工作。用 Jlink 仿真器給主板下載程序。 首先要測(cè)試 CCD 能否檢測(cè)跑道信息并在 OLED12864 上正常顯示出來(lái)，問(wèn)題就出來(lái)了， OLED 屏幕上顯示 CCD 的采樣數(shù)據(jù)在抖動(dòng)（很不穩(wěn)定） ,起先認(rèn)為是程序的采集問(wèn)題，但是參考了官方的歷程，程序采集沒(méi)問(wèn)題，最后還是從硬件開(kāi)始查問(wèn)題來(lái)源，用示波器開(kāi)始一番測(cè)試，把問(wèn)題鎖定在了 CCD 的 5V電源供電處， 5V電源的紋波很大，都達(dá)到了 500mv 左右，在 5V和 GND 之間加了濾波大電容還是不見(jiàn)成 效。詢問(wèn)了指導(dǎo)老師后，老師看了畫(huà)的原理圖，經(jīng)過(guò)一番分析，最后把問(wèn)題源頭指向了12V 升壓部分，因?yàn)槟抢镉玫搅?220uH 的電感，有一個(gè)高頻存在，直接導(dǎo)致了大紋波的存在，還跟 PCB 布線有一定的關(guān)系，由于高頻布線這方面不是很了解，在老師的建議下，使用了 DCDC 電源模塊， 5V轉(zhuǎn) 12V，已經(jīng)產(chǎn)品集成化，因此紋波會(huì)比較小。然后第二次做板，換了 DCDC 模塊，也有 80mv 左右的紋波， CCD 采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)別在 OLED 液晶屏上也存在略微跳動(dòng)，在老師的建議下，在 5V和 GND 間加了一個(gè)大電容濾波，問(wèn)題就基本解決了。采集到的 CCD 圖 像如圖 61 所示。 15 圖 61 CCD 采集的圖像信息 其次，需要驗(yàn)證 SD5 舵機(jī)能否正常轉(zhuǎn)向，舵機(jī)的工作原理就是內(nèi)部有一個(gè) 20ms周期， 50Hz 頻率的基準(zhǔn)脈沖，高電平在 區(qū)間正負(fù) 90 度轉(zhuǎn)動(dòng)，因此燒寫(xiě)了一個(gè)測(cè)試程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出一個(gè) 50Hz 的方波，按鍵改變占空比的大小，觀察舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，結(jié)果舵機(jī)工作正常。確定了舵機(jī)能正常工作后，軟件調(diào)整舵機(jī)平衡位置并固定好。 接下來(lái)就剩下電機(jī)功能的驗(yàn)證了，直流電機(jī)一般用 PWM 波調(diào)速，改變占空比的大小就能達(dá)到調(diào)速的效果了。改變占空比的大小一般用定頻調(diào)寬，因此單 片機(jī)輸出10k 頻率的 PWM 波，按鍵調(diào)節(jié)改變?cè)龃笳伎毡?，觀察電機(jī)能否加速，結(jié)果電機(jī)也能正常工作。 確定了各模塊都能正常工作后，最后就是系統(tǒng)整體的調(diào)試，為了減少程序下載時(shí)間，在另一片 OLED 上編寫(xiě)了一個(gè)調(diào)試界面，包括電池電壓， PID 參數(shù)， CCD 閾值，曝光時(shí)間，速度檔位設(shè)定等，可以直接通過(guò)五向按鍵在 OLED 界面上改變參數(shù)，無(wú)需電腦調(diào)試，方便快捷。調(diào)試界面如圖 62 所示。 圖 62 調(diào)試界面 PID 參數(shù)調(diào)試開(kāi)始時(shí)，大致設(shè)一個(gè)比例（ P）參數(shù)，從小到 大慢慢試，直到系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩為止，選取此時(shí) P 值的 60%70%為 P 參數(shù)，再開(kāi)始微調(diào)調(diào)積分參數(shù)（ I）和微分參數(shù) (D)，直到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定為止，由于電機(jī)的 P、 D 參數(shù)和舵機(jī)的 P、 I 參數(shù)是相互影響的，因此需要耐心調(diào)試才能使系統(tǒng)達(dá)到比較穩(wěn)定的效果，并且不同的不同的速度檔位各自的 PID 參數(shù)也是不同的。圖 62 調(diào)試界面的參數(shù)小車速度為 的各個(gè)參數(shù)。 小車在跑道上試跑過(guò)程中，存在這樣一個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)能穩(wěn)定跑的 PID 參數(shù)保存好后，一段時(shí)間后就又不能跑了，看了硬件也沒(méi)損壞，調(diào)試了半天也百思不得其解。后來(lái)看了 CCD 采集上來(lái)的圖像后，才知道原來(lái) CCD 鏡頭的前瞻改變了，因此確定了一個(gè)比較合適的前瞻后（ 60cm 距離，能準(zhǔn)確提取邊線且不失真），用熱熔膠把鏡頭和支架固定死，然后才開(kāi)始 PID 參數(shù)的調(diào)節(jié)，之后的調(diào)試沒(méi)有出現(xiàn)上訴問(wèn)題，前一天保存的參數(shù)，第二天還是能夠穩(wěn)定運(yùn)行。 16 在調(diào)試過(guò)程中，還出現(xiàn)了這樣一個(gè)問(wèn)題，由于電機(jī)速度快，小車有時(shí)沖出跑道后會(huì)側(cè)翻，直接導(dǎo)致舵機(jī)堵轉(zhuǎn)損壞和輪子磨損，很是損壞硬件。后來(lái)經(jīng)身邊同學(xué)提醒，可以在車頭前加一個(gè)防撞裝置，聽(tīng)取了同學(xué)的意見(jiàn)后，用廢棄的 pcb 板割了一個(gè)防撞裝置裝在車頭，防撞效果比較明顯。 經(jīng)過(guò)半 個(gè)多月的調(diào)試，基本能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。 7. 結(jié)論 本系統(tǒng)是設(shè)計(jì)一輛自動(dòng)循跡小車，跑道是 本系統(tǒng)場(chǎng)地是在一個(gè)白色地面上用黑色絕緣膠帶布置兩根邊線，兩根邊線內(nèi)是小車要行駛的道路。 以 MK60DN512VLQ10單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制模塊，利用 TSL1401 線性 CCD 采集的 128 個(gè)一維圖像（道路信息檢測(cè)），然后通過(guò) PD 算法輸出 PWM 波控制舵機(jī)帶動(dòng)小車前輪轉(zhuǎn)向，使小車行駛在預(yù)先架構(gòu)好的跑道中間，通過(guò) 500 線歐姆龍編碼器正交解碼后獲得計(jì)數(shù)值反饋給單片機(jī)通過(guò) PI 算法輸出 PWM 波控制小車電機(jī)調(diào)速。檢測(cè) 4 個(gè) ST188 模塊的輸 入引腳，有 2 個(gè)同時(shí)為高電平表示檢測(cè)到終點(diǎn)線（ 跟邊線垂直的黑線段 ），則控制小車停車。 在經(jīng)過(guò)軟件和硬件兩方面的綜合調(diào)試后，最后完成了本次設(shè)計(jì)要求，基本實(shí)現(xiàn)了小車的各項(xiàng)功能。本次設(shè)計(jì)積累的經(jīng)驗(yàn)相信會(huì)在今后的設(shè)計(jì)中帶給我很多的幫助和借鑒。 17 參考文獻(xiàn) [1] 趙永利 . 光電式自主循跡 小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 [D]. 四川 : 西南交通大學(xué)出版社 , 2021 [2] 胡海峰 , 史忠科 , 徐德文 . 智能汽車發(fā)展研究 [J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與研究 , 2021, (6), 20~23 [3] 付夢(mèng)印， 鄧志紅，劉彤 . 智能車輛導(dǎo)航技術(shù) [M]. 北京：科學(xué)出版社， 2021 [4] 鄧岳 . 基于 MC9S12DG128 單片機(jī)智能車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 微型電腦應(yīng)用 , 2021,24(1),67~69 [5] 王諦 , 高久淳 , 姚培 . 循跡智能車系統(tǒng)中光電傳感器的應(yīng)用 [J]. 應(yīng)用科學(xué) , 2021, (11): 106 [6] 趙萬(wàn)欣，陳思屹 . 基于 TSL1401線性 CCD的智能巡線小車 [J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2021， 27(2)， 121~122 [7] Wang X Q, Lan M J, Zheng Z H. Design and Implementation of OLED Drivers Based on Windows CE[J]. Microputer amp。 Its Applications, 2021, (20): 17~20 [8] 張鵬飛，齊曉慧 . 基于 N 溝道 MOS 管 H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與制 作 [J]. 科技信息， 2021， （ 20） ， 147~149 [9] 雷永鋒，劉勇，黃喜恒 . 基于線性 CCD的智能循跡小車設(shè)計(jì) [J]. 科技視界， 2021， (21)， 34~35 [10] 王超藝 . 基于 CortexM4 內(nèi)核的 Kiis 微控制器的應(yīng)用研究 [D]. 江蘇：蘇州大學(xué)， 2021 [11] 王明順，沈謀全 . 基于 TPS7350 的智能車電源設(shè)計(jì) [J]. 電子產(chǎn)品世界， 2021， (24)， 75~78 [12] 蘭羽 . 基于紅外傳感器 ST188 的自動(dòng)循跡小車設(shè)計(jì) [J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2021， 21(3)， 64~66 [13] 谷海壽，顏湘武，曲偉 . 正交解碼電路和捕獲單元在轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用 [J]. 電氣應(yīng)用， 2021,24(1)， 112~115 [14] MATU(S)U R. Calculation of all stabilizing PI and PID controllers[J]. International Journal of Mathematics and Computers in Simulation, 2021, (03): 224~231 [15] 董杰君，朱煦，劉思淼， 潘雯鈺 . 基于線性 CCD 光電智能車的路徑識(shí)別方法 [J]. 數(shù)字化用 18 戶， 2021， (24)， 89~90 謝 辭 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我大學(xué)四年的最后一個(gè)設(shè)計(jì)制作，也可以說(shuō)是成果展示。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠圓滿成功，首先我要感謝在理論和技術(shù)上支持和指導(dǎo)我的王韜老師，是他孜孜不倦的指導(dǎo)，使我的實(shí)物不斷的完善，最后能順利完成各項(xiàng)功能，還有對(duì)我畢業(yè)論文一次又一次的修改，才有這篇論文的的定稿。其次我要感謝身邊同學(xué)默默的幫助支持，有幾次當(dāng)調(diào)試遇到瓶頸想要放棄時(shí)，是他們開(kāi)導(dǎo)我要勇于面對(duì)，并且和我一起想解決的辦法。最 后我還要感謝我的母校臺(tái)州學(xué)院給了我學(xué)習(xí)和實(shí)踐的平臺(tái)，讓我在大學(xué)四年中沒(méi)有虛度光陰，使我可以充分地利用實(shí)驗(yàn)室和圖書(shū)館的軟硬件資源，充分提高自己的各項(xiàng)能力，為以后走出校園，踏上社會(huì)打下良好的基礎(chǔ)。 19 附 件 附件 1：小車整體實(shí)物圖 附件 2：小車主板原理圖 附件 3：小車主板 PCB 附件 4：元器件清單 器件類別 型號(hào)參數(shù) 數(shù)量 單片機(jī) MK