【文章內(nèi)容簡介】 來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。大獎賽中使用的舵機(jī)也是用PWM來控制的。PWM信號的周期大于某一閾值后可驅(qū)動舵機(jī)工作，保持周期、調(diào)節(jié)PWM的占空比即可調(diào)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。在沒有電機(jī)、舵機(jī)的具體參數(shù)的情況下，可寫一個可調(diào)周期、占空比的PWM輸出程序進(jìn)行測試。 開發(fā)軟件簡介 for HCS12軟件。該軟件包括集成開發(fā)環(huán)境IDE，處理器專家?guī)臁⑷酒抡?、可視化參?shù)顯示工具、項目管理器、C交叉編譯器、匯編器、連接器及調(diào)試器等（hunter_xiaobao，2012）。在CodeWarrior 軟件中可以使用匯編語言或C 語言，以及兩種語言的混合模式。Corewarrior IDE是Metrowerks為其DSP和微處理芯片所推出的專用可視化集成開發(fā)環(huán)境，功能強(qiáng)大，除了能編譯代碼外還具有芯片仿真等功能。 BDM調(diào)試器的使用 Hiwave初始化參數(shù)設(shè)置(1)，雙擊它即可打開調(diào)試軟件。Hiwave程序啟動如圖12所示。圖12 程序啟動界面(2)安裝BDM for S12(TBDML)的驅(qū)動程序。將BDM調(diào)試器與計算機(jī)相連，此時系統(tǒng)會提示安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序，選擇配套光盤目錄下2TBDML DLL Driver文件夾下的bin_tbdml_win_driver_11文件夾即可完成驅(qū)動的安裝。在右下角命令窗口中輸入set gdi命令，同樣要添加光盤2TBDML DLL Driver文件夾下的bin_tbdml_gdi_dll_11文件，添加完確認(rèn)后會提示設(shè)置相關(guān)參數(shù)，(M)。然后選擇OK，設(shè)置完成該項參數(shù)。(3)選擇BDM接口標(biāo)準(zhǔn)，如圖14所示，【Component】菜單中【Set Target…】選項。(4)安裝選擇目標(biāo)板S12單片機(jī)型號。將BDM與單片機(jī)連接，回車確認(rèn)后有提示選擇相應(yīng)型號的單片機(jī)，在此選擇MC9S12XS128，單擊[OK]。也可以通過單擊【TBDML HCS12】菜單的【Select Derivative】實現(xiàn)。如圖15所示。至此完成了所有基本參數(shù)的設(shè)置。圖13 Hiwave調(diào)試環(huán)境設(shè)置圖14 Hiwave選擇BDM接口標(biāo)準(zhǔn)圖15 選擇目標(biāo)單片機(jī)型號 程序下載BDM連接成功之后，就可以向單片機(jī)下載程序了。下載程序之前必須通過Hiwave對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，否則會使Flash擦除不成功，甚至導(dǎo)致Flash保護(hù)等錯誤。復(fù)位可以通過選擇TBDML HCS12|Reset菜單命令或者單擊工具欄的快捷圖標(biāo)來實現(xiàn)。復(fù)位后單片機(jī)程序停止運(yùn)行，選擇TBDML HCS12菜單中Flash…命令打開如圖16所示內(nèi)存擦寫窗口，先選中后三行內(nèi)存進(jìn)行擦除(Erase)，擦除之后下載(Load)新程序即可。單擊Make后如無錯誤，可單擊Debug，出現(xiàn)對話框單擊OK進(jìn)行下載，出現(xiàn)如圖17和圖16所示，下載成功。圖16 程序擦寫窗口圖17 Debug操作執(zhí)行成功圖18 Unsecure操作成功 程序調(diào)試Hiwave 具有豐富的調(diào)試功能，在本車的調(diào)試過程中配合電視機(jī)的使用幾乎不需要使用別的上位機(jī)軟件?，F(xiàn)對其各窗口功能作簡單介紹如下。 Source：查看所下載的代碼，并具有設(shè)置斷點，單步調(diào)試等功能。二者相互結(jié)合能很快的找出程序里的BUG。 Data1：顯示程序中的靜態(tài)變量。在對攝像頭的調(diào)試中，能查看所有采集點的對應(yīng)數(shù)值，從而找出對應(yīng)的黑線位置。 Assembly：顯示匯編代碼。 Registers：顯示當(dāng)前寄存器的值。 Memory：顯示內(nèi)存數(shù)值。 Command：命令行，具體的命令可以鍵入help查看。4 功能模塊的設(shè)計原理與流程圖本文的控制方案是根據(jù)路徑識別模塊和車速檢測模塊所獲得的當(dāng)前路徑和車速信息，控制舵機(jī)和直流驅(qū)動電機(jī)動作，從而調(diào)整智能車的行駛方向和速度。在主循環(huán)體中通過調(diào)用位置識別和控制策略程序，及時地調(diào)整舵機(jī)以及后輪驅(qū)動的輸出，最終達(dá)到使小車中心沿著黑線行走的目的。主程序和中斷子程序框圖分別如圖19所示和圖20所示。系統(tǒng)初始化檢測道路信息計算智能車位置智能車速度控制智能車方向控制輸出開始圖19 程序框圖中斷開始 保護(hù)現(xiàn)場采樣濾波是否有效？儲存數(shù)據(jù)重置標(biāo)志位恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回否是圖20 定時器采樣中斷 路徑識別模塊由于本文側(cè)重于直流電機(jī)和舵機(jī)的控制系統(tǒng)，所以對于路徑識別模塊就做簡單的介紹，使用的是CMOS動態(tài)攝像頭OV5116。如圖21所示。圖21 0V5116攝像頭為了能使小車循線，就必須及時地將當(dāng)前賽道信息的變化提供給控制算法部分，才能調(diào)整小車的狀態(tài)?？梢哉f道路識別模塊相當(dāng)于小車的眼睛。該模塊的功能是準(zhǔn)確的計算出黑線與小車中心的相對位置。本文采用的采集圖像策略是跟蹤算法。由于黑線是連續(xù)的，因此當(dāng)前行和上一行的變化不會很大，只會相差幾個點（周斌，等，2010）。利用這個原理，在第一次搜索左右兩邊的黑線時，使用全掃描，從左邊第一個像素點到右邊最后一個像素點，分別記錄兩邊黑線內(nèi)側(cè)的位置。第二次開始搜索時，就不全掃描了，在上一行的兩個基點位置，對本行的黑線進(jìn)行搜索，往外搜3個點(搜索范圍越小，抗干擾性越高，但容易丟失，所以搜索范圍要適當(dāng))。將搜索到的左右兩邊黑線的中心位置相加再除以二，得到虛擬中心黑線的位置。由于一場有許多行(本文設(shè)定采取了120行)，全部用上，單片機(jī)會處理不過來，所以本文選取了遠(yuǎn)場的8行，然后對這8行的虛擬中心點進(jìn)行平均計算，得到的數(shù)值便是該場的虛擬黑線中心的位置，舵機(jī)和電機(jī)根據(jù)這個值與目標(biāo)中心值進(jìn)行比較，小車根據(jù)這個偏差來做下一步的調(diào)整。 PID控制算法介紹在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)本文不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差。將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID控制器，原理框圖如圖 22 所示。 c(t) u(t)+++ + e(t) r(t)比例積分微分被控對象圖22 PID控制器原圖框圖 () ()式中，K為采樣序號，k = 0，1，2；r(k)為第 k 次給定值；c(k)為第 k 次實際輸出值；u(k)為第 k 次輸出控制量；e(k)為第 k 次偏差；(k1)為第 k1 次偏差；KP為比例系數(shù)；I為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；J為采樣周期。PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在該偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。數(shù)字 PID 控制算法通常分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 位置式PID控制算法位置式 PID 中，由于計算機(jī)輸出的 u (k) 直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門)，u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如閥門開度)是一一對應(yīng)的，所以通常稱公式()為位置式 PID 控制算法。在實際代碼實現(xiàn)算法時，處理成一下形式： ()位置式 PID 控制算法的缺點是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)， 計算時要對過去 e(k)進(jìn)行累加，計算機(jī)工作量大；而且因為計算機(jī)輸出的 u(k)對應(yīng)的是 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置，如計算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大 幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。因而產(chǎn)生了增量式 PID 控制的控制算法，所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△u(k)。 增量式PID控制算法對位置式加以變換，可以得到PID算法的另一種實現(xiàn)形式(增量式)： ()在實際代碼實現(xiàn)時，處理成： ()增量式 PID 具有以下優(yōu)點：(1)由于計算機(jī)輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法關(guān)掉。 (2)手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當(dāng)計算機(jī)發(fā)生故障時， 由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能保持原值。 (3) 算式中不需要累加?？刂圃隽俊鱱(k)的確定僅與最近 k 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。但增量式 PID 也有其不足之處：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。使用時，常選擇帶死區(qū)、積分分離等改進(jìn) PID 控制算法。 PID參數(shù)整定運(yùn)用 PID 控制的關(guān)鍵是調(diào)整 KP、KI、KD 三個參數(shù)，即參數(shù)整定。PID 參數(shù)的整定方法有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。由于智能車系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布式系統(tǒng)，并且要考慮賽道的具體環(huán)境，要建立精確的智能車運(yùn)動控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且對車身機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進(jìn)行修正，模型參數(shù)變化較為頻繁，理論計算整定法可操作性不強(qiáng)，最終本文采用了工程整定方法。此外，本文先后實驗了幾種動態(tài)改變 PID 參數(shù)的控制方法。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制對舵機(jī)的閉環(huán)控制，一開始是選擇恒定P參數(shù)對小車進(jìn)行控制，小車在跑動過程中，在直線上左右抖動很嚴(yán)重，彎道轉(zhuǎn)向不足等問題。所以本文對P參數(shù)進(jìn)行了非線性處理，即非線性PD控制算法，其策略如下：(1) 將積分項系數(shù)置零，相比穩(wěn)定性和精確性，舵機(jī)在這種隨動系統(tǒng)中對動態(tài)響應(yīng)性能的要求更高。更重要的是，在 KI 置零的情況下，通過合理調(diào)節(jié) Kp，發(fā)現(xiàn)車能夠在直線高速行駛時仍能保持車身非常穩(wěn)定，沒有震蕩，基本沒有必要使用 KI參數(shù)；(2) 微分項系數(shù) KD 使用定值，原因是舵機(jī)在一般賽道中都需要較好的動態(tài)響應(yīng)能力； (3) 對 Kp，本文使用了二次函數(shù)曲線，Kp 隨黑線位置與中心值的偏差呈二次函數(shù)關(guān) 系增大，在程序中具體代碼如下： ()其中iError是黑線位置與中心值的偏差。圖23黑線位置與動態(tài)Kp的二次函數(shù)曲線圖經(jīng)不斷調(diào)試，最終選擇了一組 PID 參數(shù)，得到了較為理想的轉(zhuǎn)向控制效果。 速度的閉環(huán)控制 閉環(huán)速度控制賽車在賽道上隨不同賽道情況負(fù)載隨時變化，如果單純地給定固定的PWM占空比進(jìn)行開環(huán)控制，系統(tǒng)響應(yīng)時間長，因此使用開環(huán)控制調(diào)速效果較差。（孫同景，2008）由于硬件上安裝了車速傳感器(歐姆龍200線編碼器)，通過單片機(jī)脈沖累加模塊可以計算出賽車當(dāng)前的車速，然后使用PID閉環(huán)控制，可以及時快速地調(diào)節(jié)車速達(dá)到預(yù)定值。從BangBang控制理論出發(fā)，為達(dá)到最快的速度響應(yīng)，本文對速度閉環(huán)控制可以采取如下控制策略，當(dāng)速度低于設(shè)定值時，電機(jī)以最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)速度超過設(shè)定值，電機(jī)停轉(zhuǎn)，即： ()通過實際測試發(fā)現(xiàn)，由于控制周期不可能足夠短，并且電機(jī)延遲較大，該方式實際效果不佳，賽車速度時快時慢，極不穩(wěn)定。本文對控制模型進(jìn)行改進(jìn)，在大誤差下使用BangBang控制，在速度接近設(shè)定值時，切換為PID控制。 ()使用BangBang控制結(jié)合PID，賽車速度能被準(zhǔn)確地控制在設(shè)定速度上，時間響應(yīng)快。 驅(qū)動電機(jī)的PID控制算法當(dāng)速度接近設(shè)定值時，采用了增量式 PID 控制算法，基本思想是直道加速，彎道減速。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，將每場圖像得到的黑線位置與速度 PID 參考速度值構(gòu)成二次曲線關(guān)系。在實際測試中，發(fā)現(xiàn)小車直道和彎道相互過渡時加減速比較靈敏，與舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制配合得較好。但是，該方法存在一定的局限。一方面是車在從彎道入直道時加速和從直道入彎道 時減速達(dá)不到最好的控制效果，彎道入直道減速不夠快速，直道入彎道加速的時機(jī)不夠及時。因此本文做了進(jìn)一步的改進(jìn)，根據(jù)入彎時黑線位置的特點動態(tài)改變二次曲線中最高點(直道的最高速度)和最低點(彎道的最低速度)的大小，結(jié)果表明，控制效果更好。另一方面是沒有考慮到實際比賽中長直道急速沖刺的情況，賽前在程序中人為設(shè)定直線速度不夠靈活不夠合理，所以在程序中根據(jù)賽道狀態(tài)動態(tài)提高了直線速度，使車能夠在長直道上充分發(fā)揮潛能。圖24 黑線位置和給定速度的二次函數(shù)曲線 剎車功能的實現(xiàn)理想的賽車速度控制應(yīng)當(dāng)是直道上賽車以極限速度全速運(yùn)行，在入彎的瞬間將速度降至通過該彎道安全車速，出彎后立即以極限速度運(yùn)行。為了盡量提高直道上的車速并保持入彎后車速足夠安全，賽車必須能在最短時間內(nèi)剎車。在現(xiàn)有的硬件上實現(xiàn)剎車有三種方法：(1)使用機(jī)械結(jié)構(gòu)剎車。在賽車左右后輪分別安裝一個伺服電機(jī)，控制剎車片抱死后輪，以達(dá)到剎車的功能，和實際車輛的剎車原理相似。使用該方法需要增加兩個伺服電機(jī)，如果左右剎車量不一致，賽車就會發(fā)生偏移，所以需要對左右輪車速進(jìn)行分別測試，并結(jié)合賽車轉(zhuǎn)向情況綜合計算，系統(tǒng)較為復(fù)雜，難以實現(xiàn)。(2)暫停驅(qū)動電路輸出。本方式為常用的剎車功能，具體操作可以斷開驅(qū)動電路或給電機(jī)0占空比實現(xiàn)，實際效果是使賽車向前滑行，依靠輪胎與地面的摩擦力減速，但由于剎車距離較長，高速運(yùn)行的賽車需要相當(dāng)長的一段滑行