【文章內(nèi)容簡介】 光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu) 光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的精度和分辨率，取決于刻線數(shù)。目前，108 rad的碼盤，其精度達1108，比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個數(shù)量級。如進一步采用光學(xué)分解技術(shù)，可獲得更多位的光電編碼器。光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動方式可分為直線型的線性編碼器和轉(zhuǎn)角型的軸角編碼器兩種類型，按脈沖信號的性質(zhì)可分為有增量式和絕對式兩種類型。增量式編碼器碼盤圖案和光脈沖信號均勻，可將任意位置為基準點，從該點開始按一定量化單位檢測。該方案無確定的對應(yīng)測量點，一旦停電則失掉當(dāng)前位置，且速度不可超越計數(shù)器極限相應(yīng)速度，此外由于噪聲影響可能造成計數(shù)積累誤差。該方案的優(yōu)點是其零點可任意預(yù)置，且測量速度僅受計數(shù)器容量限制。 絕對式編碼器的碼盤圖案不均勻，編碼器的碼盤與碼道位數(shù)相等，在相應(yīng)位置可輸出對應(yīng)的數(shù)字碼。其優(yōu)點是坐標固定，與測量以前狀態(tài)無關(guān)，抗干擾能力強，無累積誤差，具有斷電位置保持，不讀數(shù)時移動速度可超越極限相應(yīng)速度，不需方向判別和可逆計數(shù)，信號并行傳送等；其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高。要想提高光電編碼器的分辨率，需要提高碼道數(shù)目或者使用減速齒輪機構(gòu)組成雙碼盤機構(gòu)，將任意位置取作零位時需進行一定的運算。 為使整個控制形成閉環(huán)，當(dāng)前速度反饋是必須的。為了測出當(dāng)前速度，我們用了一個羅特利科技有限公司的編碼器。該編碼器為200P/R，供電電壓可從5V 到 12V，共引出3 跟線，應(yīng)用時，棕色、藍色分別是電源正極、負極，而黑色接到單片機的一路輸入捕捉的管腳PT7。 首先用熱熔膠初步固定住編碼器，使編碼器和電機的齒輪咬合得恰到好處，： 編碼盤的安裝三 硬件電路設(shè)計 電機驅(qū)動模塊的設(shè)計 電機采用H橋驅(qū)動，市場上有許多集成的電機驅(qū)動芯片，還可以自己用分立的MOS管達H橋。 由于用分立的MOS管自己做驅(qū)動電路相對復(fù)雜，可靠性會下降，容易出現(xiàn)問題。選用freescale公司的MC33886電機驅(qū)動集成芯片，驅(qū)動電流僅為5A左右，由于本屆車模采用四驅(qū)，電流較大。也可以采用兩片MC33886并聯(lián)，但容易出現(xiàn)一個發(fā)燙另一個不發(fā)燙的情況。所以最終選用了英飛凌公司的半橋集成芯片BTS7960。BTS7960可以達到43A的電流，而且內(nèi)阻較小，效率非常高，其中邏輯電路已經(jīng)集成其中，使得驅(qū)動控制十分簡單。 電機驅(qū)動與MCU之間通常需要進行光耦隔離，不然容易燒掉MCU，但光耦體積較大，采用74HC224進行簡單的隔離。 電機（速度控制）： 電機控制方程 采用了增量式PID 來控制速度，增量型算法與位置型算法相比，具有以下優(yōu)點：增量型算法不需要做累加，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，計算精度對控制量的計算影響較小，而位置型算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大；采用增量型算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。在實際應(yīng)用中，采樣的反饋值，即為脈沖累加器中的PACNT中的脈沖數(shù)，預(yù)設(shè)門限值在參數(shù)整定時根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)，輸出值并不能直接用來控制電機，需要將其轉(zhuǎn)換為控制PWM 占空比，然后用增大或減小PWM占空比的方法來實現(xiàn)對電機的加減速的控制。換句話說，在求偏差量時，實際上用的是每10ms 電機轉(zhuǎn)過的齒輪數(shù)和實際期望電機轉(zhuǎn)過的齒輪數(shù)，通過二者的差值，再乘以相應(yīng)的系數(shù)，即KP、KI、KD 的協(xié)調(diào)控制，計算出相應(yīng)的PWM 占空比，實際上用的是PWMDTY的值。增量式PID的推導(dǎo)過程如下：假設(shè)計算機控制系統(tǒng)的采樣周期為T，則在t=iT時刻的控制量可由下式來近似：若T足夠小則這種“近似”相當(dāng)準確，與連續(xù)控制過程比較接近故稱為“準連續(xù)控制”。由于ui表征了執(zhí)行機構(gòu)的位置,故又稱為位置式PID控制算法。兩式相減：典型階躍響應(yīng)：實際速度 vs 指定速度 注釋： 超調(diào)：Mp；峰值時間：tp；滯后時間：td；上升時間：tr； 舵機驅(qū)動電路 舵機的轉(zhuǎn)向模塊是賽車上的重要模塊，賽車靈巧的轉(zhuǎn)向是其能快速過彎的保證，所以如何加快舵機的響應(yīng)速度是進行舵機改造時要考慮的關(guān)鍵問題。舵機的控制方法——三線連接法：?? 黑線：地線?? 紅線：電源線（）?? 白線：信號線（PWM 信號） 當(dāng)單片機信號是 1 ms 正脈沖時， 舵機轉(zhuǎn)向60 度位置 正脈沖時， 舵機轉(zhuǎn)向度0 度位置 當(dāng)單片機信號是 2 ms 正脈沖時， 舵機轉(zhuǎn)向+60 度位置 舵機驅(qū)動電路比較簡單，電源口接有電源模塊提供的6V 電壓，信號口接單片機的PWM 口。 伺服馬達內(nèi)部包括了一個小型直流馬達；一組變速齒輪組；一個反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流馬達提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低。 伺服馬達是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，： 減速齒輪組由馬達驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服馬達精確定位的目的。 舵機的控制 標準的微型伺服馬達有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達及控制線路所需的電能，—6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達在瞬間堵轉(zhuǎn)時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms—2ms之間，而低電平時間應(yīng)在5ms到20ms之間，并不很嚴格，： 舵機 轉(zhuǎn)角和控制信號的關(guān)系 ，舵機的轉(zhuǎn)向是由PWM(Pulse Width Modulation 脈沖寬度調(diào)制) 技術(shù)來進行實時控制的。其工作過程是：微控制器首先對光電接收管采集回來的信號進行處理，然后根據(jù)得到的不同的檢測信號發(fā)出不同占空比的PWM控制信號給舵機，舵機在控制信號的作用下轉(zhuǎn)動一定角度。脈沖寬度和舵機轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，其計算公式為：其中，為舵機轉(zhuǎn)角，單位是度；L是脈沖寬度，單位是 ms 。 四 系統(tǒng)軟件設(shè)計在智能車控制系統(tǒng)光電管方案的軟件設(shè)計中，程序的主流程是：先完成單片機初始化（包括I/O模塊、PWM模塊、計時器模塊、定時中斷模塊初始化）之后，通過無限循環(huán)語句不斷地重復(fù)執(zhí)行路徑檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序、舵機輸出及驅(qū)動電機輸出程序。其中，定時中斷用于檢測小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號。 。 路徑識別包括對傳感器的控制以及接受信號的處理。對傳感器的控制就是對激光發(fā)射管的掃描發(fā)射，對接受信號的處理包括激光接收管的信號采樣，對采樣結(jié)果的分析與判斷。我們利用PIT 定時中斷，中斷處理中主要是對當(dāng)前通道進行AD 采樣并保存采樣結(jié)果，然后選定下一個通道。選通方式是間隔選通以避免相互干擾。當(dāng)9 個激光管全部掃描完成之后，掃描完成標志位便會置位。掃描完成標志位置以后便會有激光數(shù)據(jù)處理與位置判斷函數(shù)的運行。函數(shù)根據(jù)檢測到黑線點數(shù)不同的情況作出不同的處理，并以上次的位置作為參考判斷本次數(shù)據(jù)是否有效。具體來說，每個光點對應(yīng)一個位置。將采樣回來的9 個數(shù)據(jù)分別與閾值比較，小于閾值，便認為是黑線，記下檢測到黑線的光點個數(shù)。我們對每個光點所對應(yīng)的位置也編號為1—9。當(dāng)沒檢測到黑線時就保持上一次的位置。當(dāng)只有一個光點看到黑線時，將這個位置與前一次的比較，如果前后兩次，位置相差3個，就認為這次的位置是個突變不可信，繼續(xù)保持上一次的位置。但是當(dāng)該突變連續(xù)發(fā)生多次的時候，我們就承認這個突變的位置是正確的。當(dāng)有兩個光點看到黑線時，我們就在限定范圍內(nèi)判斷這兩個點，哪個與上一次的比較接近，就以這個點作為當(dāng)前位置。當(dāng)出現(xiàn)3 個或4 個光點看到黑線的情況時，我們對其直接忽略掉。因為賽道上一般不會有這種情況。對上文提到的閾值，由于我們的激光管反射回來的信號經(jīng)過運放后輸入到單片機AD 口。我們使用的運放特性是在信號小于5mV,運放對信號不放大，而對大于5mV的信號放大幾百倍。同時，運放放大的是差模信號，激光管對光線的適應(yīng)能力很強。所以，對我們來說，閾值的設(shè)定可以相當(dāng)簡單，只要開機后為每個激光管設(shè)定一次閾值后，以后的道路基本都能適應(yīng)。由于本次大賽，賽道首次采用藍色底案，對于紅外來說，藍色就相當(dāng)于黑線，但對于我們所選用的激光管來說，藍色底案與賽道白板基本沒區(qū)別，打在藍色底案上返回回來的信號同樣很強而被認為是白板。 根據(jù)激光器檢測到得信號，可以判斷黑線位于車的那個方向，進而調(diào)整舵機，怎么將其采到的信號量化為車體偏移量。應(yīng)用散轉(zhuǎn)的算法，避免一些復(fù)雜的計算。 激光得到的信號偏移的量化值ReVal000000001100000001020000001003000001000400001000050001000006001000000701000000081000000009其中5為期望值（Mid）。 傳感器“一”字形排列 傳感器在賽道上可能的狀態(tài)有：在普通的賽道處、在起點處、在十字交叉線處，分別如下圖（并未列出所有的狀態(tài)圖），下面將分別進行分析。 激光傳感器在普通賽道上 激光傳器在起點處 激光傳感器在十字交叉線處 轉(zhuǎn)向舵機算法：調(diào)整舵機的原則是：小車處于直道時，擺正舵機。小車處于彎道的曲率越大，則舵機轉(zhuǎn)角越大。除此之外，小車還會遇到黑色交叉線的特殊情況，對此，本系統(tǒng)將保持小車原有的方向與速度，使小車不受交叉線的干擾。如果小車轉(zhuǎn)過的彎過大，則可能使前排光電管全部偏離黑色軌跡，從而沒有一個光電管檢測到黑線，故應(yīng)使舵機保持原角度，讓小車急轉(zhuǎn)駛回正道。同時，將速度適當(dāng)降低，防止小車沖出軌跡。 前輪舵機打角控PD制程序設(shè)計對于打角，我們的整體思路是這樣的：先算出上面舵機值與中心值的偏差，將這個偏差量加上當(dāng)前光點所在黑線擺頭舵機的步進量并乘以分段的系數(shù)作為打角的P 項。同時，我們根據(jù)前一時刻的這個量來確定打角的D 項，D 項沒有分段，這樣能更好的適應(yīng)賽道的動態(tài)變化，D項的編寫我們采用了循環(huán)隊列的思想，從而每次運算比隊列的方法節(jié)約了很多時間。我們也嘗試過加入打角I項，這樣可以彌補分段P 的帶來的缺陷：沿線不好，但是經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，在沒有很遠的前瞻量時加入I項反而會使小車行駛不穩(wěn)定，因為打角舵機延時比較大，相當(dāng)于舵機這個環(huán)節(jié)有了比較大的I項。對于這種打角方式，如果P 和D的系數(shù)選擇的合理，那么，前輪舵機就會在連續(xù)的小彎道上走近似直線，而在單側(cè)大彎道上提前打角，切著內(nèi)道走。傳感器輸出模擬量的情況下檢測的位置連續(xù)性較好，因此不再需要不完全微分的PD控制，用一般形式的位置微分控制即可達到很好的效果。由于比例帶過小造成小車振蕩時，適當(dāng)增加微分控制；振蕩頻率較高時則應(yīng)該減小微分控制，因為此時D控制量過大。此外，加大微分控制可以避免小車的速度影響舵機在拐彎處的拐角，使小車穩(wěn)定性和跟隨性變好，防止沖出賽道。通過測量值減去期望值來表示偏移量，Err= ReValMid。偏差乘以一個Kp得到舵機的PWM控制信號的脈沖寬度的改變量。；為了使得轉(zhuǎn)向根據(jù)有靈活性和適應(yīng)性，Kp的取值不是定值，進行分段處理。Abs（Err）Kp0344575710 電機控制算法因為小車比賽的賽道是未知的，彎道的分布情況也不能確定，小車可能頻繁地進出彎道，不停地調(diào)整速度來適應(yīng)不同軌跡。所以，需要對智能車的速度進行閉環(huán)控制，使得小車的速度能夠頻繁地變化，且能在很短的時間內(nèi)由當(dāng)前速度轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕霓D(zhuǎn)速?；谶@幾點的考慮，可以考慮利用MC9S12XS128單片機的模糊指令集。 流程圖如圖所示： PID參數(shù)調(diào)節(jié)Type of controllerKpTiTdP0PI0PID上升時間超調(diào)調(diào)節(jié)時間靜態(tài)誤差Kp減小增加變化不大減小Ki減小增加增加消除Kd變化不大減小減小變化不大五 總結(jié)本設(shè)計介紹了為實現(xiàn)智能汽車而準備的智能車系統(tǒng)方案。涉及激光傳感器循跡方法，傳感器隨動舵機轉(zhuǎn)向控制策略，前輪舵機打角控制策略以及速度控制算法集實現(xiàn)。分析整個車模系統(tǒng)，車模硬件及軟件上都有許多改進與創(chuàng)新。系統(tǒng)上主要有以下特色：1）采用激光管作為循跡傳感器，激光前瞻約有60 厘米，大的前瞻有利于速度的提高。2）以激光光點在賽道上的返回信息和隨動舵機的角度綜合作為路況信息。這種賽道信息獲取方式有很大的靈活性，使我們對打角和速度控制