【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(kāi)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(kāi)發(fā)效率。本系統(tǒng)程序代碼使用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)?？刂葡到y(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河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)１７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。首先繪制出系統(tǒng)軟件流程圖，如圖 31 所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)初始化定時(shí)器中斷使能 開(kāi)始開(kāi)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 NY河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)１８圖 31 軟件流程圖 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。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)１９ TC1=TCNT+4000。 TFLG1_C1F=1。 flag=1。 } for(i=11。i14。i++) sum+=percent[i]。 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(kāi)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(kāi)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)樾≤囂幱趶澋篮椭钡赖霓D(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河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)２０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(méi)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。 //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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)２１ dif1=abs(distance)error1[error1num1]。 for(j=error1num1。j0。j) error1[j]=error1[j1]。 error1[0]=abs(distance)。 } 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，間隔一定時(shí)間讀取 PACN10 的值，由于是一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，所以可以看成是電機(jī)速度。給定量是根據(jù)當(dāng)前傳感器的檢測(cè)到黑線的位置給出的，我們選擇了模糊推理給定，該模糊控制器是一個(gè)兩輸入，一輸出。輸入黑線位置和黑線位置的變化率，通過(guò)模糊推理輸出一個(gè)當(dāng)前所需的速度量。在通過(guò)一個(gè)增量式 PID 調(diào)節(jié)器使電機(jī)的實(shí)際速度盡可能快的接近給定速度。 模糊控制設(shè)定速度因?yàn)閺澋赖姆植记闆r也不能確定，小車可能頻繁的進(jìn)出彎道，不停的調(diào)整速度來(lái)適應(yīng)不同軌跡。這樣就難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，且賽車對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高，考慮到該款單片機(jī)有一套特色指令—模糊控制指令，執(zhí)行時(shí)間只有幾十us級(jí)（時(shí)鐘頻率為25M） ，不會(huì)影響決策周期，且簡(jiǎn)單易行，而模糊控制具有處理不明確信號(hào)的能力，故最終選定采用模糊控制設(shè)定速度：(1)模糊輸入輸出量的選取賽車模糊控制器采用二維模糊控制器，輸入變量 E、△E 分別選為黑線位置 distance 及其變化率 diff，輸出變量 U 選為賽車的速度設(shè)定值Vi_Ref。(2) 隸屬函數(shù)的確定MC9S12DG128B 的隸屬函數(shù)的數(shù)值描述有固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即起點(diǎn)的河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)２２坐標(biāo)值、終點(diǎn)的坐標(biāo)值、前沿斜率、后沿斜率；且輸出的隸屬函數(shù)須采用單值函數(shù)。故設(shè)計(jì)輸出變量的模糊集為 T(U)={NB,NS,Z,PS,PB}，論域輸出 U為{90,120,140,150,160}。設(shè)計(jì)輸入的隸屬函數(shù)如圖 32 所示：(a) 圖 32 隸屬函數(shù)(3)模糊規(guī)則庫(kù)的建立確定控制規(guī)則是模糊控制器設(shè)計(jì)的核心工作?？刂埔?guī)則的制定需要大量的實(shí)時(shí)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。具體可如下實(shí)現(xiàn)：首先可以結(jié)合自身現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)制定出初步規(guī)則表，然后結(jié)合串口調(diào)試工具實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)，對(duì)規(guī)則進(jìn)行微調(diào)。注意，在進(jìn)行微調(diào)時(shí)候切忌一次進(jìn)行較大的改動(dòng)，否則改后無(wú)法判斷到底是那條規(guī)則在起作用。見(jiàn)表 31。表 31 模糊規(guī)則表(4) 模糊推理及解模糊化 △EE NB NS Z PS PBNB NB NS PS PB PSZ NS Z PB Z NSPB PS PB PS NS NB（a）（b）河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)２３ 在模糊推理過(guò)程中，選用了 REV 指令。MC9S12DG128B 單片機(jī)中規(guī)定各個(gè)前件之間只進(jìn)行模糊與運(yùn)算，而如果幾個(gè)規(guī)則的邏輯后件影響到同一個(gè)模糊輸出，它們之間隱含模糊或運(yùn)算。即使用 MIN－MAX 法進(jìn)行模糊推理。反模糊化采用重心法（COG 法） 。WAV 是解模糊的核心指令，它與EDIV 指令配合完成模糊輸出到控制輸出的變換。 PID 控制調(diào)整速度本系統(tǒng)采用的是增量式數(shù)字 PID 控制，它是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)（ closedloop control system） 的 特 點(diǎn) 是 系 統(tǒng) 被 控 對(duì) 象 的 輸 出（ 被 控 制 量 ） 會(huì) 反 送 回 來(lái) 影 響 控 制 器 的 輸 出 ， 形 成 一 個(gè) 或 多 個(gè) 閉 環(huán) 。 閉 環(huán)控 制 系 統(tǒng) 有 正 反 饋 和 負(fù) 反 饋 ， 若 反 饋 信 號(hào) 與 系 統(tǒng) 給 定 值 信 號(hào) 相 反 ， 則 稱為 負(fù) 反 饋 （ Negative Feedback） ， 若 極 性 相 同 ， 則 稱 為 正 反 饋 ， 一 般閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 均 采 用 負(fù) 反 饋 ， 又 稱 負(fù) 反 饋 控 制 系 統(tǒng) 。 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的 例 子很 多 。 比 如 人 就 是 一 個(gè) 具 有 負(fù) 反 饋 的 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) ， 眼 睛 便 是 傳 感 器 ， 充當(dāng) 反 饋 ， 人 體 系 統(tǒng) 能 通 過(guò) 不 斷 的 修 正 最 后 作 出 各 種 正 確 的 動(dòng) 作 。 如 果 沒(méi) 有眼 睛 ， 就 沒(méi) 有 了 反 饋 回 路 ， 也 就 成 了 一 個(gè) 開(kāi) 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 。