【正文】 tract: This article presents two kinds of smartcar’s servo control methods based on route recognition, which are Hardware Close Loop Method and Software Open Loop Method. These methods effectively improve the response of the servo. With Hardware Close Loop Method and Software Open Loop Method, the servo’s arm is lengthen, which can upgrade the smartcar’s stability of route recognition. The smartcar can turn to the right place more quickly and more accurately, and has quick velocity response and minimum stability warp. Keywords: Route Recognition。 Smartcar。 Servo Control。 Photodiode0 引言舵機(jī)控制是智能車控制中一個(gè)重要方面，其目標(biāo)是：根據(jù)不同的路徑狀況，控制智能車的舵機(jī)角度的變化，以滿足系統(tǒng)性能要求。傳統(tǒng)舵機(jī)控制是在使用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臂的前提下，進(jìn)行單純的開環(huán)控制。這樣會(huì)使舵機(jī)位置信息不能得到反饋，而且不能充分利用舵機(jī)轉(zhuǎn)臂的力矩余量。加長舵機(jī)轉(zhuǎn)臂可以充分發(fā)揮舵機(jī)轉(zhuǎn)距余量，使它更靈活、響應(yīng)更快。在智能車控制系統(tǒng)中，其左右輪力臂不同，加長轉(zhuǎn)臂勢又必導(dǎo)致舵機(jī)左右兩邊輸出的力矩不一致，即同一個(gè)PWM控制量不能使分別處于左邊和右邊的轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)至同一指定位置。本文從硬件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)了加長轉(zhuǎn)臂后舵機(jī)的控制。1 硬件閉環(huán)控制1．1 設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)舵機(jī)控制目標(biāo)是根據(jù)光電傳感器檢測到的路徑信息，控制舵機(jī)調(diào)整智能車的行駛方向，使智能車在直道行駛時(shí)方向迅速保持穩(wěn)定、不抖動(dòng)；在過連續(xù)S型緩彎時(shí)更加流暢。通過路徑識(shí)別單元的11個(gè)“一”字形排列的光電傳感器檢測軌跡黑線，然后根據(jù)檢測結(jié)果判斷智能車與軌跡偏離的情況。若被正中間的光電傳感器檢測到黑線，就表示智能車未偏離軌跡，則控制舵機(jī)使轉(zhuǎn)向輪不偏轉(zhuǎn)。若被左（右）邊的光電傳感器檢測到黑線，就表示智能車向右（左）偏離軌跡。越靠左（右）的傳感器檢測到黑線，表示智能車向右（左）偏離軌跡的程度越大，控制舵機(jī)使轉(zhuǎn)向輪向左（右）偏轉(zhuǎn)，偏離程度越大，則偏轉(zhuǎn)角度越大。若沒有光電傳感器檢測到黑線或是其它的檢測結(jié)果，就表示智能車脫離軌跡或是遇到十字交叉路段，則控制舵機(jī)使轉(zhuǎn)向輪保持偏轉(zhuǎn)原有角度不變。本系統(tǒng)的控制對(duì)象是SANWA SRM102舵機(jī)，其作用是輸出力矩驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向。 cm，~ kg，足以滿足對(duì)智能車前輪地驅(qū)動(dòng)。但智能車在識(shí)別連續(xù)S型緩彎時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)向嚴(yán)重滯后，造成智能車沖出跑道。由舵機(jī)的硬件特性可知：在給定電壓一定時(shí)，空載和帶載時(shí)的角速度分別保持恒值，而線速度，正比于轉(zhuǎn)臂的長度。當(dāng)所需轉(zhuǎn)動(dòng)幅度一定時(shí)，長轉(zhuǎn)臂要比短轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械角要小，即響應(yīng)更快，如圖B1所示，對(duì)于轉(zhuǎn)臂1和2，當(dāng)且轉(zhuǎn)動(dòng)相同的位移時(shí)，轉(zhuǎn)角。因此對(duì)于相同的角速度，可得轉(zhuǎn)臂響應(yīng)時(shí)間。但舵機(jī)的轉(zhuǎn)距余量是有限的，加長轉(zhuǎn)臂勢必降低舵機(jī)的輸出力矩，所以加長轉(zhuǎn)臂不是無限制的。 cm，舵機(jī)改裝如圖B2所示。圖B1舵機(jī)轉(zhuǎn)臂加長結(jié)構(gòu)分析圖B2 舵機(jī)改裝圖由于舵機(jī)左右PWM控制量不對(duì)稱，所以考慮對(duì)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行閉環(huán)控制，控制器為PI控制器。系統(tǒng)圖如圖B3所示。圖B3 閉環(huán)控制系統(tǒng)圖該系統(tǒng)中，單片機(jī)輸出的信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為PI控制器的輸入量，控制器運(yùn)算后的輸出作為壓頻變換的輸入，V/F模塊的脈沖輸出作用于舵機(jī)，通過位置傳感器反饋，使控制在給定值，從而保證舵機(jī)的精確位置伺服。1．2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 圖B4為舵機(jī)硬件閉環(huán)的硬件電路圖，實(shí)現(xiàn)從單片機(jī)電平輸出到PWM舵機(jī)控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換。圖B4 舵機(jī)硬件閉環(huán)的硬件電路圖其中D/A轉(zhuǎn)換部分由8位精度DAC0832和運(yùn)算放大器LM358組成，該單元將單片機(jī)輸出的數(shù)字量變成舵機(jī)所需的模擬量。LM358的輸出如式（B1）所示： 式（B1）式B1中：為D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸出；為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值；為單片機(jī)對(duì)應(yīng)輸出口的十進(jìn)制數(shù)值。為運(yùn)算放大器的比例系數(shù)。本系統(tǒng)的PI控制器由LM32電阻和電容構(gòu)成的比例積分電路組成?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)由壓頻變換模塊TL494處理變成控制舵機(jī)的PWM信號(hào)。位置傳感器是與舵機(jī)同軸的電位器，采集舵機(jī)轉(zhuǎn)臂移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的相應(yīng)電壓，反饋電位值與給定值同時(shí)加在LM324的反相端。PI控制器的輸出為： 式（B2）式（B2）中：為比例系數(shù),為積分常數(shù)；TL494的輸出信號(hào)為： 式（B3）式（B3）中：為TL494參考電壓；TL494輸出控制信號(hào)的頻率由、決定： 式（B4）通過調(diào)節(jié)、的大小可以改變PI控制器的參數(shù)，從而調(diào)節(jié)PI控制器的輸出。為了確保舵機(jī)的靈敏度，傳感器需要對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)臂的微小變化做出響應(yīng)。因此選擇合適的硬件非常重要。本文所選電位器角度范圍在30～60度，且轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小。2 軟件開環(huán)設(shè)計(jì)2．1 設(shè)計(jì)思想本方案基于軟件開環(huán)的原理實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)的精確控制。在本智能車系統(tǒng)中，舵機(jī)控制最為關(guān)鍵的兩個(gè)方面是：提高響應(yīng)速度和克服舵機(jī)不對(duì)稱性。只要解決了這兩個(gè)問題，智能車快速尋徑的問題就可以得到解決，所以方案2從提高舵機(jī)響應(yīng)速度和克服不對(duì)稱性出發(fā)，尋找良好的角度解決方案。由于加長轉(zhuǎn)臂后舵機(jī)轉(zhuǎn)角的不對(duì)稱性，對(duì)于同一個(gè)位置（非最大角度位置），舵機(jī)從左邊與從右邊轉(zhuǎn)到此位置所需要施加的PWM值不一致，所以必須判斷舵機(jī)這一時(shí)刻的動(dòng)作是從哪個(gè)方向來的，這里采用以光電管信號(hào)來記錄轉(zhuǎn)臂位置。假設(shè)小車行駛到某一個(gè)位置時(shí)光電管檢測到的信號(hào)為0b00010000000,說明當(dāng)前是左邊的第4個(gè)光電管檢測到黑線，如果上次光電管檢測到的信號(hào)為0b01000000000，說明上次是左邊的第2個(gè)光電管檢測到黑線，由此可以看出相對(duì)于本次舵機(jī)需要轉(zhuǎn)到的位置，上一時(shí)刻轉(zhuǎn)臂的位置更靠左，也就是說本次舵機(jī)要向右轉(zhuǎn)，于是給舵機(jī)一個(gè)相應(yīng)的PWM信號(hào)；如果上次光電管檢測到的信號(hào)為0b00000100000,說明上次是正中間的光電管檢測到黑線，由此可以看出本次舵機(jī)需要向左轉(zhuǎn)，于是給舵機(jī)一個(gè)相應(yīng)的PWM信號(hào)，舵機(jī)在其它位置也是一樣的。當(dāng)兩邊靠外側(cè)的3個(gè)光電管檢測到黑線時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)最大角，以保證小車在高速進(jìn)彎道時(shí)能夠有足夠大的轉(zhuǎn)角順利地駛過，據(jù)此可以造一個(gè)角度PWM對(duì)應(yīng)表，各個(gè)方向和大小的角度所對(duì)應(yīng)的PWM值都可以從表中查得。這樣就可以不需要角度的反饋值，而僅使用軟件的方法實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的開環(huán)控制。 通過大量的實(shí)驗(yàn)表明，小車在彎道行駛過程中，左右第3，4，5個(gè)光電管（從中間的光電管數(shù)起）是最為重要的傳感器。因?yàn)楫?dāng)小車以高速進(jìn)入彎道時(shí)，這三個(gè)傳感器是最先檢測到跑道變化的，這時(shí)舵機(jī)需立即轉(zhuǎn)一個(gè)較大角，如果這時(shí)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角不夠，或者說不能轉(zhuǎn)到指定位置，那么小車將嚴(yán)重偏離跑道，就算最邊上的光電管檢測到黑線時(shí)做出了最大轉(zhuǎn)角的響應(yīng)，也無濟(jì)于事。所以這三個(gè)光電管對(duì)應(yīng)的PWM值要稍大一些，且三個(gè)值之間的間隔要均勻，不能太大。如果間隔太大，過彎時(shí)將出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。舵機(jī)角度的不斷變化，將影響小車過彎的整體速度。2．2 設(shè)計(jì)流程本方案程序設(shè)計(jì)使用C語言實(shí)現(xiàn)，其開發(fā)，制作，安裝，調(diào)試都是基于Metrowerks CodeWarrior CW12 。在程序中angle_feedback表示當(dāng)前光電管的檢測信息，LastAngle表示上次光電管檢測到的信息，程序流程圖如圖B5所示：圖B5 角度開環(huán)控制流程圖通過分方向給PWM值的舵機(jī)開環(huán)控制能克服舵機(jī)響應(yīng)速度慢和不對(duì)稱的缺點(diǎn)，提升智能車尋跡的整體性能。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該控制算法簡單、易實(shí)現(xiàn)。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)加長轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)采用硬件閉環(huán)或軟件開環(huán)控制方法后，智能車在直道上行駛非常平衡，進(jìn)彎道時(shí)，舵機(jī)能及時(shí)地轉(zhuǎn)向，加之我們采取了強(qiáng)制降速，所以智能車能平滑地過彎，過彎后又能迅速響應(yīng)軌跡變化，將速度提起升，保證直道高速行駛。圖B6為智能車使用未加長轉(zhuǎn)臂舵機(jī)傳統(tǒng)控制、加長轉(zhuǎn)臂硬件閉環(huán)控制及軟件開環(huán)控制方法時(shí)，尋跡S型緩彎的沙漏軌跡圖，其中粗線為智能車需要識(shí)別的路徑，細(xì)線為智能車實(shí)際行駛路徑。圖中三個(gè)曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加長轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)配以硬件閉環(huán)或軟件開環(huán)控制方法，可以使智能車跟隨軌跡黑線能力明顯增強(qiáng)。圖B6 智能車軌跡沙漏模擬圖4 結(jié)論本文基于Freescale MC9S12DG128B芯片設(shè)計(jì)了兩種智能車舵機(jī)控制方案，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)尋徑控制，具體工作如下：(1) 方案1采用硬件閉環(huán)控制方式，通過使用D/A轉(zhuǎn)換芯片，硬件PI控制器以及壓頻變換模塊，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)角度控制。該方案使舵機(jī)的定位變的更加的精確與穩(wěn)定，彌補(bǔ)了舵機(jī)轉(zhuǎn)臂加長后左右力臂不一致的問題。(2) 方案2采用軟件開環(huán)控制方式，從舵機(jī)的不對(duì)稱性出發(fā)尋找解決方案，使舵機(jī)的控制更加精確。該方案省去了外圍硬件的設(shè)計(jì)，方便簡單。對(duì)比各個(gè)測試環(huán)節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)舵機(jī)這類器件，對(duì)響應(yīng)時(shí)間和力臂的要求非常嚴(yán)格。采用軟件開環(huán)方案可以滿足本智能車系統(tǒng)快速尋跡的需要。在運(yùn)行過程中，本智能車系統(tǒng)能準(zhǔn)確穩(wěn)定的尋跡，配合速度控制，尋徑效果比較優(yōu)良。 參考文獻(xiàn)[1] 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