【導(dǎo)讀】的軟硬件結(jié)構(gòu)和開發(fā)流程。采用1:10的仿真車模,以飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)。行軟件開發(fā),使賽車在跑道上沿著黑線以最快的速度行駛。論文介紹了總體方案。監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的調(diào)試與分析。改進(jìn)和三舵機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。硬件電路設(shè)計(jì)部分主要介紹了智能小車系統(tǒng)。的硬件電路設(shè)計(jì)原理,包括原理圖和PCB設(shè)計(jì)。動(dòng)舵機(jī)的控制原理和電機(jī)的PID控制策略。無線通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)則以nRF24L01. 以后,小車能更好地適應(yīng)直線和彎道;舵機(jī)采用了調(diào)轉(zhuǎn)放置的方式,減小了力臂,軟件方面采用了PID控制算法,控制更加地靈活簡單,最終本設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)各種賽道,直道。速度能達(dá)到,平均速度接近。自動(dòng)化物流運(yùn)輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。如今世界上大多國家都投入

　　

【正文】 路。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 使用獨(dú)立的 MOSFET 搭建 H 橋的方案具有低阻抗、高電流負(fù)載能力等優(yōu)勢 IR2104 型半橋驅(qū)動(dòng)芯片可以驅(qū)動(dòng)高端和 低端兩個(gè) N 溝道 MOSFET,兩片 IR2104 型半橋驅(qū)動(dòng)芯片可以組成完整的直流電機(jī) H 橋式驅(qū)動(dòng)電路 ,故選擇它作為 MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片。 MOSFET 方面選擇了 IR 公司的 N 溝道 MOSFET,型號(hào)IRLR7843。 IRLR7843 的優(yōu)點(diǎn)在于 [9]: 當(dāng) VGS 為 時(shí) ,RDS 非常低 。具有非常低的門電阻 ,正因?yàn)? IRLR7843 具有以上特性 ,因此最終選用 IRLR7843,驅(qū)動(dòng)模塊就是一個(gè)電子開關(guān)。所說的驅(qū)動(dòng)能力能力強(qiáng) ,其實(shí)就是減小導(dǎo)通等效電阻。不僅驅(qū)動(dòng)電流大 ,而且更加容易控制 ,作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 MOSFET 電路原理圖如圖 所示。 圖 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 速度檢測模塊設(shè)計(jì) 在這一模塊上本文嘗試了三種方案 : 。 。碼器。初期用光柵來測速 ,因?yàn)楣鈻诺膬?yōu)點(diǎn)在于體積小 ,重量輕。但是多次試后發(fā)現(xiàn)光柵的對(duì)固定的位置要求很高 ,而且檢測回來的信號(hào)不是很穩(wěn) ,安裝也很麻煩這嚴(yán)重影響了賽車閉環(huán)控制的準(zhǔn)確性。值得一提的是 ,我們?cè)?jīng)自制過速度傳感器 ,當(dāng)初在修舵機(jī)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)里面的減速電機(jī)其實(shí)也能當(dāng)發(fā)電機(jī)用 ,因?yàn)殡姍C(jī)里面有磁鐵和線圈 ,根據(jù)法拉第原理 ,車模 行駛時(shí) ,后部的差速齒輪帶動(dòng)減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) ,這樣電機(jī)會(huì)自主發(fā)電 ,然后在電機(jī)的兩引腳會(huì)產(chǎn)生電壓 ,電壓大小和行駛速度成正比。但是這種想法畢竟有待成熟 ,實(shí)行發(fā)現(xiàn)還是有很多問題的于是 ,經(jīng)過多次嘗試性試驗(yàn)后 ,最終還是選用光電型卡盤式的光電碼盤。主要看中它穩(wěn)定性高 ,控制簡單 ,安裝方便。而且供電電壓為 5V,很適合在車模上使用 ,如圖 所示。 圖 編碼器安裝圖 液晶鍵盤模塊設(shè)計(jì) 這一模塊的設(shè)計(jì)上采用 4*4 矩陣鍵盤 +Nokia(84*48)液晶。這樣能給調(diào)試車子帶來很大的便捷 ,可以隨時(shí)根據(jù)不同的賽道信息更 改參數(shù) ,甚至在比賽的時(shí)候 ,也能根據(jù)賽道中彎道、直道數(shù)量及時(shí)調(diào)整參數(shù) ,能大大提高調(diào)車效率。液晶鍵盤模塊圖 所示。 圖 液晶顯示屏 調(diào)試的方式界面可以有數(shù)字按鍵 ,撥碼開關(guān)等 ,顯示界面也可以是液晶或者數(shù)碼管 ,而且數(shù)字按鍵也有不同的形狀及尺寸 ,在多次嘗試后 ,發(fā)現(xiàn)大的方塊形數(shù)字按鍵操作起來更加地便捷而快速 ,而液晶顯示屏能更好地顯示所需的信息量。 5 智能小車軟件設(shè)計(jì) 智能小車控制系統(tǒng)主要使用了 MC9S12XS128 單片機(jī)的 PWM 模塊、 CRG 時(shí)鐘模塊、 ECT 脈沖計(jì)數(shù)、 SPI 模塊、 A/D 模塊以及部分 I/O 口。 主程序流程圖 主程序流程圖如圖 所示。 圖 主程序結(jié)構(gòu)示意圖 總體的思路如下 :打開電源開關(guān)后 ,大循環(huán)主程序先對(duì)全車硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化 ,然后 PIT定時(shí)中斷 ,然后讓主激光掃描 ,掃描完 14個(gè)點(diǎn)之后再處理采樣回來的數(shù)據(jù) ,確定橫線的位置 ,然后計(jì)算出車身相對(duì)于賽道中心黑線的偏移量 ,然后單片機(jī)輸出相應(yīng)的 PWM 波控制上舵機(jī)打角 ,使車子能緊跟住黑線 ,而不跑出賽道。同時(shí)單片機(jī)根據(jù)前一時(shí)刻上舵機(jī)和光電的綜合位置輸出對(duì)應(yīng)的 PWM 波來控制下面打角舵機(jī)的打角度數(shù) ,從而 掌控車子的行駛方向。然后經(jīng)過大量算法代碼的處理對(duì)行駛速度進(jìn)行閉環(huán)控制。 軟件的總體思路是考慮到車子在高速行駛的狀態(tài)下 ,如果用 3010 舵機(jī)來做擺頭舵機(jī) ,那么外部的阻力會(huì)把舵機(jī)拉回來 ,舵機(jī)不能打到單片機(jī)所賦給的值 ,這樣容易造成丟線 ,所以選用高速舵機(jī)來做擺頭舵機(jī) ,這樣能使車子牢牢地跟線 ,速度有了很大的提升。高速舵機(jī)會(huì)因分辨率過高而產(chǎn)生抖動(dòng)的情況 ,所以在舵機(jī)下部墊了海綿來去抖。 在速度控制上 ,采用了 PD 控制來達(dá)到了快速加速和制動(dòng)的效果 ,基本思想是入彎減速 ,出彎加速。特別是在長直道接急彎的時(shí)候 ,應(yīng)該提 前地快速制動(dòng)將速度值降到期望過彎速度。所以在程序中利用了記憶標(biāo)志位的方式 ,在突然看到彎道后給電機(jī)一個(gè)較小的期望速度值 ,這樣在 PD 調(diào)節(jié)的作用下 ,控制電機(jī)反轉(zhuǎn)來使小車在入彎時(shí)快速制動(dòng)。 信號(hào)分析與識(shí)別 智能小車在賽道上的狀態(tài)可能有 :直道、彎道、十字交叉線、起跑線等 ,這幾種狀態(tài)下傳感器可能采集到的信息 (部分可能情況 )如圖 所示。 .a 彎道 .b 直道 .c 大彎道 .d 十字彎道 e 起跑線 圖 賽道信息分析 PID 控制算法 PID 控制器由比例 單元 (P)、積分單元 (I)和微分單元 (D)組成。其輸入 e t 與輸出 u t 的關(guān)系為式中積分的上下限分別是 0 和 t。因此它的傳遞函數(shù)為 :GsUs/Eskp1+1/TI*s+TD*s。其中 kp 為比例系數(shù) 。 TI 為積分時(shí)間常數(shù) 。 TD 為微分時(shí)間常數(shù)比例。 KP 用來控制當(dāng)前 ,誤差值和一個(gè)負(fù)常數(shù) P(表示比例 )相乘 ,然后和預(yù)定的值相加。 P 只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時(shí)候成立 ,KP 能夠快速的跟隨變化量 ,及時(shí)的產(chǎn)生與之相關(guān)的調(diào)節(jié)作用。但是 KP 是有差調(diào)節(jié) ,無法消除靜態(tài)誤差。積分 KI 來控制過去 ,誤 差值是過去一段時(shí)間的誤差和然后乘以一個(gè)負(fù)常數(shù) I,然后和預(yù)定值相加。 I 從過去的平均誤差值來找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預(yù)定值的平均誤差。一個(gè)簡單的比例系統(tǒng)會(huì)振蕩 ,會(huì)在預(yù)定值的附近來回變化 ,因?yàn)橄到y(tǒng)無法消除多余的糾正。通過加上一個(gè)負(fù)的平均誤差比例值 ,平均的系統(tǒng)誤差值就會(huì)總是減少。所以 ,最終這個(gè) PID 回路系統(tǒng)會(huì)在預(yù)定值定下來。微分 KD 來控制將來 , 計(jì)算誤差的一階導(dǎo) ,并和一個(gè)負(fù)常數(shù) D 相乘 ,最后和預(yù)定值相加。這個(gè)導(dǎo)數(shù)的控制會(huì)對(duì)系統(tǒng)的改變作出反應(yīng)。導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大 ,那么控制系統(tǒng)就對(duì)輸出結(jié)果作出更快速的反應(yīng)。這個(gè) D 參數(shù)也是 PID 被成為可預(yù)測的控制器的原因。 D 參數(shù)對(duì)減少控制器短期的改變很有幫助。一些實(shí)際中速度緩慢的系統(tǒng)可以不需要 D 參數(shù)。由于舵機(jī)是一個(gè)具有大的延遲的執(zhí)行機(jī)構(gòu) ,所以在 PID 控制中不能加入積分環(huán)節(jié)。否則會(huì)導(dǎo)致小車震蕩。所以小車采用 PD 控制。同時(shí)加入一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié) , 構(gòu)成不完全微分 ,給小車一個(gè)超前的調(diào)節(jié)。實(shí)際使用中 ,為了減少計(jì)算時(shí)間 ,將位置式 PID 轉(zhuǎn)化為增量式增量式 PID 公式 : iIncpidlongKP*longiErrorLastError+longKI*longiError+longKD*longiError2*LastError+PrevError/1024[10]。 各模塊初始化 時(shí)鐘模塊初始化 CLKSEL 0。 //先關(guān)閉時(shí)鐘 SYNR_VCOFRQ 1。//VCO 頻率 80MHZ 在 48MHz~80MHz SYNR_SYNDIV 9。 //設(shè)置 SYNDIV9 REFDV_REFFRQ 1。//REF 頻率 4MHz 在 2MHz~6MHz REFDV_REFDIV 3。 //設(shè)置 REFDIV3 POSTDIV 0。//設(shè)置 PLL 鎖相環(huán)分頻系數(shù)不分頻 COPCTL_CR 0。 //關(guān)閉看門狗 while1!CRGFLG_LOCK。 //鎖定 VCO 頻率 CLKSEL_PLLSEL 1。 //設(shè)置總線頻率 ,為 PLL 的一半 ECT 模塊初始化 TIOS_IOS7 0。 //設(shè)置 IOC7 輸入捕捉 TCTL1 0。//關(guān)閉輸出 PACTL_PAEN 1。//使能輸入捕捉的計(jì)數(shù)功能 PACTL_PAMOD 0。 //事件計(jì)數(shù)模式 PACTL_PEDGE 0。 //下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器值增加 PACTL_PAOVI 0。 //關(guān)閉溢出中斷 PACTL_PAI 0。 //關(guān)閉輸入捕捉中斷 TSCR1_TFFCA 1。 //清除輸入捕捉標(biāo)志位 PACNT 0。//計(jì)數(shù)器清零 RTICTL 0xbf。//10ms 中斷 ~160*1000 分頻 CRGINT 0x80。 // 使能 RTI 中斷 舵機(jī)控制 ?PWM01 初始化 PWME_PWME1 0。 //禁止 PWM01 輸出 PWMCTL_CON01 1。 //使用 PWM0、 PWM1 端口組成 16 位 PWM PWMPRCLK_PCKA 2。//clockA 為總線時(shí)鐘 4 分頻 10MHZ PWMCLK_PCLK1 1。 //選擇 clockSA 為 PWMA 的時(shí)鐘 ,2.