【正文】 在智能機(jī)器人發(fā)展如火如荼之期， 智能小車控制系統(tǒng)的研制為其提供了更有利的研制手段和方法，將有助于推動(dòng)智能機(jī)器人的發(fā)展。 } 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，利用高性能的 STM32F103 芯片 ，輔以各種傳感器來檢測(cè)路面、邊界墻等周圍環(huán)境，通過高可靠性的軟件設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)小型電動(dòng)車的智能控制，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。 MotorR_ER2 = MotorR_ER1。 } else { if(MotorR_out=995) MotorR_out=995。 MotorR_out=MotorR_out+MotorR_P+MotorR_I+MotorR_D 。 MotorR_I=(int) ( Ki*MotorR_ER )。 } void MotorR_PID(void) { 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 35 MotorR_ER=SpeedR_setSpeedR_get。 MotorL_ER2 = MotorL_ER1。 } else { if(MotorL_out=995) MotorL_out=995。 MotorL_out=MotorL_out+MotorL_P+MotorL_I+MotorL_D 。 MotorL_I=(int) ( Ki*MotorL_ER )。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 A / DP I DMGP0P1轉(zhuǎn) 速 反 饋脈 沖發(fā) 生 器測(cè) 量轉(zhuǎn) 速電 機(jī)+P W MH 橋占 空 比傳 感 器 圖 單位反饋的 PID控制原理圖 電機(jī) PID 算法子程序： void MotorL_PID(void) { MotorL_ER=SpeedL_setSpeedL_get。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。 運(yùn)用 PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整三個(gè)比例系數(shù)，即參數(shù)整定。 對(duì)連續(xù)系統(tǒng)中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，是將上式轉(zhuǎn)換成差分方程，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器。增大積分系數(shù)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)使瞬時(shí)響應(yīng)變差。 PID各個(gè)參數(shù)作用基本介紹： 增大微分項(xiàng)系數(shù)可以加快動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，但容易引起震蕩。 dtdekedtkekudip ? ??? （ ） 其中， pk 、 ik 、 dk 分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明， PID控制能夠滿足相當(dāng)多工業(yè)沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 對(duì)象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。目前提出的控制算法有很多。 goto stb。 Delay(140)。 //轉(zhuǎn)彎時(shí)間 Vehicle_direction_PutVal(0)。 Vehicle_direction_PutVal(6)。 //退延時(shí) SpeedL_set=35。 Vehicle_direction_PutVal(10)。 Delay(160)。 if(distance0=16) { Vehicle_direction_PutVal(0)。 //提 升電機(jī)停止 OK=Distance_Sensor_Start()。 //設(shè)置提升電機(jī)速度 Vehicle_direction_PutVal(0)。 開 始0 .5 s后 停 止起 升 電 機(jī) 正 轉(zhuǎn)小 車 后 退小 車 左 拐提 升 電 機(jī)反 轉(zhuǎn)距 邊 界 是否 2 0 c m ？結(jié) 束前 行是否 圖 由圖 可以看到，當(dāng)距離傳感器判定小車距離邊界不足 20 厘米時(shí)，小車通過延時(shí)程序，以原來速度行進(jìn) ，之后停止，提 升電機(jī)正轉(zhuǎn)，鏟子提起，小車后退，左拐 90沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 度，提升電機(jī)反轉(zhuǎn)，鏟子落下，繼續(xù)行進(jìn)。 //TIM1CCR1=2400。 //預(yù)分頻 1 ZKB=1200。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 //****TIM1_PWM 波 1 通道設(shè)置 ***** InitValue=7200。 SystemInit()。 //定義一個(gè)位變量 bbt,并清 0 u16 i。在每一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)周期，由于輸入的調(diào)制信號(hào)的大小不同，比較器輸出端輸出的高電平個(gè)數(shù)不一樣，因而產(chǎn)生出占空比不同的脈沖寬度調(diào)制波。 5 位數(shù)字調(diào)制信號(hào)用一個(gè)寄存器來控制，不斷于循環(huán)計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行比較，當(dāng)調(diào)制信號(hào)大于循環(huán)計(jì)數(shù)器的輸出時(shí)，比較器輸出高電平，否則輸出低電平。 實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器的基本思想?yún)⒖磮D 。 無需作頻譜分析，由式 （ 2） 可以看出脈沖寬度信號(hào)由語音信號(hào) x(t)加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。如果假定采樣為均勻采樣，第 k 個(gè)矩形脈沖可以表示為： ? ?)kTmx1 30k （???? （ ） 其中， x{t}是離散化的語音信號(hào)； Ts 是采樣周期； 0? 是未調(diào)制寬度； m 是調(diào)制指數(shù)。因而，采樣值之間的時(shí)間間隔是非均勻的。因此，從圖 中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為 Ts 的鋸齒波發(fā)生器組成。 脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣 值成比例。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種 PWM 技術(shù)，其中包括：相電壓控制 PWM、脈寬PWM 法、隨機(jī) PWM、 SPWM 法、線電壓控制 PWM 等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬 PWM 法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。 } distance0=sum0/。 } else ADC0_value=ADC0_value。t++) { if(ADC0_value=11000) { 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 ADC0_value=11000。 for(t=0。其距離濾波子程序如下所示： void av_distance(void) {int t。紅外距離傳感器由一個(gè)信號(hào)發(fā)射器和一個(gè)信號(hào)接收器組成。由于紅外發(fā)光二極 管的發(fā)射功率較小，紅外接收二極管收到的信號(hào)較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。 接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管，使用時(shí)要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作而獲得高的靈敏度。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約 100mW。一般有透明、黑色和深藍(lán)色等三種。發(fā)射部分的發(fā)射元件為紅外發(fā)光二極 管，它發(fā)出的是紅外線而不是可見光。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 開 始前 行距 離 邊 界20cm？小 車 0 .5 s后停 止起 降 電 機(jī) 啟 動(dòng)， 鏟 子 提 起后 退左 轉(zhuǎn)起 降 電 機(jī) 啟 動(dòng) ，鏟 子 落 下是否 圖 主程序流程圖 通過圖 可以看出，本系統(tǒng)軟件程序可以分解為：紅外測(cè)距傳感器模塊、直流電機(jī) PWM 模塊、提升裝置延時(shí)模塊、 PID 算法模塊。當(dāng)電源啟動(dòng)時(shí)，小車自動(dòng)進(jìn)入行走狀態(tài)，由紅外距離傳感器不斷收發(fā)信號(hào)，當(dāng)收發(fā)的信號(hào)值小于一個(gè)特定值時(shí)，說明此時(shí)小車距離邊界不足 20cm，此時(shí)小車 ，隨后升降電機(jī)啟動(dòng)，鏟子升起，小車后退，左拐彎，鏟子放下，繼續(xù)行走。 Keil MDKARM 主界面如圖 所示。用過匯編語言后再使用 C來開發(fā)，體會(huì) 更加深刻。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。 ABS 文 件轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 HEX 文件 ，以供調(diào)試器dScope 或 tScope 使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。然后分別由編譯器編譯生成目標(biāo)文件（ .OBJ）。 Keil MDKARM 工具包的整體結(jié)構(gòu)， uVision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE），可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到 Keil MDKARM生成的目 標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。確定的 Keil RTX，小封裝實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（帶源碼） μVision4 IDE 集成開發(fā)環(huán)境，調(diào)試器和仿真環(huán)境 ， 為帶圖形用戶接口的嵌入式系統(tǒng)提供了完善的 GUI 庫支持ULINKpro 可實(shí)時(shí)分析運(yùn)行中的應(yīng)用程序， 且能記錄 CortexM 指令的每一次執(zhí)行 、 分析工具和性能分析器可使程序得到最優(yōu)化 Keil 提供了包括 C 編譯器、 宏匯 編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起。 MDKARM 專為微控制器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，不僅易學(xué)易用，而且功能強(qiáng)大，能夠滿足大多數(shù)苛刻的嵌入式應(yīng)用。 Keil MDKARM 開發(fā)環(huán)境介紹 Keil MDKARM是德國 Keil Software 公司出品的 、 兼容單片機(jī) C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的 優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。軟件編制的好壞對(duì)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性等性能也有很大的影響。反射回來的紅外光線被CCD 檢測(cè)器檢測(cè)到以后，會(huì)獲得一個(gè)偏移值 L，利用三角關(guān)系，在知道了發(fā)射角度 a，偏移距 L，中心矩 X，以及濾鏡的焦距 f 以后，傳感器到物體的距離 D 就可以通過幾何關(guān)系計(jì)算出來了。 圖 紅外收發(fā)檢測(cè)電路 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 紅外傳感器都是基于一個(gè)原理，三角測(cè)量原理。為方便對(duì)小車的控制，采用兩個(gè)紅外探測(cè)器分別對(duì)左右側(cè)進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)左右兩側(cè)接收到的信號(hào)可方便對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行快速調(diào)整。 紅外測(cè)距傳感器實(shí)物如圖 所示。 圖 觸角傳感電路 紅外探測(cè)電路設(shè)計(jì) 直流驅(qū)動(dòng)紅外探測(cè)器電路的設(shè)計(jì)如圖 所示， R401 和 V1 構(gòu)成簡(jiǎn)單直流發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路， NE555 及其外圍元件構(gòu)成施密特觸發(fā)器，其出發(fā)電平可通過 W2 控制，接收管 V2 和電阻 R406 構(gòu)成光電檢測(cè)電路，通過 NE555 輸出的 TTL 電平可直接驅(qū)動(dòng)主沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 控芯片 I/O 口。 觸角探測(cè)電路與主控芯片 STM32F103 的 2 個(gè) I/O 口相連，接收檢測(cè)信號(hào)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 直流電機(jī)實(shí) 物圖 觸角探測(cè)電路設(shè)計(jì) 觸角傳感器由兩條胡須構(gòu)成，每條胡須都可簡(jiǎn)化為一個(gè)機(jī)械式的、接地常開的單刀單擲開關(guān)，當(dāng)胡須沒有被觸動(dòng)，連接胡須的 I/O 管腳的電壓是 ；當(dāng)胡須被觸動(dòng)時(shí)，I/O 短接到地，所以 I/O 管腳的電壓是 0V。 表 I/O 端口狀態(tài)與電機(jī)制動(dòng)對(duì)照表 電 機(jī) A IN1 IN2 電機(jī) B IN3 IN4 停止 0 0 停止 0 0 正轉(zhuǎn) 1 0 正轉(zhuǎn) 1 0 反轉(zhuǎn) 0 1 反轉(zhuǎn) 0 1 － 1 1 － 1 1 L298 芯片采用 5V(VSS)與 12V(VS)直壓供電， EN A和 EN B 分別用 STM32F103 主控芯片的 TIM3_CH3 和 PB1/ADC_IN9/TIM3_CH4 控制，產(chǎn)生 PWM1 和 PWM2 兩路 PWM波輸出， IN1IN4 分別用 PE3PE6 實(shí)現(xiàn) I/O 輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路基本電路原理圖 如表 所示，小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過電機(jī) A 和 B 的不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三種狀態(tài)，每個(gè)電機(jī)由一對(duì) I/O 口進(jìn)行控制。其中 fan 為一個(gè) 2 口白接頭，可以提供5V 和 GND，為需要散熱的芯片提供風(fēng)扇電源接口； Keyboard 為一個(gè) 6 口白接頭，提供鍵盤接口； Code 接口是一個(gè) 3 口白接頭，提供碼盤的電源、地和信號(hào)； Reverse 是一個(gè)沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 反相器，為碼盤返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行反相，使得軟件控制的時(shí)候有一個(gè)高電平就可以得到光柵的一格，更易于控制； PWM PWM PWM7 分別為轉(zhuǎn)向舵機(jī)和制動(dòng)舵機(jī)供電控制；PortAPortB 和 PortEPAD 為傳感器提供電源、控制和返回； Monitor 是一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的接口，在主控板上插上監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)視車模運(yùn)行時(shí)候的一些參數(shù)。而為了增大電流驅(qū)動(dòng)能力，將兩個(gè)半橋并聯(lián)使用。驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886 內(nèi)部具有短路保