【正文】 ％以內(nèi)，與序列算法相比，定位的精度更高。為了達到更高的檢測精度和更好的控制效果，本文提出了一種改進的序列算法，即分別計算出距離磁鋼位置最近的和次近的霍爾傳感器，從而將車輛橫向偏移D的最小分辨范圍縮小一半。 式中：N是距離磁鋼最近的傳感器的序號，車輛橫向偏移D的單位為mm。序列算法是對5個傳感器信號大小進行排序，根據(jù)排序的結果來確定橫向偏移的一種算法。常用的磁定位方法有磁場匹配算法和序列算法[27]。本文設計的智能車輛磁誘導控制系統(tǒng)中，磁尺安裝在車輛前端，在磁缸尺寸相對比較小的情況下，磁尺的安裝高度設計為10mm。磁尺總長35mm，每個磁傳感器之間有7mm的間距，這種設計方案主要考慮智能車輛在運行的時候大多情況下橫向偏差都不大。 霍爾傳感器輸出電壓與磁場強度關系曲線： HW300B檢測電路圖，利用差分放大電路，可以將霍爾電勢差進行放大輸出，利用單片機進行AD采樣，便于系統(tǒng)進行檢測。這個電勢差叫做霍爾電勢差[29]?；魻柺絺鞲衅魇抢没魻栐诨魻栃矶鴮⒈粶y量如電流、磁場、位移、壓力等轉換成電動勢輸出的一種傳感器[[] 賈伯年，俞樸，傳感器技術第2版，南京，東南大學出版社，2000]。 磁傳感器磁場測量范圍表磁傳感器磁場測量范圍(T)感應線圈傳感器磁通門傳感器光泵式磁敏傳感器原子運動傳感器SQUID傳感器霍爾式傳感器磁阻傳感器光纖傳感器光敏磁傳感器磁體晶體管傳感器磁敏二極管傳感器巨磁阻傳感器地磁場不同的磁傳感器具有不同的測量范圍和應用場合，對于本文設計的智能交通演示實驗平臺上的智能車輛系統(tǒng)來說，其工作環(huán)境為室內(nèi)，平臺“道路”上埋設的是磁場強度為T的磁鋼。不同的應用背景所適合使用的傳感器也不一樣，按照所測量磁場強度范圍的大小，磁傳感器可分為兩類：磁場強度測量范圍高于1mT的磁傳感器稱為高斯計；磁場強度測量范圍低于1mT的磁傳感器稱為磁力計， mT之間的傳感器也被稱為地磁計[[] 徐海貴，王春香，楊汝清，磁傳感系統(tǒng)在室外移動機器人導航中的研究，機器人，2007，1：28~32]。 車輛誘導傳感器模塊設計與實現(xiàn)前文所述，本文設計的智能車輛誘導控制系統(tǒng)采用磁誘導方式，因此誘導傳感器模塊的設計也就是磁傳感模塊的設計。系統(tǒng)通過誤差的符號決定電機的轉向，當誤差小于一定范圍時，電機便停轉。由于轉向電機通過齒輪嚙合等機械方式驅動前輪實現(xiàn)轉向，電機本身的轉速不高。 轉角電位器輸出電壓值與小車實際轉角關系曲線圖其中曲線1測試時，智能車由左向右轉向，角由變化到；曲線2測試時，智能車由右向左轉向，角由變化到。的范圍為到。 智能車轉角示意圖。因此需要將此電壓信號進行AD轉換。在電刷與軸柄一起轉動的過程中，輸出電壓值隨之發(fā)生變化，從而檢測出旋轉角度的大小[[] 王君龍，孫永榮，肖紀立，基于軸角檢測的力矩電機轉矩控制系統(tǒng)，機械與電子，2008，2：15~20]。轉角電位計的工作原理十分簡單。但是由于其體積較大，輸出信號處理復雜，不適合本文設計的智能車系統(tǒng)使用。通過檢測脈沖信號來獲取電機轉動角度信息。當旋轉編碼器軸帶動光柵盤旋轉時，經(jīng)發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤狹縫切割成斷續(xù)光線，并被接收元件接收產(chǎn)生初始信號。電機轉動角度常用檢測裝置有旋轉編碼器和轉角電位計。由于轉向控制不需要對轉速進行精確控制，因此對于電機轉速，本文設計采用開環(huán)控制方式，設置PWM波采用一定的占空比，來實現(xiàn)轉向電機旋轉。它是由直流電機及其驅動電路以及轉角檢測反饋裝置構成的。實時獲取車輛與車道中心線的相對位置是進行車道自動保持的前提，本文采用磁性參考/感知原理[[] Hung Pham，Integrated Maneuvering Control for Automated Highway Systems Based on a Magnetic Reference/sensing System，California PATH Research Report，2002：49~50]，即以車道中心線上布設的離散磁鋼做為車道參考標記，當車輛駛過磁鋼時，車載磁傳感器探測到磁信號而產(chǎn)生感應電壓，車載計算機根據(jù)感應電壓的相對大小確定車輛在目標車道上的相對位置，并據(jù)此對車輛轉向進行實時自動控制。本文在車輛誘導控制方面，采用了路面磁性標記方式。1997年，在美國圣地亞哥市第15號州際高速公路試驗路上進行了智能公路系統(tǒng)的試驗展示；1998年，日本建設部土木研究所首次進行了自動高速公路系統(tǒng)的公開演示；在歐洲，葡萄牙科英布拉大學研制的RoboCar、荷蘭鹿特丹投入應用的ParkShuttle等都采用了磁誘導技術，并進行了很多次成功的演示。磁誘導技術是一項非常有前景的技術，具有很高的測量精度及良好的重復性，不易受天氣情況以及光線變化的影響，可用于智能車輛的位置測量及控制，磁鋼一旦埋設好后，維護費用非常低，使用壽命非常長，可以通過磁鋼編碼來提供前方道路信息。自1999年開始，國家智能交通系統(tǒng)工程技術研究中心(ITSC)以車輛誘導控制技術為切入點，在國內(nèi)率先對智能公路系統(tǒng)進行深入研究開發(fā)。 車輛誘導控制模塊結構圖本節(jié)將先進行誘導方式的比較分析和設計，之后通過介紹方向控制和誘導傳感器模塊的設計與實現(xiàn)，搭建好完整的誘導控制系統(tǒng)，再通過誘導控制策略的研究和調(diào)試，實現(xiàn)智能車的良好誘導控制。 車輛誘導控制研究與實現(xiàn)誘導控制是自動導引小車（Auto Guided Vehicle, AGV）系統(tǒng)中的關鍵技術[[] Chan Y，Magnetic sensing as a position reference system for ground vehicle control，IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2002，51(1)：43~52]。 車輛速度檢測模塊軟件流程圖，首先將PCA3設置成捕捉模式，再將作為T法測速的高頻參考信號PCA計數(shù)器頻率設置為1KHz，在啟動PCA計數(shù)器和使能PCA中斷后，便可以對車輛的轉速進行檢測了。如果控制周期改變，相應的控制參數(shù)（如比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)等）也要相應改變，進行重新整定，否則不論采用什么樣的控制方法，都不能達到穩(wěn)定的控制效果，小車經(jīng)常會出現(xiàn)急停急起的振蕩狀態(tài)。在慢速(5cm/s)下，每隔100ms才能更新一次速度信息，高速(30cm/s)下，每隔16ms就能更新一次速度信息。例如，選擇1KHz的高頻信號進行計時，則車速在5cm/s情況下，檢測誤差小于1%，在30cm/s的高速下，檢測誤差為6％，一般在2％～3％之間。若采用T法測速，只要選擇較高頻率的高頻信號進行參考便能得到很好的檢測精度。這樣的檢測精度也是系統(tǒng)無法接受的。這個檢測精度對于控制系統(tǒng)來說是可以接收的，但是1s的測控周期對于數(shù)字控制系統(tǒng)來說是無法接受的，會給系統(tǒng)帶來非常大的振蕩。一般在20～30Hz。小車速度的控制范圍在5cm/s～30cm/s之間，小車一般按照10cm/s～15cm/s的速度在實驗平臺上行駛。以上三種測速方法中，M法適合于測量較高的速度，能獲得較高分辨率；T法適合于測量較低的速度，這時能獲得較高的分辨率；而M/T法則無論高速、低速都適合測量，只是M/T方法在低速下需要較長的檢測時間才能保證結果的準確性。通過記錄T時間內(nèi)高頻脈沖數(shù)，反推出T的精確數(shù)值，從而推出實際的轉速。M／T法也稱頻率周期綜合法，M/T法測速首先確定一個時間T1，在這個時間內(nèi)碼盤輸入脈沖可達相當數(shù)量，而且這個時間的啟動與輸入脈沖的前沿或后沿同步。相鄰兩個轉速脈沖信號時間的測量是采用對已知高頻脈沖信號進行計數(shù)來實現(xiàn)的。當被測電機轉速較高或電機轉動一圈發(fā)出的轉速脈沖信號的個數(shù)較大時，才有較高的測量精度，因此M法適合于高速測量。M法也稱測頻法，即在規(guī)定的檢測時間內(nèi)，檢測光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號的個數(shù)來確定轉速。在以光電碼盤構成的測速系統(tǒng)中，常用的測速方法有三種，分別為M法、T法和M/T法[[] 徐靜，阮毅，基于TMS320F240的M／T法測速的實現(xiàn)與應用，變頻器世界，2004，4：41~43]。因此隨著碼盤旋轉，單片機能夠接收到連續(xù)的電壓脈沖信號，脈沖頻率隨著碼盤旋轉速度而變化。 測速傳感器檢測電路圖 光電碼盤安裝實物圖，將光電傳感器通過遲滯比較器電路后輸入給單片機。常見的電機轉速數(shù)字檢測基本方法是利用與電動機同軸連接的光電碼盤旋轉[[] 于炳亮，電機轉速測量方法研究，山東科學，2005，5：41~51]，光電傳感器輸出脈沖頻率與轉速成正比的原理，根據(jù)光電傳感器輸出的脈沖頻率來測量轉速的。速度檢測的精度直接影響車輛運動控制系統(tǒng)的控制效果。實現(xiàn)了電機調(diào)速與電機轉向同步控制的功能。從而實現(xiàn)了電機按照PWM占空比所對應的轉速正向轉動。當Direction為高電平時，三極管Q4集電極輸出為低電平，通過與門后3D輸出為低電平。 電機調(diào)速與轉向同步控制邏輯電路圖上圖中Direction為電機轉向控制輸入信號，PWM為電機轉速控制輸入信號。 L293電機驅動電路輸入輸出真值表使能狀態(tài)輸入電機狀態(tài)使能Vin＝1C=1，D=0電機右轉C=0，D=1電機左轉C=D電機制動使能Vin=0C=X，D=X電機自由轉動為了盡可能減少單片機I/O口資源的使用，本文中設計通過一個I/O口來控制小車行駛狀態(tài)(前進或者倒退)，通過一個PWM輸出端口來控制車速，通過一個I/O口來控制小車轉向，由一個PWM輸出端口來控制轉向速度。因此1片L293D便可以同時控制兩個直流電機進行正反轉。本文采用集成的貼片H橋驅動芯片L293D來設計小車中兩個直流電機的驅動電路。因此小車控制系統(tǒng)有兩個直流電機需要進行驅動和控制。從而省去了其它控制器所用的外圍PWM波發(fā)生電路，可以實現(xiàn)直流電機的實時控制，而且通過軟件可實現(xiàn)真正的全數(shù)字控制。目前，在直流電機的控制中主要使用定頻調(diào)寬法。定頻調(diào)寬法：該方法是使周期T（或頻率）保持不變，而同時改變t1和t2。定寬調(diào)頻法：該方法保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。在PWM調(diào)速時，占空比是一個重要參數(shù)。的變化范圍為。這樣，對應著輸入的電平高低，(b)所示。 PWM調(diào)速控制原理和電壓波形圖。絕大多數(shù)直流電機采用開關驅動方式，使半導體功率元件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制來控制直流電機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速[[] 余永權，單片機在電機控制系統(tǒng)中的應用，北京，：132~142]。這種控制方式很容易在單片機中實現(xiàn)，從而可以實現(xiàn)直流電機的數(shù)字化控制。近年來，直流電機的結構和控制方式都發(fā)生了很大的變換。單片機周期控制時首先對輸入量進行判斷，確定對應的語言變量及編號，通過查詢儲存控制規(guī)則的二維數(shù)組找到對應的輸出值，用此輸出值確定PWM的占空比，以達到控制車速的目的。通過將兩個輸入變量值對應的語言變量進行編號，用二維數(shù)組儲存輸出變量及規(guī)則，最后通過查表輸出控制量。 車輛速度控制系統(tǒng)軟件流程圖，單片機通過定時器模塊進行定時，設置100ms的控制周期，每100ms便進入定時中斷進行模糊控制程序。按照設計好的模糊控制規(guī)則表輸出相應的速度增量，并通過改變單片機輸出的PWM信號占空比來實現(xiàn)電機轉速的改變，以保證智能車按照設定好的速度行駛。因此，本文選擇使用模糊控制方式來進行速度控制。本文將兩種控制方式下的階躍響應曲線與原系統(tǒng)階躍響應輸出曲線進行對比，如下圖所示： 不同控制方式下系統(tǒng)階躍響應曲線圖，模糊控制與PID控制均能很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，縮短系統(tǒng)的上升時間，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能均得到了很好的改善。加上模糊控制器串聯(lián)校正后。誤差微分de的量化因子Kde較大的時候，超調(diào)減小，但系統(tǒng)的響應速度變慢，對抑制超調(diào)作用明顯。 模糊控制器設置圖在確定了輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則后，需要對模糊控制器的輸入變量選擇合適的量化因子，對輸出變量選擇合適的比例因子。誤差e選擇8個語言變量，分別為：負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大；誤差微分de和系統(tǒng)輸出U均選擇7個語言變量：負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。采用模糊控制方法對原系統(tǒng)進行串聯(lián)校正，模糊控制器為兩輸入單輸出系統(tǒng)，兩輸入分別為系統(tǒng)的誤差e和誤差的微分de，輸出為控制量U。最終本文選擇=1，=，=1。如果在上述調(diào)整過程中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復調(diào)整還不能得到滿意的結果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。在整定時先將積分時間設定到一個比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小()，然后減小積分時間，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對響應曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。首先整定比例部分。在PID參數(shù)進行整定時，難以根據(jù)理論的方法確定PID參數(shù)，更多的是通過試湊法來確定PID的參數(shù)[11]。 控制對象階躍響應曲線圖PID控制器，具有比例積分微分控制規(guī)律，其運動方程為： 相應的傳遞函數(shù)為： 式中，為比例系數(shù)。目前模糊控制已經(jīng)作為智能控制的一個重要分支，發(fā)展成為具有一定系統(tǒng)理論與工程應用背景的新的研究領域。PID控制器各部分參數(shù)的選擇，通過現(xiàn)場調(diào)試進行確定。因此，必須對控制算法開展研究，采取合適的控制策略，從而提高速度控制性能，使車輛穩(wěn)定行駛。 速度控制策略研究要實現(xiàn)車輛速度的精確控制，需要良好的控制算法和控制策略。 車速控制模塊研究與實現(xiàn)車速控制模塊，是以智能車主控系統(tǒng)作出的車速決策為輸入，智能車的實際速度為輸出，執(zhí)行機構為后置直流電機，反饋機構為測速傳感器，單片機主控芯片作為控制器。另外，芯片價格低廉。具有4路PWM (Pulse Width Modulation，PWM)模塊，8路高速10位ADC轉換模塊。經(jīng)過對市場上各種型號MCU的篩選，本文最終選擇使用深圳宏晶科技生產(chǎn)的STC12系列STC12LE5412AD單片機為主控芯片。本章研