【正文】 小車能很好的完成沿黑色軌道前進(jìn)，改變軌道的形狀及轉(zhuǎn)彎角度，小車仍可以完成循跡任務(wù)，基本上能實現(xiàn)小車的路徑規(guī)劃功能。 雖然 只是一個簡單的智能算法，但有這樣的基礎(chǔ) 鋪墊 之后，就可以把更多的智能算法用于玩具 小車 的開發(fā) 中來 ，這也是 實現(xiàn) 小車智能化的一個重要方法。并且各個模塊可以自由修改，為以后的升級產(chǎn)品提供了實現(xiàn)空間。各個功能在硬件和軟件的設(shè)計上都使用了模塊的電路組件。論文介紹了該設(shè)計的總體思想和一些用到的基本的原理及系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 結(jié)論 21 世紀(jì)的電子和計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，對傳統(tǒng)玩具進(jìn)行信息化智能化改造，智能玩具能夠?qū)崿F(xiàn)越來越多的功能，更需要不斷應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品以滿足大眾的需求。 小車 能很好的完成沿黑色軌道前進(jìn)，改變軌道的形狀及轉(zhuǎn)彎角度，小車仍可以完成循跡任務(wù)。本設(shè)計采用的算法只 適用于一般情況，特殊一些的情況就可能出現(xiàn)需要具體的分析，提出單獨的循跡算法 。結(jié)果表明，小車能很好的完成循跡 功能 ，即使 遇到復(fù)雜的路線，小車通過降低速度可以提高循跡成功率 。 B C 起點 A D E F沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 表 小車實際場地 測試 時間記錄表（單位： s） 測試次數(shù) AB 路段 BC 路段 CD 路段 DE 路段 F 路段 備注 1 — 2 / 脫軌 3 — 注：小車 因速度過快而脫離軌道后仍能自行返回原軌道，無須人為搬回。 測試的場地是白色卡紙板上粘上黑色不反光膠帶制成，周圍設(shè)置了一定的防撞措施如圖 所示為測試場地示意圖 ，從起點 A 處開始，小車逆時針行駛。在進(jìn)行 實際測試 時，經(jīng)過反復(fù)的實驗，不斷的來修改參數(shù)來完善結(jié)果。 如前面所述，需要調(diào)試獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)為：電機(jī) PID 參數(shù)；舵機(jī) PID 參數(shù)；定時器中斷時間；延時時間；循跡算法參數(shù)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 軟件參數(shù)調(diào)試 首先需要檢查的是軟件編譯是否有錯誤和警告，各模塊變量參數(shù)是否定義錯誤，在軟件代碼編譯無誤之后，將其下載到 MCU 之中。當(dāng)兩對管都放置黑線之外的白色地板上時，單片機(jī)對應(yīng) I/O 口收到的電平都為低，輸入電壓為 左右，當(dāng)左邊的紅外線管進(jìn)入黑線范圍，對應(yīng)電平變高，為 左右，同時指示等紅燈亮，說明要控制小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)在右邊時同左邊情況對應(yīng)，需控制左轉(zhuǎn)。 表 為電機(jī)測試 記錄表 。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 電機(jī)控制 此模塊調(diào)試實現(xiàn)的功能是 利用 MCU 的在線調(diào)試功能（ ISP）實現(xiàn) ，當(dāng)連接單片機(jī)與電機(jī)控制芯片的 I/O 加上一定的電平可以實現(xiàn)電機(jī)左右轉(zhuǎn)向，前后轉(zhuǎn)向以及停止等功能，同時通過 改變 PWM 占空比對電機(jī)調(diào) 速。由于在小車在設(shè)計中采用模塊 化設(shè)計，所以可以方便的對各電路模塊 測試，即： MCU 控制模塊的調(diào)試、無線模塊的調(diào)試、紅外尋跡模塊的調(diào)試以及電機(jī)、舵機(jī)控制模塊的調(diào)試，最后進(jìn)行實際的場地測試。需要考慮的是高電壓（ 12V）與低電壓（ ）的隔離，防止特殊情況下電路燒毀，同時注意電源模塊發(fā)熱量較大，應(yīng)做好散熱措施。模塊的體積小且安裝固定比較方便，出現(xiàn)問題可以立即檢查哪個部分的原因，不用拆解電路就可以及時更換損壞的零件。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng)中延時較大的環(huán)節(jié)，可以通過增大舵機(jī)的工作電壓來提高舵機(jī)反應(yīng)的靈敏度，但是過高的電壓容易使舵機(jī)燒毀，因此需要多次實際調(diào)試來取得一個最為合適的電壓參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗，舵機(jī)電壓調(diào)高到 6V比較合適。小車搭建要求機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、牢固，考慮到各模塊的大小，將主要電路放在小車后輪處，這樣可以使小車重心后移，有利于轉(zhuǎn)向的靈活。 圖 LCD5110 復(fù)位時序圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 LCD 初始化程序 流程圖 如下 圖 所示 ： 圖 LCD 初始化程序流程圖沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 5 制作與調(diào)試 硬件部分制作 根據(jù)本智能玩具車的設(shè)計方案，系統(tǒng)的制作主要是硬件制作，包括三個部分：玩具小車車模的制作組裝， PCB 電路模塊的制作，各元器件的焊接和模塊的連接。 LCD5110 的初始化 過程為 ：接通電源后，內(nèi)部寄存器和 RAM 的內(nèi)容是不確定的，這需要一個 RES 低電平脈沖復(fù)位一下。 液晶顯示 Nokia5110（ PCD8544）模塊的通信協(xié)議是一個沒有 MISO 只有 MOSI 的 SPI 協(xié)議。 如圖 為 NRF24L01 模塊與 MCU 連接圖。 外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。這樣，兩個移位寄存器中的內(nèi)容就被交換 [13]。 從圖 中可以看出，主機(jī)和從機(jī)都有一個 串行移位寄存器，主機(jī)通過向它的 SPI串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。 （ 3） SCLK 時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生。 SPI 接口一般使用 4 條線通信： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 （ 1） MISO 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出。 SPI 是英語 Serial Peripheral interface 的縮寫，指的是串行外圍設(shè) 備接口 。 } 無線通信 NRF24L01 無線通信模塊是采用 SPI 總線接口與 MCU 通信的，最大的 SPI速率為 10MHz。 pwmval=((k10)*5)/18+49。由于初始化代碼與之前類似，下面 給出舵機(jī)調(diào)角度控制函數(shù) ，其中舵機(jī)角度 控制參數(shù)值范圍為 60~120 度 。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 TIM_SetCompare2(TIM2,pwm2)。 GPIO_SetBits (GPIOC, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3)。 GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3)。 綜上所述 ， PWM 相關(guān)的函數(shù)設(shè)置過程如下 ： （ 1） 開啟 TIM3 時鐘以及復(fù)用功能時鐘，配置 PB5 為復(fù)用輸出； （ 2） 初始化 TIM3,設(shè)置 TIM3 的 ARR 和 PSC； （ 3） 設(shè)置 TIM3_CH2 的 PWM 模式，使能 TIM3 的 CH2 輸出； （ 4） 使能 TIM3； （ 5） 修改 TIM3_CCR2 來控制占空比。該寄存器的各位描述如圖 所示： 反饋補(bǔ)償 伺服電動機(jī) 微分先行 速度設(shè)定 不完全微分 模糊 PID 路線偏差 速度 v(t) + + + r(t) 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 圖 TIMx_CCMR1 寄存器各位描述 需要說明的是模式設(shè)置位 OCxM，此部分由 3 位組成 ，它總共可以配置成 7 種模式，我們使用的是 PWM 模式，所以這 3 位必須設(shè)置為 110/111。 首先是捕獲 /比較模式寄存器（ TIMx_CCMR1/2），該寄存器總共有 2 個， TIMx _CCMR1 和 TIMx _CCMR2。 STM32 的 PWM 輸出功能需要用到定時器， STM32 的定時器除了 TIM6 和 TIM7 其他的定時器都可以用來產(chǎn)生 PWM 輸出。后者主要是輸出占空比可調(diào)的 PWM 波形，電機(jī)速度與 PWM 波的占空比成正比關(guān)系。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 圖 智能車速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 各模塊軟件設(shè)計 電機(jī)控制及調(diào)速 軟件控制電機(jī)的核心主要由兩部分組成：方向控制和速度控制。 圖 為智能車速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)智能車經(jīng)過連續(xù)的彎道時，路線偏差的頻繁變化會導(dǎo)致速度的頻繁變化，這會引起速度控制系統(tǒng)的振蕩，并且微分環(huán)節(jié)對于誤差突變干擾很敏感，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定 [9]。 其中起主要作用的是比例項；積分項會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向延遲，故常常將積分項系數(shù)置 0，適當(dāng)調(diào)節(jié)微分項系數(shù)能使小車優(yōu)化路徑，達(dá)到更好的轉(zhuǎn)向效果。 e (t) u(t) + + r(t) 比例 積分 微分 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 對象 + 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 PID 控制在智能玩具車上的實現(xiàn) 舵機(jī) PID 控制 舵機(jī)的 PID 控制是使用比較廣泛的方法。在微分時間選擇合適的情況下，對系統(tǒng)干擾不利。 微分調(diào)節(jié)作用反應(yīng)系統(tǒng)信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有產(chǎn)生之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除 [7]。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間T1， T1 越小，積分作用就越強(qiáng) [10]。 積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高誤差度。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 比例調(diào)節(jié)作用是按照比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)左用用來減少偏差。當(dāng)被控制對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其他技術(shù)難以應(yīng)用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)必訓(xùn)靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來決定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最方便 [7]。 圖 復(fù)雜賽道分段循跡示例 U型彎 S型彎 直道 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 自動 控制算法 PID 算法介紹 PID 控制 是 比例、積分、微分控制 的簡稱，它是工程實際中應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律 。 圖 S 型彎或 U 型彎檢測流程圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 復(fù)雜賽道的分段循跡方法 任何復(fù)雜的循跡都可以拆分成簡單的循跡來實現(xiàn)，復(fù)雜的循跡最重要的是找到交叉點，然后根據(jù)預(yù)先各種簡單路徑的判斷方法，先進(jìn)行小范圍轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向的多少 可以用前面的 傳感器 （即 SS3） 做轉(zhuǎn)過黑線數(shù)目的計數(shù) ，將一段復(fù)雜賽道拆分若干個塊 。出彎道的條件為：以 SS3 傳感器為中心，左右兩側(cè)均能檢測到黑線，例如圖 (c)的情況， SS SS3 和 SS5 檢測到黑線，可以確定小車已經(jīng)出彎。如圖 所示， 判斷最邊上的傳感器（ SS1 或 SS5） 是否檢測到黑線，轉(zhuǎn)彎一段路程進(jìn)入到彎道中部，此時再判斷各個傳感器狀態(tài)。如圖 (c)所示，轉(zhuǎn)彎過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)只有 SS3和 SS5（或 SS1）檢測到黑線時，可以判斷已經(jīng)出彎。此時，讓小車以低速度、大半徑轉(zhuǎn)彎一段路程，此段路程的長度與小車的機(jī)械性能有關(guān)，需要經(jīng)過多次實驗測定。為了避免這個問題的發(fā)生，智能車應(yīng)該在進(jìn)入彎道前判斷是否為普通小曲率彎道，若不是，則應(yīng)降低車速，進(jìn)一步判斷彎道類型。 可以得出垂直交叉路口的算法程序流程圖，如圖 所示。 //更新傳感器數(shù)據(jù) 類似的，可以保存 SS2~SS5 的傳感器上一次檢測數(shù)據(jù)為 SS2_Last~SS5_Last。 具體的程序算 法可以用上一次的檢測數(shù)據(jù)來完成，定義： SS1_Last=SS1。 圖 垂直路口的循 跡 路徑 尋 T 字形的交叉線主要的思想是：最邊上來那兩個傳感器（ SS SS2 或 SS SS5）沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 檢測黑線的時候讓小車再走一段時間，再判斷最前面那個傳感器 SS3 的狀態(tài)，如果任然有 黑線，就說明尋到了 T 字路口。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 直道及簡單彎道程序流程圖 垂直交叉路口的循跡方法 若小車行駛的賽道出現(xiàn)垂直的交叉路口，出現(xiàn)兩種情況， T 型路口和十 字路口，如圖 所示。 圖 直道及簡單彎道的循跡 路徑 根據(jù)上面所述，可以把直道和簡單彎道的循跡方法概括成流程圖 ，如下圖 所示。智能小車判斷當(dāng)前路徑為 直道及簡單的彎道 前提是， SS3始終能檢測到黑線，并且 SS1 和 SS5 始終不能檢測到黑線。此傳感器布局的不足之處在于：由于布局在兩排上，控制算法的復(fù)雜程度有了很大的增加， 若要 判斷 具體的彎道信息 ，往往需要 加 上一次的檢測數(shù)據(jù)。 因此，提出了一種改進(jìn)型方案，如圖 所示 ， 把 最 中間的傳感器 SS3 提到前面來。智能車會 在彎道突然減速，在直道會突然加速，機(jī)械磨損大。 圖 一字型排列示意圖 這種布局的優(yōu)點是簡單且安裝方便。 // 小車轉(zhuǎn)角 循跡算法 傳感器布局 在小車的調(diào)試制作過程中，不難發(fā)現(xiàn)傳感器的布局對賽道 的檢測、控制算法有很大的影響。 float speed。 速度控制 ()。 根據(jù)需要延時 ()。) { 讀取光電傳感器的數(shù)值 ()。 圖 主程序流程圖 以下是主程序的基本框架： int main(void) { 軟硬件初始化 ()。 主程序 智能玩具車的主程序流程可以用圖 來表示。 圖 無線模塊與單片機(jī)接口應(yīng)用電路 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 4 軟件設(shè)計 軟件部分為整個智能玩具車運行的核心， 完成了 硬件和機(jī)械部分，軟件算法的完善程度決定了小車運行的最終效果。使用 NRF24L01 模塊進(jìn)行通信需要在智能車上加裝一個模塊，接收端沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 需要一款單片機(jī)提供 SPI 協(xié)議驅(qū)動 NRF24L01 模塊