【正文】 所以這種控制方法用得很少。絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。 PWM調(diào)速控制原理和電壓波形圖。秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。這樣．對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，(b)所示。占空比表示了在一個(gè)周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。由公式(2)可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下。在PWM調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)。 定寬調(diào)頻法這種方法是保持不變，只改變，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 定頻調(diào)寬法這種方法是使周期T(或頻率)保持不變，而同時(shí)改變和。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。此外，MC33886還具有魯棒的內(nèi)置保護(hù)、邏輯電平控制及通訊功能，有助于簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)的可靠性。MC33886工作電壓5～40V，最大直流負(fù)載電流達(dá)到5A，PWM頻率最高10KHz。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在本系統(tǒng)中智能車采用后輪直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖 MC33886控制邏輯表Device StateInput ConditionsFault Status FlagOutput StatesD1/D2IN1IN2/FSOUT1OUT2ForwardLHHLHHLReverseLHLHHLHFreewheeling LowLHLLHLLFreewheeling HighLHHHHHHDisable 1 (D1)HLZZDisable 2 (/D2)LLZZIN1 DisconnectedLHZHHIN2 DisconnectedLHZHHD1 DisconnectedZLZZ/D2 DisconnectedZLZZUndervoltageLZZOvertemperatureLZZShort CircuitLZZ。由控制邏輯表可知，此時(shí)是將兩個(gè)半橋并聯(lián)使用，從而擴(kuò)大了驅(qū)動(dòng)能力。 舵機(jī)控制電路 基本原理舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。比方說(shuō)機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。對(duì)于脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號(hào)獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號(hào)，這對(duì)運(yùn)放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用。也可以用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。 舵機(jī)控制電路舵機(jī)有三條控制線，藍(lán)色的線是控制線，接到控制芯片上，紅色的線是舵機(jī)工作電源線，黑色的線是地線。該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)槎鏅C(jī)會(huì)產(chǎn)生噪音）。舵機(jī)控制信號(hào)線接單片機(jī)PWM7端口，由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在1ms～2ms之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在5ms到20ms之間，并不很嚴(yán)格。舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于智能車控制非常重要，本系統(tǒng)選擇6V電源為其供電，可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。也可以通過(guò)機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩余量，將角度進(jìn)行放大，加快響應(yīng)速度。我們?cè)O(shè)置了驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制量的換檔功能。這樣可以引出四根跳線，主程序初始化后進(jìn)行這四個(gè)I/O口的電平判斷，任一I/O口為低電平時(shí)程序中相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制量就會(huì)被賦以對(duì)應(yīng)的值，這樣通過(guò)外部跳線就可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度換檔功能。路徑識(shí)別的主要要求是：在比賽中能夠正確檢測(cè)賽道的具體情況，保證智能車在該賽道上正常運(yùn)行而不沖出賽道，能夠正確處理傳感器檢測(cè)到的智能車與賽道的偏差以及道路中的不確定因素，從而使智能車能夠在賽道上快速行駛。移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃分為兩種類型：一種是基于環(huán)境先驗(yàn)信息全局路徑規(guī)劃，即把預(yù)先知道的路徑參數(shù)附給控制器；另一種是基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃，即預(yù)先不知道路徑參數(shù)。[11]在本系統(tǒng)中，智能車的路徑識(shí)別采用類似于移動(dòng)機(jī)器人的基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃。 傳感器的使用 本系統(tǒng)的賽道檢測(cè)采用光電尋跡方法。其中，紅外光電傳感器用來(lái)感知賽道的位置，確定此時(shí)智能車是否已經(jīng)偏離跑道，中間的光電傳感器檢測(cè)到黑線表示此時(shí)賽道為直道，兩邊的光電傳感器檢測(cè)到黑線表示此時(shí)的賽道為彎道，全部光電對(duì)管檢測(cè)不到黑線表示此時(shí)小車已嚴(yán)重偏離賽道；比較器用來(lái)比較光電傳感器射極輸出電壓和門限電壓，若射極輸出電壓大于門限電壓則比較器輸出高電平，反之輸出低電平。由于智能車在行駛速度較快且采樣時(shí)間較短，因此僅僅靠?jī)扇齻€(gè)光電傳感器是很難完成對(duì)賽道的完全感知，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會(huì)相對(duì)降低。各個(gè)傳感器的布局間隔對(duì)智能車行車是有一定的影響的。如果將間隔設(shè)計(jì)成小于25mm，從而產(chǎn)生更多的情況，有利于車與賽道偏移距離的判斷。每對(duì)傳感器間隔25mm，就可以保證每一時(shí)刻幾乎僅有一對(duì)傳感器檢測(cè)到黑線，從而可以有效的減少軟件的復(fù)雜性。這樣可以準(zhǔn)確區(qū)分出具體區(qū)域，如果不這樣排列，則當(dāng)出現(xiàn)迷失時(shí)，將無(wú)法判斷黑道在左邊還是右邊。 智能車車身光電對(duì)管 傳感器陣列示意圖，正中間的光電對(duì)管正好落在軸線上，左右兩邊各四個(gè)光電對(duì)管對(duì)稱地分布在軸線的兩邊。 智能車轉(zhuǎn)彎態(tài)勢(shì)分析上一節(jié)提到的左右兩邊的四個(gè)光電對(duì)管可以判斷左右轉(zhuǎn)彎，那么到底應(yīng)該怎么轉(zhuǎn)彎？應(yīng)該轉(zhuǎn)彎多少度了？以下對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行分析：由于相鄰的光電對(duì)管間隔25mm左右，而且賽道黑色引導(dǎo)線寬25mm，因此智能車在行駛過(guò)程中大多數(shù)情況下是一對(duì)光電對(duì)管在黑線內(nèi)，（a）所示；有些情況下是兩對(duì)光電對(duì)管在黑線內(nèi)，比如轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，（b）；還有些特殊情況是多個(gè)光電對(duì)管在黑線內(nèi)，比如智能車進(jìn)入出發(fā)區(qū)，（c）；或者沒有任何光電管在黑線內(nèi)，比如智能車已沖出跑道，（d）所示。情況1： 直線情況2 ：右偏狀態(tài)1情況3： 右偏狀態(tài)2情況4： 右偏狀態(tài)3情況5： 右偏狀態(tài)4情況6： 左偏狀態(tài)1情況8： 左偏狀態(tài)3情況9： 左偏狀態(tài)4情況7： 左偏狀態(tài)2 偏轉(zhuǎn)狀態(tài)圖情況1時(shí)，即賽道為直線時(shí)，九個(gè)光電對(duì)管從左到右檢測(cè)到的信號(hào)為：111101111。離：h=100mm車身軸線的距最旁邊光電管到車前輪軸線到光電管的垂直距離 H=165mm角β 舵機(jī)轉(zhuǎn)角計(jì)算圖，車前輪軸線到光電對(duì)管的垂直距離H=165mm，而最兩邊上的光電對(duì)管到車身軸線的距離h=425mm,其中25mm為相鄰兩對(duì)光電對(duì)管的中心距離。arctg(h/H)= 177。176。（b）所示，光電對(duì)管從左到右檢測(cè)111100111，那么軟件實(shí)現(xiàn)上就認(rèn)為是111110111，176。交叉跑道也屬于這種情況，這樣智能車就會(huì)忽略交叉跑道，使它沿先前的軌道繼續(xù)向前行駛而不會(huì)意外地轉(zhuǎn)彎。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)的控制算法 舵機(jī)的PID控制算法及改進(jìn)PID控制器是控制系統(tǒng)中技術(shù)比較成熟，而且應(yīng)用最廣泛的一種控制器。PID最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過(guò)硬件（電子元件、氣動(dòng)和液壓元件）來(lái)實(shí)現(xiàn)它的功能。數(shù)字PID控制器具有非常強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能[2] 。數(shù)字PID分為位置式控制算法和增量式控制算法。其公式如下： 公式3由公式3可知，只與本次偏差、上次偏差、上上次偏差有關(guān)，它的輸出對(duì)應(yīng)舵機(jī)的PWM的增量。由于PID控制器是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，靈活性很大，因此能夠根據(jù)具體要求相應(yīng)地改進(jìn)部分PID控制算法[3]。在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，控制量的輸出值要受到元器件或執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能的約束（如電源電壓的限制、放大器飽和等），因此它的變化應(yīng)在有限的范圍內(nèi)，如果控制量的計(jì)算結(jié)果超出該范圍，那么實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值了，產(chǎn)生的結(jié)果與預(yù)期的不相符，稱為飽和效應(yīng)。但當(dāng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或停車時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出很大的偏差，會(huì)使積分積累很大，從而引起強(qiáng)烈的積分飽和效應(yīng)，這將會(huì)造成系統(tǒng)振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)等不利結(jié)果[2]。為了避免出現(xiàn)該現(xiàn)象，PID控制的輸出控制量就不能超過(guò)舵機(jī)的最大轉(zhuǎn)角，因此本系統(tǒng)對(duì)積分環(huán)節(jié)做了兩個(gè)改進(jìn)：積分分離法和遇限削弱積分法。本系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)是：人為引入一個(gè)量24．44176。為此在積分項(xiàng)中乘以一個(gè)引入的系數(shù)，其值如公示4所示： 公式4 引入系數(shù)后，公式3可以改寫為公式5： 公式5根據(jù)公式5就能相應(yīng)的寫出改進(jìn)PID的程序。具體過(guò)程是：在計(jì)算前，先判斷前一次的控制量是否到達(dá)極限范圍，如果到達(dá)說(shuō)圾已經(jīng)進(jìn)入飽和區(qū)，這時(shí)再根據(jù)偏差的正負(fù)，來(lái)判斷控制量是使系統(tǒng)加大超調(diào)還是減小超調(diào)，如果是減小超調(diào)，則保留積分項(xiàng)，否則取消積分項(xiàng)。本系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)是：在積分項(xiàng)中再人為引入一個(gè)系數(shù),當(dāng)判斷后需要保留積分項(xiàng)則=1；否則=0。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的間接PID控制算法本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制算法使用間接PID控制法。然而加上車速傳感器之后又能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶來(lái)直接的控制，能比較有效、及時(shí)地改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。綜上考慮結(jié)果，為了使智能車得到更長(zhǎng)久的可靠及穩(wěn)定運(yùn)行，本系統(tǒng)不采用外加車速傳感器的直按PID驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制算法，而采用間接PID的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制算法。舵機(jī)的輸出控制量為的公式為： 公式7其中為舵機(jī)輸出控制量的增量，為舵機(jī)前一次的輸出控制量。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出控制量為，它的計(jì)算公式如下： 公式8 公式8中：常量SV為當(dāng)智能車在直線上行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量，常量BRV4為當(dāng)智能車在最大右轉(zhuǎn)行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量，常量BR4為當(dāng)智能車在最大右轉(zhuǎn)行駛時(shí)舵機(jī)的理論控制值，常量BLV4為當(dāng)智能車在最大左轉(zhuǎn)行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量，常量BL4為當(dāng)智能車在最大左轉(zhuǎn)行駛時(shí)舵機(jī)的理論控制值。當(dāng)舵機(jī)的控制量大于0（）時(shí)表明此時(shí)小車處在左轉(zhuǎn)的行駛狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量按公式8可以相應(yīng)得到；當(dāng)舵機(jī)的控制量小于等于零（）時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量同樣按公式8可以相應(yīng)得到。(BR4,BLV4)(BL4,BLV4)(0,SV) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制量變化圖，智能車左轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制量是線性減小的，而右轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制量是線性增加的。為什么本系統(tǒng)智能車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量是從左到右依次增高？以下對(duì)該問題進(jìn)行分析：。然而當(dāng)舵機(jī)左轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)離左前輪的距離遠(yuǎn)大于當(dāng)舵機(jī)右轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)離右前輪的距離，根據(jù)力矩公式：力矩，則當(dāng)左轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)智能車前進(jìn)的力矩遠(yuǎn)大于右轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)智能車前進(jìn)的力矩。綜上所述：為了使智能車以相同的轉(zhuǎn)角進(jìn)行左右轉(zhuǎn)彎時(shí)能有相同的行駛速度，則智能車左轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量必須小于右轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量。在各種干擾下，被控量應(yīng)能保持在給定值附近。因此電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一般采用PD或PID控制器結(jié)構(gòu)，以保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定，并盡可能消除靜態(tài)誤差。PID參數(shù)的選擇有兩種方法：理念設(shè)計(jì)法和試驗(yàn)確定法。本系統(tǒng)中舵機(jī)沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，且智能車在跑道上行駛的狀態(tài)也不能完全確定，因此舵機(jī)PID參數(shù)的選擇采用試驗(yàn)確定法，并能有效地確定參數(shù)。試湊法思想是：通過(guò)模擬或閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)，來(lái)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響來(lái)改變參數(shù)并且反復(fù)試湊，直到認(rèn)為得到滿意的響應(yīng)為止。本智能車系統(tǒng)PID參數(shù)的選擇采用試湊法：先單獨(dú)調(diào)整比例環(huán)節(jié)，將比例系數(shù)定為由小變大并觀察響應(yīng)，當(dāng)響應(yīng)好且超調(diào)量比較小，智能車能比較穩(wěn)定地在跑道上行駛時(shí)，這時(shí)確定下比例系數(shù)。最后引入微分環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)性能，微分系數(shù)先給一個(gè)比較小的值，然后慢慢加大，直到動(dòng)態(tài)性能滿意為止。最后不斷地在這三個(gè)參數(shù)附近調(diào)節(jié)，使智能車能夠滿足不同的賽道且能穩(wěn)定、快速地完成比賽。數(shù)字PID控制算法是模仿連續(xù)系統(tǒng)PID控制器，在近似離散化的基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。采樣周期越小，數(shù)字控制效果就越接近連續(xù)控制。在電動(dòng)機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)中，采樣周期也是一個(gè)重要的參數(shù)。本系統(tǒng)中被控對(duì)象是舵機(jī)和電機(jī)，采樣周期應(yīng)該比舵機(jī)和電機(jī)的時(shí)間常數(shù)小得多，否則采樣信號(hào)無(wú)法反映系統(tǒng)的瞬變過(guò)程；為了使連續(xù)信號(hào)采樣后輸入計(jì)算機(jī)而不失真，采樣周期應(yīng)該滿足香農(nóng)采樣定理；從控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能來(lái)考慮要求采樣周期短些；從執(zhí)行元件的響應(yīng)速度和要求來(lái)看，有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的時(shí)間；從單片機(jī)控制在一個(gè)采樣周期內(nèi)要完成的運(yùn)算工作量來(lái)考慮，一般要求采樣周期長(zhǎng)些；從單片機(jī)本身的精度考慮，過(guò)短的采樣周期是不實(shí)際的[2]。實(shí)驗(yàn)證明，選取該采樣周期滿足智能車行駛的速度和穩(wěn)定性要求。根據(jù)比賽規(guī)則里智能車的功能要求以及本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。2．光電傳感采集模塊，即采集被控對(duì)象舵機(jī)的反饋信號(hào)。4．驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PID控制算式。本系統(tǒng)軟件的編寫采用單片機(jī)C語(yǔ)言。本系統(tǒng)的程序編寫按照事先確定的合理軟件流程圖，這給軟件調(diào)試帶來(lái)方便，當(dāng)軟件出現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)參照流程圖進(jìn)行修改；同時(shí)程序編寫采用模塊化結(jié)構(gòu)方法，即將各功能子程序按模塊化方法設(shè)計(jì)成可獨(dú)立調(diào)試的程序塊，以便容易調(diào)試和連接，更有利于程序的修改和移植。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的間接PID算法描述見4．3．2節(jié)所述，以下介紹驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制量的換檔功能。B口第四位為