【正文】 ervo_PWM // 定義舵機(jī)信號(hào)端口 define Motor_L_PWM // 定義左電機(jī) PWM 端口 define Motor_R_PWM // 定義右電機(jī) PWM 端口 define Motor_Dead 15 // 電動(dòng)機(jī)死區(qū)補(bǔ)償 define Motor_MAX 250 define Motor_MIN 250 float Gyro_Data, // PID 參數(shù) 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 speed_P=, speed_I=。 // 小車(chē)實(shí)時(shí)速度 int angle。目前，比較常規(guī)的排列方法就是一 字型排列，如圖 所示。不足之處在于：傳感器僅有一排，且安裝在智能車(chē)的頭部 ，故對(duì)賽道黑線軌跡的曲率幾乎沒(méi)有任何預(yù)測(cè)功能。處于對(duì)穩(wěn)定性的考慮，避免小車(chē)在直道進(jìn)入彎道時(shí)沖出賽道，賽車(chē)在連續(xù)直道時(shí)不能開(kāi)足馬力，全速前進(jìn)，影響小車(chē)性能。改進(jìn)型相對(duì)于傳統(tǒng)一字型布局有顯著的優(yōu)點(diǎn)：由于傳感器 有一個(gè)分布在前排上 ，使得智能 玩具小 車(chē)對(duì)于 路徑檢測(cè) 有了一定的預(yù)測(cè)功能， 具體體現(xiàn)在 進(jìn)入 復(fù)雜 彎道的時(shí)刻，此時(shí)后一排傳感器仍在 彎 道時(shí)，前一排傳感器已經(jīng) 檢測(cè)到彎道的變化 。 圖 改進(jìn)型排列示意圖 SS1 SS2 SS4 SS5 SS3 SS1 SS2 SS3 SS4 SS5 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 直道 及簡(jiǎn)單彎道 的循跡方法 直道及簡(jiǎn)單的彎道 循跡只用三個(gè)循跡傳感器就可以實(shí)現(xiàn)，可以用循跡模塊上面的SS SS3 和 SS4 三個(gè)傳感器。在這個(gè)前提下，當(dāng) SS2 碰到黑線時(shí)可以向左轉(zhuǎn)， SS4 碰到黑 線的時(shí)候可以向右轉(zhuǎn)，如圖 所示，就可以實(shí)現(xiàn) 直道 簡(jiǎn)單 彎道 的循跡方法。需要注意的是，該流程圖是單一子程序算法的流程，因此僅僅代表算法的一部分，當(dāng)小車(chē)路徑不為設(shè)定的直道或簡(jiǎn)單彎道時(shí)，流程圖實(shí)際上箭頭是指向結(jié)束的。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，若遇到垂直彎道完全可以按照弧形彎道的方法來(lái)處理，小車(chē)很難出現(xiàn)跑偏的情況。 尋十 字形的交叉線主要的思想是邊上的四個(gè)傳感器（ SS SS SS SS5）碰到黑線的時(shí)候讓小車(chē)再走一段時(shí)間，再判斷最前面那個(gè)傳感器 SS3 的狀態(tài)，如果有黑線，就說(shuō)明尋到了十字路口。 //保存當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù) SS1=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_8)。將傳感器當(dāng)前數(shù)據(jù)和上一次檢測(cè)數(shù)據(jù)共同參與路徑判斷，能夠提高識(shí)別的精確度。 圖 垂直交叉路口的算法程序流程圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 S 型彎及 U 型彎的循跡 方法 S 型彎和 U 型彎屬于大曲率彎道，由于傳感器個(gè)數(shù)和智能車(chē)反應(yīng)時(shí)間的限制，容易使路徑判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致小車(chē)偏離賽道。 如圖 (a)所示，當(dāng)前方遇到 S 型彎道時(shí) ，判斷 最邊上兩個(gè)傳感器（ SS1 或 SS5），若檢測(cè)到黑線，說(shuō)明當(dāng)前路徑并非普通的小曲率彎道，需要進(jìn)一步判斷為何種類(lèi)型的彎道 。當(dāng)小車(chē)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎之后行駛到 S 彎中部時(shí)，判斷中間三個(gè)傳感器（ SS SS SS4）的狀態(tài)，若三個(gè)傳感器均能檢測(cè)到黑線，則可以確定為此為S 彎，此時(shí)小車(chē)以相同半徑反方向轉(zhuǎn)彎。 （ a） （ b） （ c） 圖 S 型彎的循跡 U 型彎道與 S 型彎道類(lèi) 似，先要判斷是否為特殊彎道，在進(jìn)一步判斷彎道類(lèi)型。若只有 SS3 和 SS5（或 SS1）檢測(cè)到黑線，則判斷為 U 型彎，采取大于 180 度的角度轉(zhuǎn)彎。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 （ a） （ b） （ c） 圖 U 型彎的循跡 同樣的，可以歸納出判斷 S 型彎或 U型彎的程序流程圖，如圖 所示。 如圖 所示，可以用硬件定時(shí)器定時(shí)一段時(shí)間為依據(jù)劃分段，也可以通過(guò)編碼器記錄小車(chē)行進(jìn)的距離為依據(jù)劃分若干個(gè)路段。 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠、調(diào)整方便 ，因此問(wèn)世 70 多年來(lái) 成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。如圖 為 PID 控制系統(tǒng)原理圖。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但是過(guò)大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。當(dāng)有誤差時(shí)，積分 調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)誤差時(shí)積分調(diào)節(jié)才停止，積分調(diào)節(jié)輸出常值。反 之 T1 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可以使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 智能汽車(chē) 的結(jié)構(gòu)和參數(shù)受到各個(gè)方面的影響，所以系統(tǒng)得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)也難以應(yīng)用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，因此 PID 控制技術(shù)最方便。 其表達(dá)式為： ???????????? = ?????? +???? ∑??+??????? 式中， e 為車(chē)身與跑道的偏移量； Kp 為比例系數(shù)； Ki 為積分系數(shù)； Kd 為微分系數(shù)；output 為舵機(jī) PWM 輸出量； Δe 為上一次偏移量與當(dāng)前偏移量之差 。 電動(dòng)機(jī) PID 控制 為了使智能玩具車(chē)在直道上以較快速度運(yùn)行，在轉(zhuǎn)彎時(shí)防止汽車(chē) 沖出跑道，則必須將智能車(chē)的速度降低，這就要求智能車(chē)的速度控制具有良好的加、減速功能 [7]。為了解決上訴存在的問(wèn)題，對(duì)數(shù)字 PID 算法進(jìn)行了改進(jìn)，將不完全微分和微分先行引入到PID 算法中，大大改善了速度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。由于賽道路況和智能車(chē)的姿態(tài)會(huì)經(jīng)常變化，所以速度控制系統(tǒng)的模型也是不定的，通過(guò)調(diào)試得到不同情況下相對(duì)最優(yōu)的 PID 參數(shù)，保證了速度控制系統(tǒng)在不同情況下都有較好的控制效果。前者主要是使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上面的控制端，通過(guò)單片機(jī)的 I/O 口輸出控制信號(hào)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， PWM 頻率為 1~10Khz 時(shí)，電機(jī)的調(diào)速性能較好，這里我們使用 2KHz。要使 STM32 的通用定時(shí)器 TIMx 產(chǎn)生 PWM 輸出會(huì)用到 3 個(gè)寄存器，分別是：捕獲 /比較模式寄存器（ TIMx_CCMR1/2）、捕獲 /比較使能寄存器（ TIMx_CCER）、捕獲 /比較寄存器（ TIMx_CCR1~4）。 TIMx_CCMR1 控制 CH1 和 2，而 TIMx_CCMR2 控制 CH3和 4。這兩種 PWM 模式的區(qū)別就是輸出電平的極性相反。 小車(chē) 電機(jī) 前進(jìn) 的控制程序如下： void Motor_Go(void) { GPIO_SetBits (GPIOC, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2)。 } 類(lèi)似的， 小車(chē)后退 控制程序： void Motor_Back(void) { GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2)。 } 電機(jī)調(diào)速 代碼如下，其中 PWM 的占空比范圍為 0~99： void Motor_Set_Speed(unsigned char pwm1, unsigned char pwm2) { TIM_SetCompare1(TIM2,pwm1)。 } 舵機(jī)控制 舵機(jī)的初始化與電機(jī)控制類(lèi)似，都是 PWM波形，不同的是舵機(jī)的 PWM頻率為 50Hz，且脈寬只能在一定范圍內(nèi)改變。 void Servo_Angle_Set(unsigned char k) { unsigned int pwmval。 TIM_SetCompare1(TIM3,pwmval)。 圖 SPI 內(nèi)部簡(jiǎn)明圖 如圖 所示為 SPI 的內(nèi)部簡(jiǎn)明圖。 SPI 是一種高速的全雙工同步通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為 PCB 的布局上節(jié)省空間，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，現(xiàn)在越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議， STM32 也有 SPI 接口。 （ 2） MOSI 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入。 （ 4） CS 從設(shè)備片選信號(hào)，由主設(shè)備控制。寄存器通過(guò) MOSI信號(hào)線將字節(jié)傳送給從機(jī)，從機(jī)也將自己的移位寄存器中的內(nèi)容通過(guò) MISO 信號(hào)線返回給主機(jī)。 圖 SPI 總線初始化流程圖 圖 所示為 SPI 總線初始化流程圖。如果只進(jìn)行寫(xiě)操作，主機(jī)只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機(jī)要讀取從機(jī)的一個(gè)字節(jié)，就必須發(fā)送一個(gè)空字節(jié)來(lái)引發(fā)從機(jī)的傳輸。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 圖 NRF24L01 模塊與 MCU 連接圖 綜上所述， NRF24L01 初始化 過(guò)程 如下： （ 1） 初始化 NRF24L01 芯片的 I/O 口，配置上拉輸入和推挽輸出模式； （ 2） 使能 STM32 的 SPI 總線，配置主從模式； （ 3） 定義 SPI 通信的波特值， 開(kāi)啟 CRC 校驗(yàn)； （ 4） 向 NRF24L01 的 ADDR 寄存器寫(xiě)入 5 個(gè)字節(jié)的地址； （ 5） 再讀出寫(xiě)入的地址，判斷初始化程序是否成功。 STM32 系列 MCU 有富裕的 SPI 接口，所以可以直接利用利用硬件 SPI，但通常沒(méi)有必要，因?yàn)樾酒黝l高 且液晶數(shù)據(jù)傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高 ，只需要軟件程序模擬即可。當(dāng) VDD 變?yōu)楦唠娖?，達(dá)到 VDDmin（ 或更高 ）之后，最多 100ms， RST 輸入低電平 （ 電平幅度 ） ，如圖 所示。 小車(chē)的車(chē)體是控制電路平臺(tái)的載體。前排的傳感器安裝位置盡量靠前，以獲得最大的探測(cè)視野和提前量，使動(dòng) 作反應(yīng)更加靈敏。 考慮到玩具智能小車(chē)工作的環(huán)境比較惡劣，機(jī)械震動(dòng)比較大，工作電壓不穩(wěn)定且容易由于碰撞等因素使得電路出現(xiàn)問(wèn)題，因此 盡量少用洞洞板和飛線直接焊接，而使用較為穩(wěn)定的集成的 PCB 模塊。 各模 塊的簡(jiǎn)介采用接插件固定在一整塊洞洞板上，關(guān)鍵位置需要用銅柱螺絲固定，防止小車(chē)行駛過(guò)程中脫落。 系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件 參數(shù) 調(diào)試和場(chǎng)地 實(shí)際 調(diào)試。 硬件調(diào)試 硬件測(cè)試即 對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實(shí)現(xiàn)指定的功能。 這種方法可以檢測(cè)出電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊出現(xiàn)的問(wèn)題。 表 電機(jī)測(cè) 記錄 試 表 IN1（ PA6） IN2（ PA7） IN3（ PA8） IN4（ PA9） 小車(chē)行駛狀態(tài) 0 1 1 0 前進(jìn) 1 0 0 1 后退 0 1 0（ 1） 0（ 1） 前右轉(zhuǎn) 0（ 1） 0（ 1） 1 0 前左轉(zhuǎn) 1 0 0（ 1） 0（ 1） 左后退 0（ 1） 0（ 1） 0 1 右后退 0（ 1） 0（ 1） 0（ 1） 0（ 1） 停止 紅外對(duì)管尋跡 尋跡對(duì)管有 5 個(gè)組成，所以分別調(diào)試其有效信號(hào)。其中選取 其中兩個(gè)傳感器進(jìn)行 5次硬件測(cè)試記錄如下表 ： 表 尋跡硬件測(cè)試記錄 測(cè)試次數(shù) 第 1 次 第 2 次 第 3 次 第 4 次 第 5 次 放置位置 雙管黑線上 左管黑線上 右管黑線上 左管黑線上 雙管黑線上 放置距離 3CM 2CM 2CM 3CM 5CM 電壓 電壓 由上表可以看出小車(chē)的尋跡紅外線管只要放置在離地面 4CM 之內(nèi)一般都可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出，而實(shí)際車(chē)頭離地面的距離也只有 2~4CM，可以實(shí)現(xiàn)有效控制。檢查小車(chē)能否正常工作，接下來(lái)還是利用 ISP 調(diào)試和無(wú)線模塊通信對(duì)軟件算法的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。 實(shí)際測(cè)試 各模塊都調(diào)試通過(guò) 和軟件參數(shù)調(diào)整合適 之后，將各個(gè)模塊連接起來(lái)與硬件結(jié)合進(jìn)行場(chǎng)地 實(shí)際測(cè)試 。使程序按照要求設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行。 圖 測(cè)試場(chǎng)地示意圖 測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如下表 和表 。 表 小車(chē)循跡情況記錄表 AB 路段 BC 路段 CD 路段 DE 路段 F 路段 勻速通過(guò)， 舵機(jī)動(dòng)作幅度較小， 循跡很少出現(xiàn)丟失的情況 入彎前減速，中斷勻速，出彎減速，在入彎時(shí)小車(chē)角度有大幅度調(diào)整，容易丟失路徑 勻速通過(guò)， 舵機(jī)動(dòng)作幅度較小， 循跡很少出現(xiàn)丟失的情況 路段復(fù)雜，小車(chē)平均速度較低， 舵機(jī)頻繁的大幅度調(diào)整，小車(chē) 容易丟失路線 由于彎道較規(guī)整，舵機(jī)不用較多調(diào)整， 基本能夠勻速通過(guò)，成功率較高 根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以看出小車(chē)循跡功能 能夠比較良好的 實(shí)現(xiàn)。但小車(chē)在 循跡遇到較為急的彎道 經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間 和多次 的調(diào)整才能 循到路線 ， 因此 采用的算法 還有提升的空間 。 在調(diào)試過(guò)程中 ，小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定 ，說(shuō)明模塊化的設(shè)計(jì)起到了很好的效果 。 無(wú)線模塊功能和 液晶顯示正常。 本設(shè)計(jì)主要是采用了現(xiàn)代控制技術(shù)和嵌入式技術(shù)，通過(guò)對(duì)玩具車(chē)的改造，加裝主控板和各種各樣 的模塊，實(shí)現(xiàn)了玩具小車(chē)的循跡行駛功能，通過(guò)無(wú)線模塊和液晶顯示器，能夠很好的反應(yīng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。本文主要的思路如下： （ 1）本設(shè)計(jì)使用模塊化的設(shè)計(jì)方法。這樣的好處能夠提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （ 2）本設(shè)計(jì) 中軟件控制 的 關(guān)鍵在于 把 一種 基于分段的路徑識(shí)別方法 和 PID 算法 加入智能玩具 小車(chē)的設(shè)計(jì)中， 因此 在復(fù)雜的路徑 條件 下，小車(chē)依然能夠較好的完成 預(yù) 定 功能。 （ 3）系統(tǒng)經(jīng)過(guò) 大量 測(cè)試， 可靠性 得到提高。 該智能玩具小車(chē)系統(tǒng)還存在需要改進(jìn)的地方： （ 1）小車(chē)所行走的區(qū)域有可是一個(gè)固定的路線，因此可以在