李偉領

摘 要智能小車可應用于無人駕駛車輛，生產線，倉庫，服務機器人及航空航天等領域，它是一種可行走的智能機器人。智能小車可在惡劣環(huán)境中進行人們無法完成的探測任務。因此，為了使智能小車在最佳狀態(tài)工作，進一步研究及完善其速度的控制是非常有必要的。本文介紹了基于k60智能小車速度控制系統的研究。

【關鍵詞】智能小車 k60 速度控制

目前，智能車的發(fā)展迅速，在國內外智能車發(fā)展迅速，應用方面也比較廣泛，在許多各類國際國外競賽中智能電子的分量也越來越重。但是，在智能車速度穩(wěn)定方面和智能控制方面一直是發(fā)展的難題。智能小車的速度的控制系統是本論文的研究重點。本車的設計思想是基于k60單片機的控制算法，設置一套穩(wěn)定的速度控制系統，在速度控制方面具有良好的穩(wěn)定性，控制算法上也具有很大的創(chuàng)新程度。

本設計是設計基于k60單片機由直流電機驅動的智能小車，包括直流電機驅動硬件電路，最小單片機應用系統等，分析速度控制原理，編寫控制程序。本設計以k60單片機為智能控制系統，選擇以飛思卡爾C型車模為機械設計的平臺，通過簡化硬件設計要求，通過傳感器技術和電機控制技術，主要研究智能小車的速度控制系統的設計。小車以MK60DN512單片機為核心，其操作編譯環(huán)境是在IAR中完成的，采用C語言編程，對各個模塊進行主控制。小車設計主要包括硬件和軟件兩大部分，用模塊化思想完成對硬件的設計，主要分為電源模塊、電機模塊、舵機模塊、車速檢測模塊、顯示模塊、核心控制模塊等。速度控制采用PWM技術以及模糊PID控制算法，實現對小車的在不同轉彎半徑下的快速通過。

1 控制系統原理

智能小車的核心控制單元作為整個系統的大腦，核心模塊的選擇具有至關重要的作用。目前，應用于智能車上的控制芯片主要有嵌入式微控制器、數據信號處理器、嵌入式微處理器三種。嵌入式微控制器的典型代表就是單片機，是將整個系統集成到一塊芯片上，體積小、功耗和成本較低、可靠性高；數據信號處理是將信號以數字方式表示并處理的理論和技術，目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波，分為可編程和不可編程兩大類，DSP是進行數字信號處理的專用芯片，具有強大的數據處理能力和快速的運行速度；嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的，具有32位以上的處理器和較高的性能，體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。

綜合以上情況，在控制芯片上我們選擇K60單片機，K60系列MCU具有IEEE1588以太網、全速、高速USB2.0OTG、硬件解碼能力和干預發(fā)現能力，具有豐富的電路、通信、定時器和外圍控制電路，高容量的K60系列帶有一個可選擇的單精度浮點處理單、NAND控制單元和DRAM控制器，而且K60具有高性能、高精度的混合信號能力、運算速度快、精度高等優(yōu)點。

2 控制系統硬件設計

2.1 直流電機驅動電路

電機驅動模塊的設計主要是為了彌補單片機自身驅動能力不足的缺陷，此電路中電機驅動模塊主要是達到驅動后面兩個直流減速電機的目的，實現電機的速度及正反轉的控制。作為系統的動作執(zhí)行結構，電機的驅動和控制，直接影響著系統運行的穩(wěn)定性。

2.1.1 電機工作原理

電機控制通過采用控制直流電機兩端的電壓的大小，來實現對電機的控制。在本設計中，主要是通過輸出脈寬調制PWM來實現的。主控單片機在接受并處理完成傳感器傳回的信息后，通過改變固定頻率直流電壓的占空比來改變其電壓值，從而實現調速。占空比就是輸出的PWM中，高電平保持的時間與該PWM時鐘周期的時間之比。小車的正常運行中，電動機的供電與其它模塊并不一樣，電動機的速度是根據傳感器的反饋隨時要進行調整，然而單片機的輸出信號電流非常小，根本不可能驅動電動機，因此需要一個專門的驅動模塊來放大單片機的信號，從而實現對電動機的驅動。

在本設計中，采用專業(yè)柵電極驅動芯片分立MOS管的方式來驅動，用兩片IR2104及四個MOS組成的全橋的電機驅動電路。IR公司的IR2104驅動芯片具有獨立的高端和低端輸出通道，有8個引腳，可以同時輸出兩個信號，高端和低端輸入通道相互獨立，能承受的電壓較高、內阻小、體積小、保護性好、成本低。其8個引腳分別為VCC、Vb、HO、Vs、COM、IN、SD、LO。N-MOS管 使用IR公司的IR7843，。

2.1.2 電機轉速的控制

PWM（晶體管脈寬調制）控制，一般是配合H橋驅動電路來實現直流電機的調速功能，這種調速方法簡單、調速范圍廣，它是利用了直流斬波原理。

直流電機的轉速與附加在電機上的端電壓成正比，電壓低，轉速慢；電壓高，轉速快。而電機兩端的端電壓又與單片機輸出的控制波形的占空比成正比，所以，直流電機的轉速與占空比成正比例。占空比越小，電機轉速越慢，當占空比達到最大值1時，電機轉速達到最大。

PWM控制波形是通過模擬電路或者是數字電路產生實現的，但是這種電路的占空比不能自動調節(jié)，小車自身無法調節(jié)車速。目前普遍使用的大部分單片機都能夠直接輸出PWM波形，所以本設計就采用單片機給L298n驅動芯片輸出PWM信號。

在小車實際行駛過程中，考慮到直行、轉彎等情況的發(fā)生，占空比不需要設置太高，但為了盡量減少規(guī)定路程所用的行駛時間，在直行時要快速行駛，轉彎時減速行駛，這些情況分別需要不同的占空比，這些需要根據具體情況慢慢調節(jié)。為了快速調節(jié)電機轉速，并且使電機轉速穩(wěn)定在設定的速度值附近，本設計采用了PI算法。

2.2 速度檢測模塊

在本設計中采用旋轉光電編碼器歐姆龍EA62-CW3C，實現對小車速度的測量。它具有雙向測速功能，可直接輸出方波，通過兩路方波的相位差來識別轉動方向。信號采集速度快、精度高，精度達到車輪每旋轉一周，旋轉編碼器產生200個脈沖，輸出一系列脈沖。在旋轉編碼器的軸上安裝一個半徑為2厘米，齒數為76 的，傳動比為1：1的齒輪，并將該齒輪與同軸后輪的傳動齒輪咬合，這樣車輪的轉動便同時帶動旋轉編碼器旋轉。

2.3 舵機模塊

舵機是由直流電機、變速齒輪組、可調電位器、控制電路板等組成。舵機的控制采用PWM信號開環(huán)控制，通過輸入不同占空比的PWM控制信號，實現對小車方向的靈活控制。舵機采用S3010，舵機工作原理為：控制電路板接收來自信號線的控制信號，控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵盤的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據其所在位置決定電機轉動的方向和速度。

3 控制系統軟件設計

智能小車能否正常運行，取決于單片機的智能控制，而連接二者的介質便是程序。在本設計中，要實現對小車的速度控制，分別從電源模塊、電機模塊、舵機模塊、調速模塊等幾個方面出發(fā)，進行程序的編寫與調試運行，最終形成一個整體的軟件。程序編寫的環(huán)境IAR軟件， 它是由IAR Systems公司推出的編譯器，他的編譯環(huán)境界面簡潔、編譯效率高、而且調試環(huán)境工具強大，所以使用它作為智能小車單片機程序的編譯環(huán)境。從創(chuàng)建工程到編譯代碼、調試運行再到J-Link下載到單片機上，都顯示出IAR軟件的優(yōu)越性。單片機程序使用C語言編寫，主要是因為C語言是一種結構化的編程語言，代碼的可讀性好，結構清晰。

本系統程序主要有系統主程序、電機控制子程序、舵機控制子程序、測速子程序等構成。采用模塊化設計，單獨編寫設計，相互間不影響，最后在進行統一天使連接，最終實現對小車的速度控制。

PID即比例、積分、微分調節(jié)。

比例調節(jié)作用是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現偏差，比例調節(jié)作用用來減小偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減小誤差，但是過大的比例使系統的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統的不穩(wěn)定。個

積分調節(jié)作用是使系統消除靜態(tài)誤差，提高誤差度。當有誤差時，積分調節(jié)就進行，直至無誤差時積分調節(jié)才停止，積分調節(jié)輸出常值。積分作用的強弱取決于積分時間T1，T1越小，積分作用就越強。反之T1大則積分作用弱，加積分調節(jié)可使系統穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。

微分調節(jié)作用反應系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以改善系統的動態(tài)性能。在微分時間內選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。如圖1所示。

4 總結

本設計速度控制系統可以使智能小車在在跑道上更快更穩(wěn)的運行，同時保證智能小車能在彎道按照最大速度通過。。該多模式速度控制系統適用于多種類型的智能小車，可以使智能小車根據路面條件的變化，在速度調節(jié)上具有更好的靈活性。

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作者單位

裝甲兵工程學院 北京市 100072