鄧良益 易佳 王浩 顏雁軍 單飛橋

摘? 要：文章基于PID算法設(shè)計(jì)了一種智能小車，該小車包括控制模塊、探測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊。以STM32F103芯片為控制模塊核心，采用雙路全H橋驅(qū)動(dòng)芯片TB6612驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，探測(cè)模塊包括一個(gè)超聲波測(cè)障模塊、四個(gè)紅外循跡對(duì)管和光電編碼器、人機(jī)交互模塊包括一個(gè)手機(jī)藍(lán)牙APP和LCD彩色液晶顯示屏。采用增量式PID算法實(shí)現(xiàn)了小車軌跡的精確控制。小車設(shè)計(jì)的功能有：直行、左右轉(zhuǎn)彎、超聲波避障及測(cè)距、紅外循跡、APP藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制及測(cè)速。

關(guān)鍵詞：增量式PID;STM32;超聲波測(cè)障;藍(lán)牙透?jìng)?紅外尋跡

中圖分類號(hào)：TP23? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0093-02

Abstract： This paper designs an intelligent car based on PID algorithm， which includes control module， detection module， driving module and human-computer interaction module. With STM32F103 chip as the core of the control module， the DC motor is driven by a dual H-bridge driver chip TB6612. The detection module includes an ultrasonic obstacle detection module， four infrared tracer pairs and photoelectric encoder， and a human-computer interaction module including a Bluetooth APP and LCD color LCD display. The incremental PID algorithm is used to realize the precise control of car trajectory. The functions of car design include： straight line， left and right turn， ultrasonic obstacle avoidance and ranging， infrared tracing， APP Bluetooth remote control and speed measurement.

Keywords： incremental PID; STM32; ultrasonic barrier detection; Bluetooth transmission; infrared tracing

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的主控制器采用STM32系列單片機(jī)STM32F103VET6。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)使用2個(gè)有刷直流電機(jī)，高的轉(zhuǎn)速控制靈活簡(jiǎn)便。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)由1個(gè)TB6612FNG雙H橋大電流驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)。TB6612FNG每通道輸出最高1.2A的連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，啟動(dòng)峰值電流達(dá)2A/3.2A（連續(xù)脈沖/單脈沖）;4種電機(jī)控制模式：正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動(dòng)/停止;PWM支持頻率高達(dá)100kHz。

（2）測(cè)速模塊

本系統(tǒng)采用在電機(jī)上安裝測(cè)速碼盤，利用光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)脈沖輸出，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)速，其優(yōu)點(diǎn)是獲取信息準(zhǔn)確，體積小，不增加車輪的負(fù)擔(dān)。

（3）超聲波測(cè)障模塊

本系統(tǒng)使用超聲波模塊HC-SR04來(lái)實(shí)現(xiàn)障礙物的有無(wú)檢測(cè)和距離檢測(cè)。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm;模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

機(jī)器內(nèi)部超聲波只需要提供一個(gè)10uS以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。

（4）紅外循跡模塊

本系統(tǒng)采用四個(gè)紅外光電對(duì)管實(shí)現(xiàn)循跡功能，每個(gè)紅外對(duì)管的發(fā)射管不斷的發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒(méi)有被反射回來(lái)或者被反射回來(lái)但是強(qiáng)度不夠大時(shí)，紅外接收一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的TTL輸出為高電平，相應(yīng)的指示二極管一直處于熄滅狀態(tài);當(dāng)黑線出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被吸收且強(qiáng)度足夠大，紅外接受管關(guān)斷，此時(shí)模塊的TTL輸出為高電平，指示二極管熄滅。

（5）藍(lán)牙無(wú)線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)采用HC-05主從一體藍(lán)牙模塊，通過(guò)該藍(lán)牙模塊控制實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)彎、倒車右轉(zhuǎn)、倒車左轉(zhuǎn)、測(cè)速、避障等功能?？刂品椒樵谛≤囆凶哌^(guò)程中通過(guò)Android手機(jī)利用APP界面的“按鈕”控制改變小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 智能小車軟件設(shè)計(jì)

2.1 增量式PID的算法實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)方式來(lái)完成小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)節(jié)。該方法的調(diào)節(jié)效率高，絕對(duì)誤差小。

傳統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)如圖2所示：

在算法層面本系統(tǒng)使用單級(jí)增量式PID，輸入為目標(biāo)角度，輸出為PWM的增減量。其計(jì)算公式（1）如下：

其中Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)。ek為第k次采樣的實(shí)時(shí)輸出與設(shè)定值的誤差。

其算法流程如下：

在整定PID參數(shù)時(shí)先進(jìn)行比例系數(shù)的整定，然后進(jìn)行積分系數(shù)的整定以消除穩(wěn)態(tài)誤差，最后進(jìn)行微分系數(shù)的整定以減小角度的超調(diào)量。

智能小車機(jī)器人通過(guò)串口通信發(fā)送速度值，上位機(jī)用 Visual Basic 6.0編制的PID曲線繪制軟件通過(guò)串口接收速度值，在校驗(yàn)通過(guò)后，實(shí)時(shí)的繪制出PID速度曲線，進(jìn)行在線整定數(shù)字PID的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 直行及變向測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：小車反應(yīng)很迅速，不會(huì)出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象。前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、加速減速均已實(shí)現(xiàn)。其中左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)是通過(guò)改變左右輪的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。加速減速是改變輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)TB6612的PWM的占空比實(shí)現(xiàn)。

3.2 避障及循跡測(cè)試結(jié)果

尋跡的原理是通過(guò)紅外對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)黑線的位置，通過(guò)程序判斷黑線的位置來(lái)了解小車本身所處的位置，從而決定小車下一步的行進(jìn)路線。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試效果非常好完全可以按照黑線所指示的路線行進(jìn)，而且程序穩(wěn)定性十分好。

3.3 藍(lán)牙控制及數(shù)據(jù)回傳實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在stm32最小系統(tǒng)板上，藍(lán)牙模塊連接的是USART2的RX和TX，通過(guò)在程序的USART2的接收終端所接收的字符來(lái)判斷小車下一步該執(zhí)行什么程序。并且小車將當(dāng)前所處的狀態(tài)（左右輪的轉(zhuǎn)速以及超聲波探頭所測(cè)的距離值）返回手機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了智能小車的總體設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)框圖，主要研究了智能小車機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)， 并給出了系統(tǒng)架構(gòu)和軟件流程。采用數(shù)字增量PID控制算法對(duì)直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在上位機(jī)編制 PID 曲線繪制軟件方便整定 PID 參數(shù)。經(jīng)過(guò)模塊測(cè)試和整機(jī)測(cè)試，該系統(tǒng)控制精度高，運(yùn)行可靠，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可被廣泛用于教學(xué)、智能玩具和搬運(yùn)等場(chǎng)合，有很好的實(shí)用價(jià)值。

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