陶玉貴 ，胡 飛

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與人工智能學(xué)院，安徽 蕪湖 241006）

全國大學(xué)生智能汽車競賽是教育部倡導(dǎo)的課外學(xué)術(shù)科技A類競賽，其被列入國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目，是涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動控制等多學(xué)科知識的綜合性專業(yè)競賽，已成為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要平臺[1]。課題組以STC8A8K64S4A12作為主控制單元，運(yùn)用PID控制理論進(jìn)行智能控制策略研究，設(shè)計(jì)了一種能夠自主識別道路的智能競速小車，可以完成對車模平衡、速度、方向的控制。測試結(jié)果證明，該小車具有控制精確、轉(zhuǎn)向靈敏等優(yōu)點(diǎn)，提高了車速和車速控制的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

課題組設(shè)計(jì)的智能競速小車主要由傳感檢測、控制決策和動力驅(qū)動三部分組成，自主設(shè)計(jì)的六路電磁傳感器模塊負(fù)責(zé)采集賽道信息，控制決策系統(tǒng)使用搭載STC8A8K64S4A12的最小核心板，控制動力系統(tǒng)驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)角和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速[2]。電磁傳感器檢測賽道信息并發(fā)送給單片機(jī)，通過計(jì)算左右電感的偏差值來計(jì)算PID，輸出量分別發(fā)送給舵機(jī)和電機(jī)，編碼器采集并輸出速度信息反饋給主控單片機(jī)，主控單片機(jī)根據(jù)所獲得的賽道信息和車體當(dāng)前速度信息做出決策，通過PWM信號控制直流電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向控制和速度控制，控制小車平穩(wěn)行駛。智能競速小車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 小車總體結(jié)構(gòu)框架圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)核心板模塊

選用STC8A8K64S4A12為主控的核心板，該核心板結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，支持串口ISP調(diào)試方式，能夠應(yīng)對復(fù)雜的控制需求，板載USB-TTL232，可使用USB供電及下載程序。核心板采集賽道電磁信號和編碼器檢測到的速度信息，通過PID算法處理后輸出合適的控制量，再對舵機(jī)與直流電機(jī)模塊進(jìn)行精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)小車快速平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 電感的排布與安裝

電感采集賽道信息，排布位置主要考慮檢測范圍能否覆蓋到整個賽道，同時將賽道的各類元素進(jìn)行準(zhǔn)確劃分，考慮到賽道元素的多樣性，對于特殊元素的判斷要聯(lián)合使用多個電感。水平電感有助于直道循跡，八字電感有助于過彎，豎直電感在普通賽道上的電感值很小，但在環(huán)島部分會突增。根據(jù)右手螺旋定則，因三岔口中間部分有斷層，當(dāng)電感垂直向下時更利于小車判斷三岔口。次外側(cè)兩個水平電感用于判斷直道，最外面兩端的豎直電感用于判斷入環(huán)和出環(huán)，在電磁桿的中心位置放置兩個垂直向下電感用于三岔路口判斷[3]。電感排布檢測方案圖如圖2所示。

圖2 電感排布方案圖

2.3 電源模塊

電源模塊所采用的是主供電電壓7.2 V的鎳鉻電池，針對各部分傳感器及驅(qū)動板分別設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。對于單片機(jī)和傳感器模塊，選用AMS1117轉(zhuǎn)5 V后對其供電，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 5 V穩(wěn)壓電路原理圖

舵機(jī)的供電選用LM2596S芯片，在6 V供電的情況下輸出1 A以上的電流，使舵機(jī)的反應(yīng)更靈敏。6 V穩(wěn)壓電路原理圖如圖4所示。

圖4 6 V穩(wěn)壓電路原理圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動電路采用雙BTN7971B大電流H橋雙路電機(jī)驅(qū)動[4]，電機(jī)選用耐久度高、驅(qū)動力強(qiáng)勁的RS380直流電機(jī)，緩沖器選用三態(tài)輸出的8通道的SN74HC244。電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。

圖5 BTN7971B驅(qū)動電路原理圖

2.5 運(yùn)放模塊

運(yùn)放模塊選用集成運(yùn)放LMV358芯片，其具有失真小、范圍大、性價比高等特點(diǎn)。LMV358運(yùn)放電路對電磁傳感器檢測的信號進(jìn)行濾波、放大、檢波，得到直流電壓信號，經(jīng)單片機(jī)AD采集獲得正比于感應(yīng)電壓幅值的數(shù)值，輸出信號穩(wěn)定。運(yùn)放模塊電路原理圖如圖6所示，運(yùn)放模塊實(shí)物圖如圖7所示。

圖6 運(yùn)放模塊電路原理圖

圖7 運(yùn)放模塊實(shí)物圖

2.6 速度檢測模塊

小車通過加裝編碼器來檢測速度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過對小車電路性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)的考量，選用龍邱科技512線mini編碼器[5]。這是一款512線增量式編碼器，具有質(zhì)量輕、體積小等特點(diǎn)，工作電壓為3.3 V～5.0 V，CMOS輸出。工作時，單片機(jī)讀取編碼器輸出一定周期的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)速度的檢測，為閉環(huán)反饋控制提供數(shù)據(jù)。

2.7 舵機(jī)驅(qū)動電路

舵機(jī)驅(qū)動模塊控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，舵機(jī)型號選用Futaba S3010，其具有精度高、壽命長、扭矩大等特點(diǎn)。舵機(jī)安裝直接關(guān)系到轉(zhuǎn)向問題，若調(diào)整不到位，將極大地限制轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度。智能競速小車整車圖如圖8所示。

圖8 智能競速小車整車圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序結(jié)構(gòu)流程圖

程序設(shè)計(jì)主要采用順序結(jié)構(gòu)，減小任務(wù)之間的相互影響以提高智能競速小車的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率[6]。一方面，完成傳感器信號的采集與處理、舵機(jī)PWM輸出、電機(jī)PWM輸出，這三項(xiàng)在一個周期定時中斷，設(shè)置一個標(biāo)志變量作為執(zhí)行周期的標(biāo)志。另一方面，完成賽道各元素識別、小車運(yùn)行時的方向控制與速度控制、小車運(yùn)行流程控制（包括程序初始化、啟動與結(jié)束、狀態(tài)監(jiān)控等），在主程序中完成。程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖9所示。

圖9 程序結(jié)構(gòu)流程圖

3.2 電磁信號采樣處理

電感值的處理采用限幅法，減少突變，用左右兩個電感進(jìn)行循跡。濾波算法采用限幅、算術(shù)平均值濾波、歸一化相結(jié)合的方法，對電磁信號進(jìn)行穩(wěn)定性處理，以保證采集到的信號的實(shí)時性和可靠性。

3.3 增量式PID算法

PID控制是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器，智能車中常用增量式和位置式兩種算法對車身進(jìn)行控制，此處選擇增量式PID算法，輸出控制量的相對增量Δuk，其算法公式如下：

在運(yùn)用增量式PID算法進(jìn)行控制時，使用前中后3次測量的偏差得出控制量，通過調(diào)節(jié)Kp、Ki、Kd這3個參數(shù)來改善控制效果[7]。PID閉環(huán)控制流程圖如圖10所示。

圖10 PID控制流程圖

3.4 舵機(jī)控制算法

智能車轉(zhuǎn)向具有較高的實(shí)時性要求，通常采用舵機(jī)控制。舵機(jī)是一種由不同脈寬的PWM信號來控制的位置伺服系統(tǒng)[8]，在控制策略上采用增量式PID算法。但引入積分環(huán)節(jié)會使舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生遲滯性，方向控制不需要消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，為了使舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不產(chǎn)生遲滯性，需要將PID算法中的積分環(huán)節(jié)略去，只用PD控制，舵機(jī)控制整體流程圖如圖11所示。若PWM脈寬過大會導(dǎo)致舵盤旋轉(zhuǎn)角度超出其機(jī)械限位，因此要對PD控制器的輸出進(jìn)行限幅處理[9]。

圖11 舵機(jī)控制流程圖

3.5 電機(jī)控制算法

有效控制智能小車速度的一種方法是利用負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差信號，通過控制器對被控對象進(jìn)行實(shí)時修正，使系統(tǒng)的輸出量與給定量保持一致，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制[10]。因此，電機(jī)控制也采用增量式PID算法作為閉環(huán)控制，將其放入定時器中斷，在中斷中用左右兩個編碼器分別測出實(shí)時速度，使速度控制更加精確。電機(jī)速度閉環(huán)控制流程圖如圖12所示。

僅僅靠舵機(jī)并不能很好地使小車精確轉(zhuǎn)彎，在調(diào)試過程中還需要分別控制兩個電機(jī)的目標(biāo)速度，通過左右電機(jī)的差速輔助競速小車轉(zhuǎn)彎。

4 結(jié)語

課題組設(shè)計(jì)了一種基于PID算法的智能競速小車，并從系統(tǒng)軟硬件兩方面詳細(xì)闡述了該設(shè)計(jì)方案，有效實(shí)現(xiàn)了對智能競速小車運(yùn)行平穩(wěn)、精確控制的目的。在軟件算法上大膽創(chuàng)新，在保證其穩(wěn)定的同時，力求突破智能車速度的極限，總體提高了車速和車速控制的穩(wěn)定性，可以應(yīng)用于學(xué)生日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)和其他研究領(lǐng)域。