智能车的控制系统设计毕业论文设计.doc

河河南南理理工工大大学学 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 专业班级 学生姓名 一 题目 智能车控制系统设计 二 起止日期 年 月 日至 年 月 日 三 主要任务与要求 指 导 教师 职称 学 院 领导 签字 盖章 年 月 日 河南理工大学毕业设计说明书 河河南南理理工工大大学学 毕业设计 论文 评阅人评语毕业设计 论文 评阅人评语 题目 智能车控制系统设计 评 阅 人 职称 工作单位 年 月 日 河南理工大学毕业设计说明书 河河南南理理工工大大学学 毕业设计 论文 评定书毕业设计 论文 评定书 题目 智能车控制系统设计 指 导 教师 职称 年 月 日 河南理工大学毕业设计说明书 河河南南理理工工大大学学 毕业设计 论文 答辩许可证毕业设计 论文 答辩许可证 答辩前向毕业设计答辩委员会 小组 提交了如下资料 1 设计 论文 说明 共 页 2 图纸 共 张 3 指导教师意见 共 页 4 评阅人意见 共 页 经审查 专业 班 同学所提 交的毕业设计 论文 符合学校本科生毕业设计 论文 的相 关规定 达到毕业设计 论文 任务书的要求 根据学校教学管 理的有关规定 同意参加毕业设计 论文 答辩 指导教师 签字 盖章 年 月 日 根据审查 准予参加答辩 答辩委员会主席 组长 签字 盖章 年 月 日 河南理工大学毕业设计说明书 河河南南理理工工大大学学 毕业设计 论文 答辩委员会 小组 决议毕业设计 论文 答辩委员会 小组 决议 电气 院 系 自动化 专业 班 同学的毕业设计 论文 于 年 月 日进行了答辩 根据学生所提供的毕业设计 论文 材料 指导教师和评阅 人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况 毕业设计 论文 答辩委员会 小组 做出如下决议 一 毕业设计 论文 的总评语 二 毕业设计 论文 的总评成绩 三 答辩组组长签名 答辩组成员签名 答辩委员会主席 签字 盖章 年 月 日 河南理工大学毕业设计说明书 摘要 本文主要介绍了智能小车控制系统的软硬件设计及开发过程 车模系统 的简单工作原理是单片机收集红外传感器返回来的赛道信息 通过相应运算 后 软件判断其有效性 结合控制算法控制随动舵机给出合理舵值 控制前 轮舵机转向 单片机再给出合适的 PWM 波占空比以控制电机转速 小车设计主要包括硬件电路设计和软件控制设计两大部分 此智能车系 统采用模块化设计思想 完成了系统硬件电路的设计 其主要包括核心控制 模块 电源管理模块 电机驱动模块 舵机控制模块 车速检测模块 路径 识别模块等 本系统以 16 位微处理器 MC9S12DG128 为控制核心 MC9S12DG128 微控制器是 M68HCS12 系列 16 位单片机中的一种 其内部结构 主要有单片机基本部分和 CAN 功能块部分组成 为了提高系统的运行性能 对转向控制策略 行驶速度控制策略及后轮 驱动闭环 PID 控制算法策略等进行了详细分析与设计 在此基础上 完成 了系统软件的具体设计和实现 关键字关键字 模块化 PID 单片机 PWM 1 Abstract This paper mainly introduces the hardware and software of the control system of intelligent car design and development process The simple models system working principle is to collect infrared sensor mcu return circuit information through the corresponding operation the software judge its effectiveness combining control algorithm with dynamic steering gear control reasonable front wheel steering gear control rudder values steering mcu and then presents the right PWM waves occupies emptiescompared to control motor speed Car design includes hardware circuit and software control design of two parts The smart car system adopts the idea of modular design complete the hardware circuit design and its main including core control module power management module motor driver module steering gear control module speed detection module path recognition module etc This system to MC9S12DG128 as control core M68HC12 series MC9S12DG128 microcontroller is one of 16 bit mcu its internal structure is mainly a mcu basic parts and CAN function blocks parts In order to improve the operation of the system performance the steering control strategy and speed closed loop control strategies and rear wheel drive strategy of PID control algorithm is a detailed analysis and design On this basis completed the specific software system design and implementation Key word modular PID MCU PWM 河南理工大学毕业设计说明书 目录 1 1 绪论绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 2 国内外研究现状 1 3 论文主要内容及结构 2 2 智能车硬件电路设计智能车硬件电路设计 2 1 设计目标 2 2 控制芯片 MC9S12DG128 电路设计 2 2 1 晶振及锁相环 2 2 2 复位电路 2 2 3 I O 口分配 2 3 电源管理单元 2 4 路径识别单元 2 5 车速检测模块 2 6 舵机控制单元 2 7 直流驱动电机控制单元 3 3 智能车软件设计智能车软件设计 3 1 路径的检测 3 2 转角的控制 3 3 车速的控制 3 3 1 模糊控制设定速度 3 3 2 PID 控制调整速度 4 4 总结总结 致谢致谢 3030 河南理工大学毕业设计说明书 参考文献参考文献 3131 附录附录 A A 程序代码程序代码 3232 1 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着世界范围内汽车普及率的提高 汽车在极大地方便人们生活的同时 也带来了大量问题 如交通安全问题 城市交通拥挤和环境污染等 解决交 通问题的直接办法是提高路网的通行能力 但是 就目前来看 汽车数量的 增加已经导致已有的道路远不能满足经济发展的需要 单纯地进行道路基础 设施的建设由于受到土地 经济成本 时间等多重因素的制约 不可能解决 交通问题 真正切实可行的方法是如何提高现有道路的容量和效率 在这种 背景下 运用高新技术 将现有的道路和车辆综合起来考虑 构建智能交通 系统来解决交通问题的思想应运而生 智能交通系统是将先进的信息技术 数据通讯技术以及计算机技术等有效地综合运用于整个交通管理体系和车辆 而建立起来的一种大范围 全方位发挥作用的 实时 准确 高效 先进的 运输系统 智能车辆作为智能交通系统的关键技术 是一个集环境感知 规划决策 多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统 它集中运用了计算机 现代传感 信息融合 通信 人工智能及自动控制等技术 是典型的高新技术综合体 然而 智能车辆系统是一个极为复杂的系统 如何利用相关的高新技术实现 智能交通系统的效用 正处于不断发展与完善中 因此 利用各种先进实验 交通技术构建研究平台是非常必要的 综上所述 通过对车辆智能化技术的研究和开发 可以提高车辆的控制 与驾驶水平 保障车辆行驶的安全畅通 高效 不断完善对智能化的车辆控 制系统的研究 相当于延伸扩展了驾驶员的控制 视觉和感官功能 能极大 地促进道路交通的安全性 对构建智能交通系统有着十分重要的意义 河南理工大学毕业设计说明书 1 2 国内外研究现状 在世界科学界和工业设计界中 众多的研究机构都在研发智能车辆 其 中具有代表性的智能车辆包括 美国 NavLab 系列智能车辆系统 该系统是由美国卡内基 梅隆大学机 器人研究所研制的 NavLab V 系统的车体采用 Pontiac 运动跑车 其传感 器系统包括视觉传感器系统 差分 GPS 系统 光纤阻尼陀螺和光码盘 计算 机系统包括 1 台 SparcLx 便携式工作站和 l 台 HCII 微控制器 工作站完成 传感器信息处理与融合 全局与局部路径规划 HCU 完成底层车体控制与安 全监控 目前 NaVLab 系列己发展到 NaVLab 11 德国 VaMoRs P 智能车辆系统 该系统由德国联邦国防大学和奔驰汽车 公司研制的 车体采用奔驰 500 型轿车 传感器系统包括由 4 个小型彩色 CCD 摄像机构成的两组主动式双目视觉系统 3 个惯性线性加速度计和角度 变化传感器 测速表及发动机状态测量仪等 执行机构包括方向力矩电机 电子油门和液压制动器等 计算机系统由基于 Transputer 的并行处理单元 和 2 台 PC 486 组成 用于图像特征抽取 物体识别 对象状态估计 行为 决策 控制计算 方向控制和信息通信 I O 操作 数据库操作 图形显示 两台 PC 486 主要用于软件开发和人机交互 数据登录等 国内智能车辆研究由于起步晚 以及经济条件的制约 在智能车辆研究 领域与发达国家有一定的差距 目前开展这方面研究工作的单位主要包括一 些大学和科研机构 具有代表性的系统有 7B 8 智能车辆系统 该系统是由南京理工大学 北京理工大学 浙江 大学 国防科技大学 清华大学等多所院校联合研制 属于军用室外智能车 辆 于 1995 年底通过验收 车体是由国产跃进客货车改制而成 车上安装 了摄像机 激光雷达 陀螺惯导定位 超声波等传感器 计算机系统采用 2 台 SunlO 完成信息融合 黑板调度 全局 局部路径规划 2 台 PC 机完成 路边抽取识别和激光信息处理 单片机完成定位计算和车辆自动驾驶 清华大学 THMR 系列智能车辆系统 该系统是由清华大学计算机系智能 河南理工大学毕业设计说明书 技术与系统国家重点试验室在国防科工委和国家 863 计划的资助下研制的 THMR III 的车体选用 BJl022 面包车改装而成 该车上集成了二维彩色摄 像机 磁罗盘光码盘定位 GPS 超声等传感器 计算机系统采用 Sun Spark 10 l 台 PC 486 2 台和 8098 单片机数台 Sun 完成任务规划 根据 地图数据库信息进行全局规划 l 台 PC 机完成视觉信息处理 另 1 台 PC 完 成局部规划 反射控制及系统监控 数台 8098 完成超声测量 位置测量 车体方向速度的控制 控制系统采用多层次 感知一动作 行为控制及基于 模糊控制的局部路径规划及导航控制 目前 THMR 系列已发展到 THMR V 吉林大学 JLUIV 系列智能车辆系统 该系统是由吉林大学智能车辆课题 组在国家自然科学基金 教育部博士基金等资助下研制的 JUTIV Il 型智 能车的车载传感器系统有 CCD 摄像机 三维激光测距仪 GPS 定位系统 远 近距离避障传感器 制动拉压力传感器 光电编码器等 计算机系统采用 1 台 Pentium III 工业控制计算机 完成车辆的传感信息获取 周围环境感知 图像处理 导航路径识别及决策控制 目前 JLUIV 系列已发展到 JUTIV III 飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛就是在这样的背景下应运而生的 比赛由国家教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办 飞思卡尔半 导体公司协办 由组委会提供统一的车模和单片机 要求各参赛队在不改变 车模的底盘结构的前提下 通过选择适当的检测方案和控制算法 使车模能 够在专门设计的跑道上自主地识别路线行驶 单圈行驶时间最短的赛车获胜 这样 通过提供一个相同的比赛平台 各参赛队伍必须仔细研究车模的数学 模型和控制方案 从检测和控制的角度来解决这个问题 1 3 论文主要内容及结构 本报告分为五章 第一章为绪论 第二章主要介绍了智能车硬件电路设 计包括各个模块的电路设计方案以及相关电路 方案以 M68HCS12 单片机为 核心 包括总体控制系统的设计 各部件需要的供电电源设计 传感器电路 河南理工大学毕业设计说明书 设计 速度检测电路的设计以及电机与舵机驱动模块的设计等 第三章为智 能车软件设计 根据传感器采集的道路信息 经处理分析之后 控制转角和 速度以使智能车能够快速的跑完赛道 第四章为总结 路径检测模块 路径检测的好坏直接影响你的控制策略和小车是否能稳 定快速的按照规定完成赛道 现在常用的方案有 CCD 摄像头寻迹和光电传感 器 电磁传感器寻迹三种方案 本设计采用的是光电传感器 测速模块 测速方法主要有霍尔集成传感器 断续式光电开关和编码器 三种方法 考虑到测速精度及成本问题 最后采用编码器采集速度信息 电机与舵机控制模块 电机是模型车的动力 分为舵机和驱动电机 可 想而知对电机的控制非常重要 要做到足够精确 在舵机控制策略上我采用 PWM 查表法来对舵机进行控制 而速度我采用 PID 算法来控制 它能让模型 车在行驶过程中更稳 更快 河南理工大学毕业设计说明书 2 智能车硬件电路设计 2 1 设计目标 要求所设计的小车具有自动寻迹的功能 能在指定跑道上高速 稳定地 运行 跑道为黑白两色 其背景色为白色 跑道中央有一条黑线作为小车行 进的依据 很明显 我要设计的小车是要能沿黑线的正常行驶 并在此基础 上 尽量提高小车行驶速度 在智能车的赛道中 包括如下几种路况 直道 圆弧弯道 连续 S 形道 十字交叉道 如图 2 1 所示 经过抽象 赛道可以视为由直道和弯道两种基 本类型所组成 图 2 1 智能车赛道 小车在运行的过程中 路况的变化是扰动的主要来源 路况变化的越剧 烈 扰动的幅值越大 对小车运行时的超调量也越大 路况变化的剧烈 一 方面由赛道本身决定 另外一方面由小车运行的速度决定 当小车在高速运 行的过程中进入弯道 相对于低速的情况 道路的变化扰动更加迅速 小车 偏离黑线越严重 同时 小车的稳定时间也越长 前者影响稳定性 后者影 响小车运行速度 为了兼顾稳定和快速 在小车控制的基本原则是位置控制 河南理工大学毕业设计说明书 结合速度控制 尽量提高直道速度 减少行驶时间 同时适当降低弯道速度 使小车能平稳的度过弯道 智能车的硬件设计采用模块化的设计方法 分为控制芯片MC9S12DG128B 电路单元 电源的管理单元 路径识别单元 车速检测单元 舵机控制单元 和直流驱动电机控制单元 各单元设计如下 1 电源管理单元主要为稳压电路的设计及合理利用 通过稳压管将7 2伏 电压稳压到5伏给系统各部件供电 2 路径识别单元作为系统的重要组成部分 采用红外线的光电传感器作 为路径识别元件 3 车速检测单元主要作为小车速度闭环控制的反馈环节 该模块主要采 用旋转编码器作为车速检测元件 其输出方式为电平输出方式 通过定时 采样旋转编码器输出的高电平个数 得出当前小车的速度并反馈给控制回路 4 舵机控制单元采用PWM查表法来对舵机进行控制 同时通过加长舵机的 力臂来提高舵机的响应速度 5 直流驱动电机控制单元采用 MC33886 电机驱动 H 桥作为电机的驱动元 件 其系统硬件结构如图 2 2 所示 图 2 2 系统硬件结构图 电源管理单元 路径识别电路 车速检测 HCS12 芯片 舵机控制单元 驱动电机控制 河南理工大学毕业设计说明书 2 2 控制芯片 MC9S12DG128 电路设计 智能车系统所采用的控制芯片是飞思卡尔公司的 16 位的微处理器 MC9S12DG128 芯片引脚图如图 2 3 所示 图 2 3 MC9S12DG128 河南理工大学毕业设计说明书 2 2 12 2 1 晶振及锁相环晶振及锁相环 芯片外部使用 16MHZ 无源晶振 通过锁相环将总线时钟倍频到 24MHZ 晶振电路如图 2 4 所示 图 2 4 晶振电路图 2 2 22 2 2 复位电路 本系统采用了 MC3406 复位芯片对 CPU 进行复位 复位电路如图 2 5 所 示 河南理工大学毕业设计说明书 图 2 5 复位电路图 2 2 3 I O 口分配 本系统 I O 口具体分配如下 PTH0 PTH5 PORTA0 PORTA6 PORTE3 共 14 位用于小车前面路径识别的输入口 PACN10 用 于车速检测的输入口 PORTB0 PORTB7 用于显示小车的各种性能参数 PWM23 用于伺服舵机的 PWM 控制信号输出 PWM01 用于驱动电机的 PWM 控制信号输出 河南理工大学毕业设计说明书 2 3 电源管理单元 电源是智能车控制系统的动力来源 为智能车上的硬件 如为处理器 传感器 执行机构提供稳定可靠的电压 目前市场上常见的充电电池有镍镉 电池 镍氢电池 锂电池 碱性电池和封闭式铅酸电池等 考虑到模拟道路 的路况十分复杂 弯道多 直道少 镍镉 镍氢等电池无法为智能车控制系 统提供持续 稳定的电压 而锂电池 由于具有能量高 寿命长 额定电压 高 充放电能力强等优势 又能满足智能车的应用要求 因此被选作智能车 的动力电源 由于智能车电路系统中不同模块所需的工作电压和电流容量各 不相同 因此电源转换电路应包括多个稳压电路 智能车采用的锂电池的规 格是 7 2V 3000mAh 转电源管理单元是本系统硬件设计中的一个重要组成 单元 根据系统各部分正常工作的需要 本系统电压值分为 5 伏 6 5 伏和 7 2 伏三个档 其主要用于以下三个方面 1 采用稳压管芯片 LM2576 将电源电压稳压到 5V 后 给单片机系统电 路 路径识别的光电传感器电路 车速检测的旋转编码器电路和驱动芯片 MC33886 电路供电 电路如图 2 6 所示 图 2 6 稳压电源电路图 2 经过一个二极管降至 6 5V 左右后供给转向伺服电机 3 直接供给直流驱动电机 河南理工大学毕业设计说明书 同时考虑到稳压芯片 LM2576 的额定输出电流较小 故采用两片 LM2576 分别对单片机电路 车速检测电路 驱动芯片电路和光电传感器电路供电 保证系统正常运行 达到了显著的效果 2 4 路径识别单元 探测路面黑线的基本原理 由发射管发射一定波长的红外线 经地面反 射到接收管 由于在黑色和白色上反射系数不同 黑色区域大部分光线被吸 收 而白色区域可以反射回大部分光线 所以接收管接收到的反射光强度不 同 进而导致接收管的特性曲线发生变化的程度不同 而从外部观测可以近 似认为接收管两端输出电压不同 经分压后的电压也就不同 从而可以将黑 白路面区分开来 通过 AD 对这个电压的采集并转换成数字信号进行处理 根据 AD 值的情况来判断黑线的位置 从而实现对小车角度和速度的控制 路面信息检测原理图如图 2 7 所示 图 2 7 路面信息检测原理图 检测电路采用红外发射管和光敏三极管 因为此电路尺寸小 质量轻 灵敏度高 外围电路简单 而且电路不易受到普通光源的干扰 能够准确的 实时检测 如图 2 8 所示 为了让小车能高速行驶 小车必须具备一定的前瞻性 理论上 小车能 感知的距离越远 那么就有更多的时间来处理前方的情况 也会跑的更好 河南理工大学毕业设计说明书 但是受到硬件电路功率的制约和车身长度的限制 可以通过传感器对地面角 度来增加感知距离 设置为 45 射向地面 如图 2 9 所示 图 2 8 路面信息检测原理图 图 2 9 传感器示意图 2 5 车速检测模块 旋转编码器是用来测量转速的装置 它分为单路输出和双路输出两种 技术参数主要有每转脉冲数 几十个到几千个都有 和供电电压等 单路 输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲 而双路输出的旋转编码器输出两组 河南理工大学毕业设计说明书 相位差 90 度的脉冲 通过这两组脉冲不仅可以测量转速 还可以判断旋转 的方向 本系统车速检测单元采用日本 OMRON 公司的 E6A2 CW3C 型旋转编码 器作为车速检测元件 因为其精度达到车轮每旋转一周 旋转编码器产生 200 个脉冲 不仅硬件电路简单 而且信号采集速度快 精度高 满足模糊 控制精度要求 其硬件电路如图 2 10 所示 旋转编码器旋转编码器的工作 电压为 5 24 伏 输出为一系列脉冲 因为 E6A2 CW3C 型旋转编码器的输出方式为电平输出 所以本系统将旋 转编码器的输出接一个 2K 上拉电阻再与 MC9S12DG128 的 I O 口 PT0 相连 PT0 采用 16 位输入脉冲累加模式对旋转编码器的输出脉冲进行累加计数 在旋转编码器的中轴上安装一个直径为 4cm 齿数 76 传动比 1 1 的齿轮 并将该齿轮与同轴于后轮的传动齿轮咬合 如此则后轮旋转的同时将通过传 动齿轮带动旋转编码器一同旋转 此时只需要测量一定时间 10ms 旋转编码 器输出的脉冲数就能准确计算出车速 车速的计算公式如公式 2 1 所示 2 T dn 200 v 1 dnT为小车后轮直径为采样时间内旋转编码器产生脉冲数为采样周期 图 2 10 车速检测硬件电路图 河南理工大学毕业设计说明书 2 6 舵机控制单元 本系统舵机控制单元采用 S3010 型舵机作为智能车方向控制部件 舵 机控制采用电压反馈闭环控制时 由于采用电位器检测反馈电压作为反馈回 路 其检测精度不高 达不到较好的控制效果 故舵机采用 PWM 信号开环控 制 小车转向角的控制通过输入 PWM 信号进行控制 根据检测的不同路径 判断出小车所在位置 按不同的区间给出不同的舵机 PWM 控制信号 小车转 过相应的角度 考虑到实际舵机的转向角与所给 PWM 信号的占空比基本成线 性关系 所以舵机的控制方案采用查表法 在程序中预先创建控制表 路径 识别单元检测当前的路况 单片机通过查表可知当前的路况 然后给出相应 的 PWM 信号控制舵机的转向 如图 2 11 所示 多少的脉宽对应多少的转角一目了然 实验证明 舵机的开环转向力矩足够 可以满足给定 PWM 信号与角度的 一一对应 控制电路简单且能满足控制要求 其硬件电路如图 2 12 所示 舵机的工作电压为 6 5 伏左右 输入为 PWM 信号 相应输出一定转角 舵机的控制信号线与 MC9S12DG128 的 PWM3 口相连 为提高舵机的精度 加大 PWM 信号控制范围 将 2 个 8 位 PWM 信号寄存器合并作为一个 16 位的 寄存器进行输出 本系统采用 PWM2 和 PWM3 合并当作 PWM23 给舵机作控制信 号输入口 同时为保证整个小车的重心在小车的中心线上 将舵机安装在前 轮靠后的部位 使得整个小车行驶时更加平稳可靠 河南理工大学毕业设计说明书 图 2 11 转角与脉宽关系 图 2 12 转向伺服电机控制电路 2 7 直流驱动电机控制单元 系统直流驱动电机控制单元采用 RS380 ST 型直流电机 由于路况十分 复杂 弯道多 直道少 所以采用 MC33886 电机驱动 H 桥芯片作为电机的驱 动元件 通过 MC9S12DG128 输出的 PWM 信号来控制直流驱动电机 MC33886 内部具有过流保护电路 接口简单易用 能够提供比较大的驱动电流 考虑 到实际驱动电流可能很大 故采用 2 片 MC33886 并联方式驱动电机 但考虑 到采用全桥时 均流问题可能引起 2 片 MC33886 不同时工作 所以我们采用 VCC 6 5V PWM SERVO OUTPUT 河南理工大学毕业设计说明书 半桥驱动 为了提高 PID 控制的精度 将 PWM0 和 PWM1 两个 8 位寄存器合并 成 PWM01 其硬件电路如图 2 13 所示 MT VCC 为 5 伏 IN1 和 IN2 分别为 MC33886 的 PWM 信号输入端口 MC33886 的输出端口 OUT1 和 OUT2 分别接驱 动电机的两端 D1 D2 为芯片的使能端 b 图 2 13 电机驱动电路图 河南理工大学毕业设计说明书 3 智能车软件设计 本程序设计由以下几个模块组成 单片机初始化模块 实时路径检测模 块 舵机控制模块 驱动电机控制模块 中断速度采集模块 速度模糊控制 模块 1 单片机的初始化模块包括 I O模块 PWM模块 AD模块 计时器模 块 定时中断模块初始化 2 实时路径检测模块 前排光电传感器检测黑线 将返回信号输入单 片机的输入端口 程序不间断地读入输入端口的信号 通过判断语句 得出 合适的PWM信号控制舵机转向 3 舵机控制模块 驱动电机控制模块 通过直接输出PWM信号控制 舵机的控制采用开环控制 驱动电机采用模糊算法闭环控制 模糊控制算法把由各种传感器测出的精确量转换成为适于模糊运算的模 糊量 然后将这些量在模糊控制器中加以运算 最后再将运算结果中的模糊 量转换为精确量 以便对各执行器进行具体的操作控制 在模糊控制中 存 在着一个模糊量和精确量之间相互转化的问题 本系统控制软件采用 CodeWarrior 软件及 BDM 作为调试工具 此外 编 程环境支持 C 语言和汇编语言的程序设计 以及 C 语言与汇编语言的混合编 程 大大方便了程序设计 提高了系统开发效率 本系统程序代码使用 C 语 言编写 控制系统中对被控对象的检测是一个非常重要的关键环节 在反馈控制 系统中 控制器总是通过比较检测量和给定量来计算控制量 因此 检测环 节对整个控制系统的质量起到至关重要的作用 为保证小车一直沿着黑色引 河南理工大学毕业设计说明书 导线快速行驶 系统主要的控制对象是小车的转向和车速 即应使小车在直 道上以最快的速度行驶 在进入弯道的时刻尽快减速 且角度的转向要适合 弯道的曲率 确保小车平滑地转弯 从弯道进入直道时 小车的舵机要转向 至中间 速度应该立即得到提升 为实现上述控制思想 我们要尽可能的提 高路径检测的精度 并采用不同的控制方法来控制小车的转角和速度 首先 绘制出系统软件流程图 如图 3 1 所示 单片机初始化 定时器中断使 能 开始 开始 启动定时器 实时路径检测 输出伺服电机 PWM 控制信号 定时中断 速度采样 计算偏差和变 化率 输入量 模糊化 模糊推理 反模糊化 PID 控制 PWM 控制信号 驱动电机 设定速度 N Y 河南理工大学毕业设计说明书 图 3 1 软件流程图 3 1 路径的检测 我们采用模拟量对黑线的位置定位 由于各环境下光电管的值不一样 为了解决这个问题 先要对光电管进行标定 找到它对黑线的敏感程度 将 这个过程的每个光电管的最大值最小值保存下来 用最大值减去最小值得到 每个传感器在赛道上的输出范围 小车行使过程中 将每个传感器输出的信 号减去最小值 再除以该传感器的输出范围即可得到其相对输出值 然后 找到其中最大的那个值 就可以确定该光电管下面的黑线比例最大 然后找 到它旁边的两个光电管 就可以根据这三个值可以算出黑线的准确位置 具 体公式如式 3 1 所示 position percent j weight j percent j 1 weight j 1 percent j 1 weight j 1 3 1 percent j 为所占黑线的百分比 weight j 为当前光电管所在位置 程序段如下 void CheckStart void int i sum 0 backnum 0 if percent 10 50 河南理工大学毕业设计说明书 TC1 TCNT 4000 TFLG1 C1F 1 flag 1 for i 11 i 14 i sum percent i if sum90 isstart if sum 220 iscrossing 3 2 转角的控制 对于舵机的控制 我们采用开环控制 由于舵机的控制精度高 一个 PWM 占空比对应一个角度 因此开环控制的效果较好 我们采用的是 PD 控 制 因为这样可以让舵机的控制速度更快 输入黑线位置和黑线位置的变化 率 通过分段比例控制输出相应的 PWM 值 因为小车处于弯道和直道的转向 模型不同 统一的比例带过大会导致小车振荡 过小导致最大控制量偏小 小车转向不足 过弯时冲出赛道 使用分段比例控制既方便又可以解决以上 两种问题 由于小车前面有一排光电管 当小车处于直道时 最中间的光电管检测 到信号 当处于不同曲率的弯道时 上排两侧不同的光电管将检测到信号 所以 根据上排光电管检测到的不同信号 可以判断出小车所处的位置 然 后 根据小车的位置再相应的调整舵机 调整舵机的原则是 小车处于直道 则摆正舵机 使小车沿直线行驶 小车进入弯道时根据弯道的曲率来控制舵机的转角 小车处于弯道的曲率越 大 则将舵机的转角摆的越大 除此之外 小车还会遇到黑色交叉线的特殊 情况 对此 本系统将保持原有的小车方向与速度 使小车不受交叉线的干 河南理工大学毕业设计说明书 扰 如果小车转过的弯过大 则可能使上排光电管全部偏离黑色轨迹 从而 没有一个光电管检测到黑线 这时本系统将会把舵机转至最大角 让小车急 转驶回黑线 同时 将速度降至最低 防止小车冲出轨迹 程序段如下 void angle sample void int pwmdty1 0 if abs distance 10 pwmdty1 0 else if distance60 pwmdty1 60 if pwmdty10 j error1 j error1 j 1 error1 0 abs distance 3 3 车速的控制 对于车速的控制 我们采用闭环控制 控制量由 MC33886 给出 而 速度反馈量由编码器测得 编码器输出的脉冲输入到 PACN10 通过定时器 申请中断 间隔一定时间读取 PACN10 的值 由于是一定时间内的脉冲数 所以可以看成是电机速度 给定量是根据当前传感器的检测到黑线的位置给 出的 我们选择了模糊推理给定 该模糊控制器是一个两输入 一输出 输 入黑线位置和黑线位置的变化率 通过模糊推理输出一个当前所需的速度量 在通过一个增量式 PID 调节器使电机的实际速度尽可能快的接近给定速度 3 3 13 3 1 模糊模糊控制设定速度 因为弯道的分布情况也不能确定 小车可能频繁的进出弯道 不停的调 整速度来适应不同轨迹 这样就难以建立精确的数学模型 且赛车对动态性 能要求较高 考虑到该款单片机有一套特色指令 模糊控制指令 执行时间 只有几十us级 时钟频率为25M 不会影响决策周期 且简单易行 而模糊 控制具有处理不明确信号的能力 故最终选定采用模糊控制设定速度 1 模糊输入输出量的选取 赛车模糊控制器采用二维模糊控制器 输入变量 E E 分别选为黑线 位置 distance 及其变化率 diff 输出变量 U 选为赛车的速度设定值 Vi Ref 2 隶属函数的确定 MC9S12DG128B 的隶属函数的数值描述有固定的数据结构 即起点的 河南理工大学毕业设计说明书 坐标值 终点的坐标值 前沿斜率 后沿斜率 且输出的隶属函数须采用单 值函数 故设计输出变量的模糊集为 T U NB NS Z PS PB 论域输出 U 为 90 120 140 150 160 设计输入的隶属函数如图 3 2 所示 a 图 3 2 隶属函数 3 模糊规则库的建立 确定控制规则是模糊控制器设计的核心工作 控制规则的制定需要大量 的实时调试经验 具体可如下实现 首先可以结合自身现有的经验制定出初 步规则表 然后结合串口调试工具实时返回数据 对规则进行微调 注意 在进行微调时候切忌一次进行较大的改动 否则改后无法判断到底是那条规 则在起作用 见表 3 1 表 3 1 模糊规则表 4 模糊推理及解模糊化 E E NB NSZPSPB NBNBNSPSPBPS ZNSZPBZNS PBPSPBPSNSNB a b b 河南理工大学毕业设计说明书 在模糊推理过程中 选用了 REV 指令 MC9S12DG128B 单片机中规 定各个前件之间只进行模糊与运算 而如果几个规则的逻辑后件影响到同一 个模糊输出 它们之间隐含模糊或运算 即使用 MIN MAX 法进行模糊推 理 反模糊化采用重心法 COG 法 WAV 是解模糊的核心指令 它与 EDIV 指令配合完成模糊输出到控制输出的变换 3 3 2 PID 控制调整速度 本系统采用的是增量式数字 PID 控制 它是一个闭环控制系统 闭环控 制系统 closed loop control system 的特点是系统被控对象的输出 被控制量 会反送回来影响控制器的输出 形成一个或多个闭环 闭环 控制系统有正反馈和负反馈 若反馈 信号与系统给定值信号相反 则称 为负反馈 Negative Feedback 若极性相同 则称为正反馈 一般 闭环控制系统均采用负反馈 又称负反馈控制系统 闭环控制系统的例子 很多 比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统 眼睛便是传感器 充 当反馈 人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作 如果没有 眼睛 就没有了反馈回路 也就成了一个开环控制系统 另例 当一台真 正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净 并在洗净之后能自动切 断电源 它就是一个闭环控制系统 1 比例控制 比例控制是一种最简单的控制方式 其控制器的输出与输入误差信 号成比例关系 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 Steady state error 2 积分控制 在积分控制中 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系 对一个自动控制系统 如果在进入稳态后存在稳态误差 则称这个控制系 统是有稳态误差的或简称有差系统 System with Steady state Error 为了消除稳态误差 在控制器中必须引入 积分项 积分项 河南理工大学毕业设计说明书 对误差取决于时间的积分 随着时 间的增加 积分项会增大 这样 即 便误差很小 积分项也会随着时 间的增加而加大 它推动控制器的输 出 增大使稳态误差进一步减小 直到等于零 因此 比例 积分 PI 控 制器 可以使系统在进入稳态后无稳态误差 3 微分控制 在微分控制中 控制器的输出与输入误差信号的微分 即误差的变 化率 成正比关系 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现 振荡甚至失稳 其原因是由于存在有较大惯性组件 环节 或有滞后 delay 组件 具有抑制误差的作用 其变化总是落后于误差的变化 解决的办法是使抑制误差的作用的变化 超前 即在误差接近零时 抑制误差的作用就应该是零 这就是说 在控制器中仅引入 比例 项往往是不够的 比例项的作用仅是放大误差的幅值 而目前需要增加的 是 微分项 它能预测误差变化的趋势 这样 具有比例 微分的控制 器 就能够提前使抑制误差的控制作用等于零 甚至为负值 从而避免了 被控量的严重超调 所以对有较大惯性或滞后的被控对象 比例 微分 PD 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性 PID 控制原理图如图 3 3 所示 比例 积分 微分 被控对象 R t E t U t Y t 河南理工大学毕业设计说明书 图 3 3 PID 控制原理图 通过每一控制周期 10ms 读入脉冲数间接测得小车当前转速 vi FeedBack 将 vi FeedBack 与模糊推理得到的小车期望速度 vi Ref 比较 由以下公式求得速度偏差 error1 与速度偏差率 d error error1 vi Ref vi FeedBack 3 1 d error error1 vi PreError 3 2 公式 4 中 vi PreError 为上次的速度偏差 考虑到控制周期较长 假设按 2 5m s 的平均速度计算 则一个控制周期小车大概可以跑过 2 5cm 如果按这种周期用上述 PID 调节速度 则会导致加速减速均过长的 后果 严重的影响小车的快速性和稳定性 为了解决这个问题 可以在 PID 调速控制中加入 BANG BANG 控制思想 根据 error1 的大小 如果正大 则 正转给全额占空比 如果负大 则自由停车 否则就采用 PID 计算的占空比 程序段如下 void PIDInit void sPID vi Ref 0 sPID vi FeedBack 0 sPID vi PreError 0 sPID vi PreDerror 0 sPID v Kp VV KPVALUE sPID v Ki VV KIVALUE sPID v Kd VV KDVALUE sPID vl PreU 0 河南理工大学毕业设计说明书 unsigned int v PIDCalc PID pp signed long error1 d error dd error error1 signed long pp vi Ref pp vi FeedBack 偏差计算 d error error1 pp vi PreError dd error d error pp vi PreDerror pp vi PreError error1 存储当前偏差 pp vi PreDerror d error if error1 VV DEADLINE else pp vl PreU signed long pp v Kp d error pp v Ki error1 pp v Kd dd error if pp vl PreU VV MAX pp vl PreU VV MAX else if pp vl PreU vl PreU VV MIN return unsigned int pp vl PreU 速度 PID 控制仿真过程如下 河南理工大学毕业设计说明书 由于智能车直流电机可视为一阶惯性环节 取其传递函数为设控 1 02 0 s e s 制系统的采样时间为 5 ms 采用 PID 控制进行阶跃响应 响应结果如图 3 4 所示 从响应结果中可以看出 采用速度 PID 控制函数的效果很好 控制器 输出超调量小 收敛快 可以满足智能车快速稳定的运动要求和技术性能 PID3 个参数通过试凑法得到 具体值分别为 1 18 20 dip KKK 图 3 4 PID 控制阶跃响应曲线 4 总结 本文基于飞思卡尔公司的 16 位微处理器 MC9S12DG128 为控制核心 设 计了采用光电管来识别路径的智能车系统 实现了智能车能在白色的场地上 河南理工大学毕业设计说明书 沿着任意给定的黑色引导线按照给定的速度行驶 具体工作如下 1 硬件部分采用模块化设计 主要由电源的管理单元 路径识别单元 速度检测模块 舵机控制单元和直流驱动电机控制单元组成 2 软件部分的模块设计主要包括 单片机初始化模块 实时路径检测 模块 舵机控制模块 驱动电机控制模块 中断速度采集模块 速度控制模 块等 3 控制算法分为舵机控制和车速控制 舵机控制通过输出的PWM信号 进行开环控制 车速控制采用模糊控制进行速度的设定 采用PID控制调节 速度 通过模糊控制器和PID控制的调节 小车动态性能良好 适应性强 整 体控制效果良好 采用分段比例控制和BANG BANG控制之后 能够更合理更 平滑地过弯 加减速性能也获得了一定提高 由于自己的知识比较狭隘的限制 我知道还有许多地方需要完善 如考 虑对舵机转向加上反馈信号进行闭环控制 使得舵机的转向更为准确 采用 MOS 管驱动电机 获得更好的加速性能等 在智能车硬件电路和软件的设计过程中遇到了好多问题 虽然困难重重 但是我亲身的体会到从发现问题到动手解决问题的成功喜悦 WORD 软件现 在已经能够熟练运用 画图软件也能够得心应手 这次毕业设计真的让我受 益匪浅 我不仅收获了成功的喜悦 而且把在课本里学到的知识运用到实际 当中去 它让我深深地感受到了学有所用 学海无涯 河南理工大学毕业设计说明书 29 致谢 在本次毕业设计中遇到了许多问题 我自己上网查阅资料 去图书馆补 充知识 但是毕竟自己的知识 经验有限 所以还需要别人的帮助 最后我 想说的是感谢王素玲老师的细心指导 细心检查初稿 还要感谢同宿舍的陈 启先 马凯同学 因为在大学最后一项课程中他们都给了我极大的帮助 在 毕业以后的生活中我会继续学习 活到老学到老 不断充电 河南理工大学毕业设计说明书 30 参考文献 1 卓晴 黄开胜 邵贝贝 学做智能车 挑战 飞思卡尔 杯 北京航 空航天大学出版社 2005 2 王威 HCS12 微控制器原理及应用 第一版 北京航空航天大学 出版社 2007 3 张乃尧 阎平凡 神经网络与模糊控制 第一版 清华大学出版社 1998 4 张伟 Protel DXP 高级应用 人民邮电出版社 2009 5 胡寿松 自动控制原理 科学出版社 2007 6 谭浩强 C 程序设计 第三版 中国矿业大学出版社 2007 7 雷玉堂 王庆有 光电检测技术 中国计量出版社 2007 8 陶永华 新型 PID 控制及其应用 第二版 机械工业出版社 2003 9 Jochem T Pomerleau D Kumar B et a1 PANS a portable navigation platform Proceedings of the IntelligentVehicles Symposium Detroit MI Sep 25 26 1995 河南理工大学毕业设计说明书 31 附录 A 程序代码 include common defines and macros include derivative information include printp h pragma LINK INFO DERIVATIVE mc9s12dg128b define N 200 define ini Angle 530 define VV DEADLINE 1 define RoundNumber 1 unsigned char AD Data 15 unsigned char MaxAd 15 unsigned char MinAd 15 unsigned char percent 15 unsigned char max min int printcount 0 int frequent 0 int dif distance 0 int dif1 int distance 河南理工大学毕业设计说明书 32 int pre distance 0 uchar nowpositio