【毕业学位论文】(Word原稿)自动往返小汽车-控制理论与控制工程

186 自动往返小汽车 摘 要 我们设计的自动往返电动小汽车，是在玩具电动车的基础上改装而成。它以 89片机为控制核心，辅以传感器、控制电路、显示电路等外围器件，构成了一个车载控制系统。电动小汽车能够根据题目要求在直线方向上完成调速、急刹车、停车、倒车返回等各种运动形式；这辆小车还可以自动记录、显示一次往返时间和行驶距离，并用扬声器播放显示内容。另外，我们经过 真后，成功地实现了从最高速降至低速的平稳调速。 本系统主要采用模糊控制算法进行速度调节。通过模糊控制和宽调制技术的结合 ，提高了对车位置控制精度，并且实现了低速断车速的恒速控制。 关键字：自动往返 单片机控制 自适应模糊控制算法 脉宽调制 187 一、 总体方案设计与论证 1 设计要点 (1) 题目严格规定了跑道上起跑线、终点线和几条重要标记线的位置以及限速区的长度。要求使总往返时间最短（即在题目允许的情况下尽可能提高车速），而通过低速区的时间不得少于 8 秒，但不允许在低速区内停车，这就要我们设计出使小车从高速平稳地降低到一个可以满足题目要求的速度的方案。 (2) 小车停止的定位也是一个要点。要想使小车停止时的中心线离终点线和起跑线 偏差最小，就要考虑小车在不同负载情况下的惯性、路面情况等诸多因素，须理论计算或实验测量。 （ 3） 规定的跑道只有 ，长约十几米，要使小车在这样宽度的一条跑道中往返三十余米，难免会碰上挡板。而碰上挡板后对小车的速度会有很大影响。因此如何解决碰撞挡板的问题十分关键。 （ 4） 小车在行驶过程中，由于颠簸或以外，造成标志线检测出错的情况，必须考虑系统检测的就错能力。 （ 5）全部电路都安装在小车上采用电池供电，而电池电量及功率有限，这就意味着所采用的芯片要越少越好，电路功耗越低越好。 2. 系统方案 本题要求小 车具有一定的智能性，对此类控制系统，单片机作为核心控制器构成的信号采集、变换、控制、显示为一体的系统因为有单片机软件和算法的支持，可以使硬件电路简单，控制灵活、实现方 188 便。我们采用单片机 89核心的系统框图如下： 图 统框图 其中，速度、位置的检测都是由一系列反射式光电开关完成的。他们输出的开关量送入单片机进行处理，单片机在收到这些信号时，做出相应的处理，比如发出 冲调制信号去控制电机，输出液晶显示字符，输出语音等等。外部时钟的作用是记录小车运行总时间和计时停留 10 秒。 要使往返总时 间最短，我们设计了理想的小车在各段运动速度曲线如图。从 B 点出发时，小车立即加速至最快，接着以最快速度通过，因为 的长度在 36 米范围内不固定，所以小车只有在经过 D 时开始减速，并以 度运行，只要能满足已经在 内运行了 8 秒之后，就可以全力加速。当以最高速通过 F 时，小车立即减速，刚好在 G 处停止。返回时，也按类似的速度曲线行驶。因为的时间是最少为 8 秒的，所以能争取在 之外用时最少， 189 也就意味着总往返时间最短。该曲线中， 之外都是尽力达到最快速度，而从 出来时的初速度大小就决定了能否 以最短时间行驶全程。我们可以经实验得出速度 以 行的时间，就可以使冲出 的初速最大。由以上分析可知，按该曲线控制速度，往返总时间必然最短。 图 度控制曲线 对于小车可能碰撞挡板的情况，一种解决方案是，在车身两边加装超声波探测器，从而获得小车距离挡板距离，利用小车上的转向控制电机，进行方向微调，保持行驶方向的正直。这种方案理论上说应效果最好，但不得不在小车上集成两路超声波发射接收装置，也就加大了电路的体积、重量和功耗。我们没有采用此方案。另一种方法是在车身左右两侧安装滑轮机构。若小车跑 歪碰到挡板，它可以靠定滑轮沿挡板行驶，速度几乎不会受影响。这种方法可以满足题目的要求。于是，我们在车头两端、车尾两端各安装了一个定滑轮，实践证明，基本上不影响速度。 二、 控制算法的理论分析 从小车的整个控制过程可以看出，小车的减速的控制非常重要， 190 既要实现快速的过程又要防止过渡的减速导致小车转向或跳动，所以我们在这方面的控制采用较复杂的控制算法，以达到快速稳定的减速过程。 1 算法比较 常规模糊控制 查表法： 查表法的做法是：首先通过事先的离线计算，取得一个模糊控制表，然后将其控制表存放在 。于是在控制过程中 ，单片机只需直接将采集到的输入状态量模糊化以后，根据这个转换后的模糊量在论域中元素的取值在控制表中可以查出相应输出量的以论域元素表现形式表现的控制量，再将其乘以比例因子就用于控制过程，以达到控制目的。 但由于小车电机的控制受电池电压、小车自重、跑道状态等外界因素的影响较大，所以单纯靠已固定在 的控制表进行控制，很难适应外界环境的变化，难以达到令人满意的结果。 常规模糊控制 公式法： 公式法的做法的实质与查表法相同，但它将控制表用公式的方式表现出来。一般控制表达式为：u=。因此它可 以抛开控制表，直接根据输入量的论域值，通过表达式可求得控制量 u 的论域值。这样虽然增加了单片机的运算负担，但是它节省了大量的存储空间，对于大量的控制规则的系统，有较大的优势。 从表达式 u=可以看出，改变参数 a 的值，就可以得到不同的控制规则，因此通过调整系数 a，可以实现对系统控制规则 191 的在线调整，所以一般不直接使用公式法，而是利用公式法的参数可调实现参数自适应模糊控制。 参数自适应模糊控制： 可采用多因子的公式法来实现，形式如下： u= x=0 u= x=1,-1 u= x=2,-2 u= x=4,要修正 a1,a2,a3,个参数就能够实现较好的控制。但参数太多，参数自寻优运算也相应非常复杂，不适合单片机控制，所以一般采用两个因子。 模糊参数 制： 结合了模糊算法和 法的优点，它根据不同的输入将 法中的 I,行在线模糊调整，以达到对常规 制器参数实现智能调节。 从题中可以知道， 要求小车的快速减速、刹车，算法程序的响应时间不应太长，模糊参数 制计算较多，不适合此系统。而且由于外界的环境对电动机的影响较大，因此要固定控制参数，很难达到令人满意的控制效果，所以常规模糊算法也应排除在外。结合以上原因，我们选择模糊参数自适应算法来控制小车的减速与刹车。 2 方案实现 我们以小车的当前速度 V 和速度的变化率 输入量，以给电 192 动机的脉冲宽度 输出量，采用两个因子自矫正，组成模糊参数自适应控制器。整个模糊控制系统如图 示： 图 糊推理框图 输入变量 V 和 及输出变量 的隶属函数的大致图形如图 图 入量隶属函数 193 图 出量隶属函数 由于我们基于的是公式法，所以无需建立模糊控制规则，我们只需要给定两个因子一对初值，然后在线进行自寻优。具体做法如下： （ 1）建立自调整控制规则公式： u= x=1,2 u= x=3,4,5 确定 a , b 为自调整因子 (2) 选取一组初始修正因子，由于直流电机是纯滞后系统，我们根据多次的试验发现当 a=b=系统能够较快地稳定。 (3）始值可得到一组初始的控制量，对对象进行控制，然后对系统的过渡过程进行采样，并计算系统的偏差和。 (4）对初始因子进行寻优，可以得到一组新的因子，重复上述计算，直到偏差最小或达到给定定值，此时的因子就是最优因子，完成因子的寻优过程，同时系统也达到了最优。 我们采用单纯形法对因子进行寻优，具体算法是：在 2 维平面中取边长为 a 的正三角形，三个顶点坐标就是三组因子的值，分别代入求偏差，找出最劣点，抛弃此点，并以该顶点的对应边为轴翻转，产 194 生一个新的三角形，重复上述过程，直到 找到最优点。 以上是一般情况下的算法，由于我们已经知道被控系统的特性，所以在算法上可以加上人工干预，可以减少寻优次数，和寻优的盲目性，以达到快速稳定系统的目的 。 图 车加速度、速度曲线 三、 电路分析与设计 1 单片机部分 我们采用的是 8051 单片机系列中的 89片机。该单片机具有 8K 内部程序存储器， 256 字节的内部数据存储器以及 3 个内部时钟和 4 个可编程 8 位输入输出口，具有完成题目的足够资源。另外，我们拥有支持此单片机的 C 语言编译器和仿真器，所以我们以 89 2 光电检 测 （ 1） 光电开关基本原理 该系统中，速度、位移、位置等量的检测都是通过光电开关直接或间接检测到的。 195 采用集成电路技术制造的新一代光电开关器件具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高和工作区域稳定等优良性能。这种光电开关采用脉冲调制的主动式光电探测系统，可在物位检测、速度检测、液位控制、计数、宽度判别等诸多领域。光电开关按检测方式可分为对射式和反射式两种。对射式光电开关的原理如图。 图 射式 图 射式 由于本题不允许在跑道上设置检测装置，故无法应用对射式光电开关探 测跑道标志，只能采用反射式光电开关。 图 射式光电开关的工作原理框图 图 ，由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，经发光管 射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管 在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或 196 积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动 器输出光电开关控制信号。光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物体在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态。从而可使其保持在稳定工作区。 （ 2） 我们采用的光电开关 是一种放大器分离型光电开关。实际电路图如图所示、 当反射面为亮色、光滑反射面时，传感器输出低电平；当反射面为无光黑色、粗糙表面时，传感器输出高电平。 图 射式光电开关接口电路 (3)把光电传感开关装在车底对路面探测，可以很容易探测到跑道上的黑色标志。又因为放大器分离形式将放大器与传感器分离 ，并采用集成电路和混合安装工艺制成，所以具有超小的体积，比放大器内藏 197 型和电源内藏型更便于安装在小车底部，所以我们采用了此种光电开关作为检测部件。 图 感器安装位置 我们在车上如图 示的六个位置上各安装了 1 个反射式光电开关。当路面为白纸时，光电开关输出低电平，若黑色标志来临，光电开光必输出高电平。单片机以查询方式就可以检测到此脉冲，从而达到定位的目的。同理，在车轮的黑色背景上标以等距白线，用光电开关加以探测，如图 示，单片机就可凭借光电开关的脉冲信号和车轮周长等信息进行速度、行 程计算。 3 电机控制 （ 1） 某些场合往往要求电动机的转速在一定范围内调节 ,例如电车 、机 床、吊车等 ,调速范围根据负载的要求而定。由公式 n :电枢转速 , :电机端电压 , :电机端电流 , :电枢电阻 , 常数 , :每极总磁通 可以看出 ,调速可以有三种方法 : 198 1) 改变电机端电压 即改变电枢电源电压 ; 2) 改变磁通 ,即改变激磁回路的调节电阻 改变激磁电流3) 在电枢 回路中串联调节电阻 见图 时的转速公式为 : e ( 图 枢调节回路 宽调制实际上就是改变电机端电压的平均值从而进行调速的一种方法。这种方法便于与单片机等数字系统接口，实现方便，而后两种方法必须要配合一定的外围模拟电路才能达到单片机控制目的，所以我们采用了 宽调制方法。 经实验，小车在自由减速状态下，要前冲一段距离才能够停下，这段距离的大小还因小车质量的增加而变长。为了 使小车在减速时能够获得更大的加速度，我们使用了两种减速控制方案。 a. 在小车减速时，发出使小车向相反方向运行的脉冲，以缩短停车时间。 b. 采取如下电路，在刹车瞬间 输出高电平，使继电器吸合。由于此时直流电动机是作为负载被拖动，实际成为了发电机，若此时在电动机两端并接电阻放电，那么电机就会被锁死，起到了刹车的作用。这种方法比 a 的方法更 199 能有效地停住电机。 上述两种方法，可以根据具体要求单独使用或配合使用，以达到不同的减速和刹车效果。 图 车电路 （ 2）电路图 设计要求小车能够前行和后退，为此我 们采用了 如下图 所示的电路。以单片机的两个引脚的置低分别控制前进和后退。 图 车前进倒退控制电路 200 4 示 晶显示器用于显示往返一次的时间和行驶距离。 目前较常见的和单片机接口的显示方式有七段数码管和液晶显示器两种。七段数码管 有价格便宜、亮度较高的优点，但它的一大缺点，也是我们没有选择它的原因就是，七段数码管 在靠电池供电工作的小车上是不现实的。而液晶显示器的功耗很小（每平方厘米在 1下），同样的显示面积，其功耗比 示器小几百倍。所以可以将 其安装在小车上。 在显示方式上，我们采用时间和距离切换的方式。但液晶屏中间显示有“：”时，表示此时显示的时往返的总时间（精确到 1秒）；反之，则表示当前显示的时往返总距离 (精确到厘米 )。 5 语音芯片 语音报数和状态报数是由语音芯片 其他一些外围器件共同组成。它可实现玩具汽车的距离和时间进行报数的功能。 芯片采用 术，内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制，防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声驱动及 列。在录放结束后，芯片自动进入节电模式，电流仅为 0.片采用多电平直接模拟量 存储专利技术，每个采样值直接存储在片内单个，因而能真实自然地再现语音。因而具有低功耗、高保真录放的特点。以下是语音芯片的电路图： 201 图 音播放控制电路 本电路将最高两位 低，使所有输入作为地址用，采用边沿触发放音。 录音时间为二十秒，最大段数为 160，最小段长为 125虑到实际需要及器件的性质，我们将其分为二十段。首先对其按照一定的顺序将所需的语音录入到指定的存储器中。通过单片及与其之间的接口设计就可组合成所需要表达的信息。 语音地址分配如下 ： 地址 00 04 08 0B 0E 10 14 18 1B 1E 语音 一 二 三 四 五 六 七 八 九 零 202 地址 20 24 28 2B 2E 30 34 38 3B 3E 语音 点 距离 米 时间 分 秒 注： (所示地址为每段的起始地址 ) 6 时钟芯片 为节省单片机内部时钟资源，我们把计时功能交给外界时钟芯片一种涓流充电时钟芯片，内含有一个时钟 /日历和 31 字节静态 过简单的串行接口于单片机进行通讯。该时钟芯片具有极低的功耗（工作电流： 小于 300符合我们的要求。 7供电方式 由于电机耗电量较大，我们把电机电源和控制电路的电源分离，即电机采用 9V 电池供电，而控制电路采用 6V 方电池经二极管降压后供电，用 6 节 5 号电池串联获得 9V 电压。 四、 软件系统设计 1 软件系统的任务及总体流程 本软件系统主要控制小车在规定的区域上，以允许最快速度行驶，正确定位在规定的终始线上。主要有初始化模块、测速模块、位置测量模块、电机自适应模糊 速控制模块、 示和语音播放等模块组成。系统主要流程图如图 示。 203 图 统软件 控制流程 204 图 出控制流程 2 扩展软件功能实现 （ 1） 自动记录、显示一次往返时间和行驶距离。 （ 2） 自动语音播报往返时间和行驶距离。 3 各阶段控制流程说明 (前进部分 ) 图 道示意图 ：小车全速前进。 ：首先以最快的速度减速，并同时开始计时，降至慢速度后保持基本恒速前进，当接近 8 秒时，开始加速并冲出此段区间。 ：全速前进。 205 ：首先以最快的速度减速，并且保持最低速度前进，当小车中间的传感器探测出黑线时便立即停车 五、测试方法与数据 我们采用模块化的调试 方法。先用仿真器把语音、时钟、显示等功能模块进行了调试；然后实际烧写单片机进行指标测试。 1 系统仿真调试 由于必须让小车实际行驶，才能测出系统准确的参量，因此，在功能指标的调试上就不能应用仿真器了。除了用秒表、米尺实测数据外，我们充分利用了小车上的液晶显示器来反馈系统指标。例如，为测量输出反转占空比为多大时停车效果最好的，我们编制了一个循环程序，依次累加占空比并将当前程序采用的占空比显示在液晶屏上。具体操作时，每停车一次程序循环一次，然后等待 5 秒供人们读取当前占空比，若我们感觉某次的停车效果很好，就可以把该次 读出来的值写入程序中。这样调试程序，大大减少了烧写单片机的次数，提高了调试效率