智能巡線小車的多模式速度控制系統(tǒng)

本設(shè)計中使用兩片MC33886 并聯(lián)，一方面進(jìn)一步減小導(dǎo)通電阻對電機特性的影響，另一方面減小過流保護(hù)電路對電機啟動及制動時的影響【2】。

圖3 簡化的H橋電路

2.2 速度檢測模塊

通過在電機驅(qū)動軸的齒輪上加裝小型旋轉(zhuǎn)編碼器,使旋轉(zhuǎn)編碼器齒輪與電機驅(qū)動軸的齒輪進(jìn)行嚙合。這樣，就可通過實驗測定每個脈沖對應(yīng)的智能小車運行的距離；同時，可設(shè)定一個合適的定時中斷作為脈沖采樣周期，根據(jù)每個采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖個數(shù)就可計算出智能小車的實際速度，這樣就使脈沖個數(shù)和智能小車實際速度具有了明確的對應(yīng)關(guān)系，實際操作、測量非常方便。在本設(shè)計中，選用了OMRON E6A2-CS3E旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器采用5v 供電，單相輸出，每圈輸出60個脈沖，用在本系統(tǒng)中比較合適【3】。在采樣周期的選取中，考慮到脈沖計數(shù)器所能允許的最大值及脈沖計數(shù)值要參與實際的運算，為了避免數(shù)據(jù)溢出，采樣周期不能選取過大。

2.3 無線通信模塊

本系統(tǒng)中的無線通信模塊是基于nRF403的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了MODBUS 通信協(xié)議。該模塊在智能小車參數(shù)測試及程序調(diào)試的過程中起到了很大的作用。在智能小車運行的過程中，可以通過下位機將與小車運行狀態(tài)有關(guān)的各項參數(shù)發(fā)送到上位機，并可通過簡單的VB程序在上位機上顯示出相應(yīng)的狀態(tài)曲線，從而達(dá)到對智能小車的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測的目的。在PID參數(shù)整定過程中，根據(jù)小車的實際運行狀態(tài)和P、I、D參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響，可以通過上位機來改變下位機的P、I、D參數(shù)而不用重新燒寫程序，給系統(tǒng)的在線調(diào)試帶來了很大的方便。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

HCS12單片機內(nèi)置PWM模塊，在程序中只需調(diào)用相關(guān)函數(shù)設(shè)定PWM周期和寫入PWM占空比的值，就可以產(chǎn)生實際需要的PWM波【4】?？紤]到有多模式調(diào)節(jié)，對閉環(huán)控制的響應(yīng)速度要求不高，閉環(huán)控制采用了速度單閉環(huán)控制和位置式的PI控制算法，PI運算的結(jié)果作為PWM占空比的設(shè)定值。采用速度單閉環(huán)控制既達(dá)到了多模式調(diào)節(jié)中閉環(huán)運行模式的效果，同時也降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。在PI控制算法中，P、I參數(shù)整定的比較弱，這樣智能小車在過彎時的速度有一定的自然降落，可以防止智能小車脫離軌道。控制系統(tǒng)程序主要采用C語言編寫，PI控制算法程序流程圖如圖4【5】。本文設(shè)計的多模式速度控制系統(tǒng)，可以作為一個比較完整的模塊調(diào)用，這樣很容易與路徑檢測系統(tǒng)相結(jié)合，形成完整的具有自主巡線功能的智能小車。

圖4 PI控制算法程序流程圖

本控制系統(tǒng)選擇了一通過CMOS攝像頭進(jìn)行道路識別的智能小車進(jìn)行實驗，通過多次實驗及觀察得出：速度偏差在±5%以內(nèi)智能小車運行在速度閉環(huán)模式，小于-5%切換到開環(huán)加速模式，大于5%且小于6%切換到能耗制動模式，大于6%切換到反接制動模式，這樣可以使智能小車在不脫離軌道的情況下達(dá)到較快的速度，具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性能。

4 總結(jié)

本文的創(chuàng)新點在于，設(shè)計的速度控制系統(tǒng)具有四種速度模式：1、開環(huán)加速模式2、反接制動模式3、能耗制動模式4、速度閉環(huán)運行模式。該多模式速度控制系統(tǒng)可以使智能小車在任何兩種速度模式之間進(jìn)行快速的切換，同時保證智能小車仍能很穩(wěn)定地運行。該多模式速度控制系統(tǒng)適用于多種類型的智能小車，可以使智能小車根據(jù)路面條件的變化，在速度調(diào)節(jié)上具有更好的靈活性。