基于單片機的智能車速度控制系統(tǒng)

作者/ 陶佳 廣東省技師學院(廣東 惠州 516100)

陶佳(1986-)，男，講師，研究方向：智能控制工程，無線通信技術。

摘要：本文重點介紹了基于光電自動尋線智能車的速度控制系統(tǒng)的設計，包含直流電機的驅動模塊、速度檢測模塊、速度控制策略、速度控制周期等部分。采用兩片MC33886芯片來驅動電機運行，用反射式紅外對管檢測電機速度，實現(xiàn)對電機的閉環(huán)控制，通過大量的試驗，最終速度控制策略采用了增量式PID控制和BangBang控制相結合的方法，并創(chuàng)新性地使用兩個中斷相結合的方法使得速度控制周期為等時的，從而對智能車過彎速度達到良好的控制。

引言

　　在智能車制作中，利用ATmega16 單片機作為核心控制單元，以攝像頭為路徑識別傳感器，分別設計控制系統(tǒng)，使得模型汽車能夠自動準確地按照規(guī)定的橢圓路線行駛，速度控制是智能車控制系統(tǒng)最核心的部分之一，本文就如何設計智能車速度控制系統(tǒng)做了詳細介紹。

　　智能車速度控制系統(tǒng)包含電機驅動模塊，速度檢測模塊，速度控制策略，速度控制周期等，如圖1所示：

1 電機驅動模塊

　　系統(tǒng)所用電機是RS-380型號的直流電動機，其額定工作電壓為7.2V，能輸出0.9～40W的功率。使用兩片MC33886芯片并聯(lián)來驅動電機，其中MC33886為H橋式電源開關IC，該 IC結合內(nèi)部控制邏輯、電荷泵、柵極驅動器、MOSFET輸出電路，可工作在5~40V電壓范圍內(nèi)。通過PWM信號調節(jié)輸出，進而調節(jié)電機轉速，PWM的控制頻率為1KHz，PWM23可用于正轉控制，PWM45可用于反轉控制，OUT1和OUT2接于直流電機上，用來實現(xiàn)在直道時快速加速，彎道實現(xiàn)反轉剎車來快速減速。電路圖如圖2所示。

2 速度檢測模塊

2.1 速度檢測硬件

　　直流電機的速度的檢測方案是：用MATLAB自制黑白相間且均勻等分的編碼盤，如圖3(a)所示。將編碼盤黏貼于圓盤上，當圓盤隨著齒輪轉動時，利用反射式紅外對管ST188接收強弱交替變化的反射光，再通過I/O口將高低脈沖電平傳給單片機的輸入捕捉中斷中進行計算。自制測速裝配圖和速度檢測模塊原理圖分別如圖3(b)和如圖3(c)所示。

　　該方案具有成本低廉、制作容易、負荷小的優(yōu)點，配合單片機的輸入捕捉功能可以實現(xiàn)高精度的速度采集。

2.2 速度的計算

　　方案中的數(shù)字測速的計算方法是采用T法。T法是指在兩個相鄰的輸入脈沖的間隔時間T內(nèi)，用一個計數(shù)器對高頻基準信號的脈沖數(shù)進行計數(shù)，由計數(shù)值來計算轉速，原理圖如圖4所示。

　　計算公式推導：設計碼盤格數(shù)為40，旋轉一周能產(chǎn)生20個脈沖。高頻基準信號是通過對系統(tǒng)時鐘128分頻獲得，實際頻率f0=24M/128=187.5KHz。在T法測速中，測速時間T是用計數(shù)器所得的基準 信號脈沖個數(shù)M2來計算的，即T=M2/f0，對應后輪轉速為：n=2/ZT=2f0/ZM2，經(jīng)測量小車的后輪周長為17cm，所以小車速度的計算公式如式(1)所示：

(1)

3 速度控制策略

3.1 增量式 PID 控制^[2]

　　本方案采用增量式PID來使智能車能夠勻速穩(wěn)定地行駛，增量式PID的速度檢測信號M2高頻基準信號T計算公式如式(2)所示：

(2)

　　其中，u_n為當前輸出增量;u_n-1為上一次輸出增量;K_p為比例增益;為積分系數(shù);為微分系數(shù);T為采樣周期;T_I為積分周期;T_D為微分周期;e_n為第n次偏差，e_n-1第n-1次偏差。

3.2 BangBang 控制

　　BangBang 控制的思想是：定義速度誤差en為給定速度減去反饋速度，當e_n大于設定值 e_k時，就強制輸出一個最大值u_max;反之，如果速度誤差e_n小于設定值(-e_k)時，就強制輸出一個最小值u_max，在速度誤差較大時，Bang_Bang調節(jié)比PID調節(jié)響應速度更快、更及時。計算公式如式3所示。式中en為給定速度減去反饋速度的差值。

(3)

3.3 增量式 PID 控制配合 BangBang 控制

　　為了實現(xiàn)，在賽道曲率變化不大時且智能車高速勻速穩(wěn)定行駛，采用增量式PID控制。在從直道行駛入彎道時，智能車能夠很快地反轉剎車，降低速度，從而良好通過彎道;在彎道進入直道時，智能車能夠很快地提高速度，以高速在直道上行駛。我們采用的速度控制策略是增量式 PID 控制配合 Bang_Bang 控制，當給定速度與反饋速度相差不大時，采用增量式 PID 控制，當給定速度與反饋速度相差較大時， 采用 Bang_Bang 控制，計算公式如式 4 所示：

(4)

4 速度控制周期

　　采用的控制周期方案是：

　　測速程序是通過單片機的輸入捕捉中斷來完成的，即車輪每轉一周(0.17m)，將產(chǎn)生 20 次中斷，在這20次中斷過程中，能運行20次的速度檢測，如果按照平均車速 1.8m/s 計算的話，那么每一次輸入捕捉中斷的時間為：0.17/(18×20)=4.7ms，也就是每隔4.7ms得到一個反饋速度。

　　速度控制程序是指單片機每隔一定時間(如10ms)根據(jù)給定的速度和反饋速度進行速度的閉環(huán)控制。反饋速度是通過上面的輸入捕捉中斷方式讀取，給定速度通過查詢方式獲得。速度控制程序在定時中斷程序中執(zhí)行，而定時中斷是通過模數(shù)遞減計數(shù)器來實現(xiàn)的。

　　這樣程序在運行中存在兩個中斷，并且輸入捕捉中斷優(yōu)先級高于模數(shù)遞減計數(shù)器的定時中斷。輸入捕捉的頻率為定時中斷的兩倍，這樣，每執(zhí)行一次定時中斷，反饋速度有兩個值，由于兩個值的時間間隔比較短，取前一次的值代表當前速度，并且測速程序執(zhí)行所占有的時間極短，因此輸入捕捉中斷對速度控制程序的影響不大。

　　等時控制是指控制程序每隔一定時間執(zhí)行一次，等距控制是指控制程序每隔一定的距離執(zhí)行一 次，由于控制周期不受車速控制，所以等時控制優(yōu)于等距控制。方案一采用自制的用反射式紅外對管測速，價格便宜，但控制周期是等時的;方案二采用旋轉編碼器測速，價格昂貴，但測速精度相對高，控制周期是等時的。我們的方案用反射式紅外對管測速，價格便宜，控制周期是等時的。電機速度控制的流程圖如圖5所示。

5 仿真結果

　　圖6為已制作完成的智能車實物照片，我們在自制的跑道上進行了實際測試，得出以下試驗結果：獲取了一組比較好的PID參數(shù)，KP=50，KI=3，KD=4，在該參數(shù)下，智能車能夠得到較快、較好且平穩(wěn)的速度。當速度誤差en(給定速度減去反饋速度的差值)大于70cm/s時 ，電機驅動輸出un為90%的占空比;當速度誤差en(給定速度減去反饋速度的差值)小于-70cm/s時，電機驅動輸出un為10%的占空比。在PID和BangBang 控制下速度變化范圍較大，實現(xiàn)了快速加速，快速剎車。

6 結論

　　經(jīng)過大量的實驗調試，智能車在基于兩片MC33886并聯(lián)組成的驅動上，能夠實現(xiàn)良好的電機正轉和反轉控制。通過使用反射式紅外管能夠比較穩(wěn)定和精確地檢測速度，計算速度。用于測速的輸入捕捉中斷 和用于速度控制定時中斷兩個相結合能夠很好地實現(xiàn)控制周期等時。使用的PID和BangBang的結合的控制策略，通過不斷調試，選擇合理的參數(shù)，實現(xiàn)了智能車根據(jù)路徑識別來閉環(huán)調節(jié)速度，在賽道曲率變化不大時的勻速行駛，在賽道曲率突變時的速度急增急減的效果，并且智能夠使智能車長時間的良好運行，印證了該方法的可靠和有效。

　　參考文獻：

　　[1]卓晴,黃開勝,邵貝貝.學做智能車——挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

　　[2]邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法[M].北京:清華大學出版社,2004.

　　[3]王威.HCS12微控制器原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

　　[4]馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社.2007.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第46頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。