倒退行走式智能车速度控制算法设计本科学位论文.doc

本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：倒退行走式智能车速度控制算法设计中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日倒退行走式智能车速度控制算法设计摘 要本文根据飞思卡尔智能车大赛规则，设计了倒退行走式摄像头智能车的速度控制系统，使智能车能够在赛道上稳定运行。智能车采用飞思卡尔公司的9S12XSMAA单片机为核心控制器，配合有相应的硬件及H桥电机驱动电路，利用光电编码器测速形成一个闭环负反馈速度控制系统。通过设计及调整智能车的机械结构和硬件电路图，编写控制系统C语言程序，对电机转速和舵机转角分别采用用增量式PID控制算法和位置式PD控制算法，从而实现对智能车的速度控制。本文还增加了直道加速、弯道减速的速度控制算法，并且采用了上位机与蓝牙相结合的方式对智能车车速进行调试，以寻求最优的PID控制系统参数。通过测试，智能车最终能以1.8m/s的速度平稳地通过赛道。关键词: 9S12XSMAA；PID控制；电机控制；舵机控制；H桥电机驱动电路Walking backwards smart car speed control algorithm design AbstractIn the background of the Freescale Smart Car Competition, for the regressive group car camera design and image processing algorithms are discussed and research. Smart car through the OV7620 camera capture images using edge detection algorithms to identify the black line, with the active edge to strike the track centerline. Invalid filtered centerline of the calculated center of each line bias, and the track of the overall slope, intercept. Based on the deviation and the slope, the completion of the servo motor PD control and PID control, and track type identification, determine the specific control scheme. Upon completion of the mechanical structure of the smart car modification and hardware system design, through actual testing, constantly optimize the speed of rotation of image processing and control algorithms.Keywords：Image processing; Camera sensors; Path recognition; PID control目 录第1章 引言11.1 飞思卡尔智能车的背景11.2 整体思路和总体介绍1第2章 车模系统机械设计22.1 差速器22.2 车轮定位32.3 舵机的安装6第3章 智能车硬件电路设计73.1 9S12XSMAA最小系统83.2 电源管理模块93.2.1 12V稳压电路103.2.2 TPS7350Q稳压电路123.2.3 LM2940稳压电路133.3 电机驱动模块133.4 速度反馈模块15第4章 智能车速度控制软件设计174.1 速度控制整体程序框架174.2 编译开发环境174.3 控制策略184.3.1 经典PID控制介绍194.3.2 位置式PID算法204.3.3 增量式PID算法204.3.4 控制器参数整定214.4 智能车的速度控制214.5 智能车的转向控制22第5章 系统调试245.1 整体性能分析调试245.2 单纯PID控制性能分析26第6章 结论31致 谢33参考文献34附 录35第1章 引言第1章 引言1.1 飞思卡尔智能车的背景随着现代科技的发展，汽车的数量越来越多，由此引发的汽车拥堵、车祸等一系列安全问题引起人们的重视。人们对汽车的智能化有了越来越高的要求，汽车生产商也推出越来越智能化的汽车来满足各种各样的市场要求。汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势，它包括了汽车电子控制装置，通过电子装置控制汽车发动机、车身、动力转向系统以及制动防抱死等。汽车电子的迅速发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的需求。“飞思卡尔杯”智能汽车是以自动导航技术、汽车电子技术为背景，涉及自动控制、计算机、机械等多个学科。采用飞思卡尔公司16位单片机9S12XSMAA作为核心控制器，控制系统包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等。摄像头组智能车是搭建基于视觉导航的智能汽车系统，通过摄像头对赛道图像的有效采集，然后再利用控制器进一步进行处理信息，作出相应的决策，控制小车寻迹。黑白边沿这种视觉寻迹系统以其灵活、信息量大等优势成为了未来的寻迹发展方向，在将来智能汽车电子应用上有非常广大的发展空间。1.2 整体思路和总体介绍本文分章节介绍了智能车系统用于速度控制的各个模块，包括智能车机械结构的设计及调整、智能车系统架构及其硬件设计、智能车速度控制软件设计方案和系统调试。本智能车采用飞思卡尔公司的9S12XSMAA单片机为核心控制器，配合有相应的硬件及驱动电路，组成一个自动控制系统，由摄像头传感器、信息处理、控制算法和执行机构组成。“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛赛道用专用的白色KT基板制作，赛道两边有黑线。赛道分为直道、小S虚线弯道、路障区、十字路口、上坡与下坡道路等，在控制算法上，采用位置式PD和增量式PID控制舵机和电机，窗口算法采集处理跑道，控制转速和转向，实现智能车直道加速、路障区和下坡路道减速等速率变化控制。140第2章 车模系统机械设计第2章 车模系统机械设计模型车的机械机构和组装形式是整个模型车身的基础，机械结构的好坏对智能车的运行速度有直接的影响。经过大量的实验经验可以看出，机械结构决定了智能车的上限速度，而软件算法的优化则是使车速不断接近这个上线速度，软件算法只有在精细的机械结构上才能够更好的提高智能车的整体性能。2.1 差速器差速器处于传动轴与左右半轴的交汇点，从变速箱输出的动力在这里被分配到左右两个半轴。汽车在直线行驶时左右两个驱动轮的转速是相同的，由于在转弯时两边车轮的行驶距离不相等，因此两边车轮的转速也不相等。差速器的作用就在于允许左右两边的驱动轮以不同的转速运行。图2-1车辆直线行驶差速器状态智能车直线行驶的时候左右两边驱动轮受到的阻力大致相同，发动机输出的动力首先传送到差速器壳体上使差速器的壳体开始转动，然后把动力从壳体传递到左右半轴上，由于两边车轮受到的阻力相同，因此差速器壳体内的行星齿轮跟着壳体公转时不会产生自转，两个行星齿轮咬合这两个半轴齿 轮以相同的速度转动，这样智能车就能直线行驶。1图2-2 一侧车轮遇到阻力差速器壳体通过齿轮和输出轴相连，在传动轴转速不变情况下差速器壳体的转速也不变，假设智能车现在向左转，左侧的车轮行驶的距离短，左侧驱动轮会受到更大的阻力。因此左侧半轴齿轮的转速会比差速器壳体的转速小，行星齿轮带动左侧半轴会更费力，这时行星齿轮会产生自转，把更多的扭矩传递到右侧齿轮半轴上。行星齿轮的公转加自身的自转将导致右侧半轴齿轮会在差速器壳体转速的基础上增速，因此右侧车轮比左侧车轮转得快，从而实现智能车顺利通过左弯道。2.2 车轮定位智能车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的相对安装位置，叫这轮定位，其主要参数有：前轮前束、前轮外倾、后轮外倾。（1）前轮前束图2-3 前轮约束示意图前轮前束是指两轮后边缘距离A与前边缘距离R之差。图2-4 前轮前束Toe角度（束角）是描述从车的正上方看，车轮的前段和车辆纵线的夹角。车轮前端向内倾（内八字），称为Toe_in；车轮前轮向外倾（外八字），称为Toe_out。当车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现滚边向内滑移的现象，从而增加了轮胎的磨损。在安装车轮时，可以使两轮的前边缘距离R小雨后边缘距离A，从而使轮胎滚动时的偏斜方向抵消，轮胎内外侧磨损的现象将会减少。2Toe角度的大小会影响智能车的转向反应速度和直道行驶的稳定性。模型车是由舵机带动左右横拉杆实现转向的，改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小和Toe角度，经过多次试验，选择了车轮前轮向内倾，即Toe_in。（2）前轮外倾通过车轮中心的智能车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，称之为“前轮外倾角”，如图2-5所示。图2-5 前轮倾角示意从车头望向车尾，若轮胎上端向外倾斜即左右轮呈V形，称之为正外倾角；若轮胎呈八字形张开则称之为负外倾角。前轮外倾角对智能车的弯道性能有直接影响。它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。如果轮胎垂直地面即前轮外倾角等于0°路面对车轮会产生垂直反作用力，一旦满载车轮就容易产生变形，可能引起车轮上部向内倾斜，导致车轮链接件损坏。在实际过程中，智能车一般采用正外倾角，主要目的是使承载车辆车轮磨损均匀。（3）后轮外倾智能车的稳定性和抓地力与后轮外倾角有关，通过调整后悬挂长柄万向节上的拉杆的长度来改变后轮的外倾角；也可通过改变后悬挂长柄万向节车身一端的固定位置来获得不同的外倾角。采用的车模是后轮驱动，前轮是转向轮。由于车模本身质量较轻，在拐弯处，将会使车的中心向外倾斜，当摩擦力较小的时候，智能车整体将滑出赛道。调整外倾角能改善车模的过弯特性。外倾角越负，智能车过弯道时受到的摩擦力就越大，但是车模会出现弯道前轮上下抖动现象，会影响车辆过弯道时的速度。外倾角越正，智能车过弯道时受到的摩擦力就越小，过弯道时就越平稳。综合考虑过弯道特性以及稳定性，调整使得前轮外倾角为正2°左右。由于智能车的底盘较低，在上坡路段时，后底盘可能会摩擦到赛道，导致智能车不能正常行驶，需要将后轮的车轮降低，从而提高后部底盘的高度。2.3 舵机的安装舵机是操控车模行驶的方向盘，舵机的输出转角通过连杆传动来控制前轮转向。舵机的转角精度直接影响到智能车是否能准确的按赛道路线行驶。舵机的安装对智能车行驶过程的快速性和灵活性起着非常重要的作用。舵机的灵活转向控制取决于机械系统中各个零部件之间的协调运行。车身简洁、底盘低稳、转向灵活、协调配合是智能车车模的设计原则。舵机连杆是将舵机的旋转运动转换成横摆运动的一种机构，通过它将舵机转矩传递到横拉杆，实现前轮的左右转动。转向在智能车的行驶过程中是至关重要的，连杆的设计直接关系到智能车的转向灵敏度。连杆的作用力越大，反应就越灵敏，舵机的转向速度就越快；当转矩一定时，连杆越长，作用力就越小，因而连杆不能太长。智能车的舵机采用直立放置的方式，将舵机安放在车模的前部中间位置，这样可以保证车模转向时的机械对称性。舵机连杆采用标准化的连接方式和舵机尺寸，适当地加长舵机力臂，并保证力矩作用于水平方向从而减少其他方向上的损失，使舵机输出的力臂增大，即当舵机转动一个小角度时前轮转动一个大角度，但这样在一定程度上减少了力矩，因而力臂不能加得太长。选取适当长度的连接杆，得到了较快的反应速度和足够大的输出力矩。第3章 图像处理算法研究第3章 智能车硬件电路设计对智能车而言，硬件系统设计的可靠性是智能车能稳定工作的基本要求，硬件电路设计的好坏直接决定智能车行驶的稳定性。好的硬件电路设计能够减轻很多控制算法上的负担。智能车与速度控制相关的硬件电路主要包括以下几个部分：9S12最小系统、电源管理模块、电机驱动模块、速度测量模块、舵机模块。智能车的速度控制系统的如图3-1所示。图3-1 智能车系统结构图本系统是以飞思卡尔公司生产的9S12XSMAA单片机为处理核心，设计出在较为严格的循线的基础上智能车能以最优化的速度绕赛道行驶。实现功能算法的前提是要设计好功能模块的电路，进行电路调试后再实现相应的控制算法。利用Altium designer Summer软件画出电路原理图和PCB板图。在设计PCB板图时，为了减轻接线的负担和简化电路调试，将电机驱动模块电路与主板分离开来。依照摄像头处理过的图像信息，利用光电编码器来实现测速的测量，并将测量的车速进行反馈从而形成闭环。利用位置式PD控制算法，由单片机输出PWM波来控制舵机的转向；利用增量式PID控制算法，由单片机输出PWM波来控制电机的转速。3.1 9S12XSMAA最小系统9S12XSMAA系列单片机是飞思卡尔公司生产的16位单片机，是基于速度更快的CPU12内核的单片机系列，具备片上的纠错能力。MC9S12系列采用Motorola第三代Flash，容量为32KB到512KB，具备在线编程能力以及保密机制，不需要外加编程电压，典型的HC12总线速率为8MHz，而MC9S12内部总线速率最高可以达到25MHz，即40ns的最小指令周期。MC9S12系列串行接口丰富，时钟发生器模块内设有锁相环PLL。此外MC9S12还具有灵活的定制模式，对C进行完全优化的压缩代码的优点。3图3-2 MC9S12XEMAA开发板原理图MC9S12系列的低功耗晶振、复位控制、实时中断以及看门狗等配置和功能更加有助于系统的可靠运行。该系列单片机具有很高的集成度，片上集成了很多功能模块，如串行设备接口、串行通信接口、A/D转换器、USB接口、CAN、SPI和PWM等。其基本特性为：Ø 16-bit CPU Ø 8位和4位的带中断功能的接口Ø 存储器：64K Flash EEPROMØ 2个八通道的数字/模拟转换器，精度达到10bitØ 外部转换触发功能1M bit/sØ 4个独立的中断通道，分别对应Rx, Tx, error 和 wake_up Ø 低通滤波器唤醒功能Ø 增强型捕捉时钟功能Ø 8个可编程输入捕捉通道/输出比较通道 Ø 4个8位/2个16位脉冲累加器（pulse accumulator） Ø 8个PWM通道：周期和占空比系数可编程控制Ø 8位八通道/16位4通道 Ø 串行接口：异步SCI和同步SPI Ø 112引脚封装/80引脚封装 Ø 带驱动能力的5V I/O线路和5V A/D转换 Ø 50MHz工作频率，相当于25MHz总线速度 -支持开发应用MC9S12单片机主要有3个低电源模式：Stop, Pseudo Stop和Wait。Stop: 执行CPU stop指令，停止所有时钟和振荡器，以此将芯片放在全静态模式。通过复位和外部中断可以从该模式当中唤醒。 Pseudo Stop：通过执行CPU STOP指令进入该模式。在该模式当中振荡器任然在工作，并且实时中断和（RTI）和看门狗（COP）可以停留在激活状态。其他外设停止工作。该模式比full STOP模式产生更多电流,但是唤醒时间很明显缩短。4Wait：通过执行CPU WAI指令进入该模式。该模式当中CPU不执行指令。内部CPU信号（地址和数据总线）处于全局静态状态。所有外设保持激活状态。为了减少功耗，所有外设可以分别停止其本地时钟。3.2 电源管理模块稳定的电源对于一个控制系统而言至关重要，电源的稳定性关系到系统能否正常工作。系统中各个电路模块所需的工作电流和工作电压各不相同，因此设计了多种稳压电路，将7.2V电池电压转换为各个模块所需的电压。在设计智能车系统时为各个功能模块配置了稳定、合适的电源并在电路的设计上要避免不同电源之间、相同电源不同模块之间的干扰，从而保证整个系统的稳定运行。智能车系统的总的电源由7.2V大容量镍镉电池，单片机最小系统、摄像头以及大多数芯片都需要5V供电，伺服电机工作电压为5V，驱动电路需要12V电源，电机直接接电池供电，智能车电压调节电路框架图如图3-3所示。图3-3 电源管理系统框架图3.2.1 12V稳压电路电机驱动电路采用12V电源供电，由7.2V镍镉电池作为12V稳压电路的输入电压，由于电机驱动电路的电流较大，因此采用MC34063大电流升压变换器电路得到12V的输出电压，并且该电路比较稳定，相对较为可靠。MC34063是一单片双极型线性集成电路，用于直流-直流变换器控制部分。MC34063片内包含有温度补偿带隙基准源、大电流输出开光和驱动器、一个占空比周期控制振荡器，能够输出1.5A的开关电流。MC34063可以使用较少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。5MC34063有如下特点：Ø 能在3.0-40V的输入电压下工作Ø 工作振荡频率从100HZ到100KHZØ 短路电流限制Ø 输出电压可调Ø 低静态电流Ø 输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）MC34063的电路原理如图3-4所示。图3-4 MC34063的电路原理图振荡器通过恒流源对外接在CT 管脚(3脚)上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。充电和放电时电流都是恒定的，振荡器的振荡频率仅仅由外接定时电容的容量决定。在振荡器对外部定时电容充电过程中，与门的C 输入端为高电平，并且在比较器的输入电平低于阈值电平时D 输入端为高电平，此时C 和D输入端都变成高电平，触发器被置为高电平，输出开关管导通。在振荡器在定时电容放电期间，C 输入端变为低电平，触发器的R端变为低电平，触发器被复位，触发器的Q端变为高电平，此时输出开关管处于关闭状态。电流限制通过检测连接在VCC和5 脚之间电阻上的压降来完成功能。当检测到6、7脚之间电阻上的电压降接近超过300 mV 时，芯片将启动内部过流保护功能，电流限制电路开始工作。实际设计的DC-DC升压电路如下图3-5所示，升压得到的12V电压作为电机驱动电路的电源，该升压电路采用大电流升压控制，输出电流能满足电机所需的电流要求。图3-5 DC-DC升压电路（7.2V转12V）3.2.2 TPS7350Q稳压电路9S12XSMAA最小系统和OV7620摄像头的供电电压均为5V，由于单片机是整个控制系统的核心，因此单片机供电电源的稳定性尤其重要，并且考虑到单片机和摄像头的额定电流较小，所以采用TPS7350Q搭建稳压电路专为9S12XSMAA最小系统和OV7620摄像头进行供电。6这样既可以有效抑制电源纹波，又可以消除9S12XSMAA最小系统和OV7620摄像头的供电电源与其他元件供电模块之间产生干扰，保证其工作的稳定性。图3-6 TPS7350Q稳压电路（7.2V转5V）3.2.3 LM2940稳压电路舵机SD-5的工作电压只能在5.5V以下，正常工作电流为200mA，具有堵转保护功能，堵转电流为800mA，舵机在堵转后3s开始启用保护功能，降低电流，保护马达和电板。考虑到舵机的堵转问题，本电路采用两片LM2940芯片搭建两个5V稳压电路。利用一个稳压电路专门用于舵机SD-5供电，另一个5V稳压电路则用于给液晶、蓝牙、拨码开关等其他外设及芯片的供电。图3-7 LM2940稳压电路（7.2V转5V）3.3 电机驱动模块电机驱动电路对于智能车的速度控制有着至关重要的作用，较好的制动能力和加速对于提高小车的速度有着很大的帮助。电机的速度与施加在电机上的电压成正比，输出转矩与电机的电流成正比。因为在智能车行驶过程中要改变直流电机的转速，采用一个PWM（脉宽调制）方波，施加在直流电机上的PWM波的占空比对应着智能车所需的速度，电机起到一个低通滤波器的作用，将PWM信号转换为有效的直流电平。PWM信号可以由9S12XSMAA单片机产生，用精准的脉冲宽度可以调节直流电机的转速，并且要优化PWM信号的频率，以防止电机抖动。更换直流电机的电流方向，可以控制直流电机的转动方向。智能车采用了540电机，该电机的工作电压为12V。利用IR公司的MOS管IRLR783和MOS管驱动芯片IR2104搭建了H桥驱动电路。H桥驱动电路主要包括4个MOS管和两片MOS管驱动芯片，MOS管具有内阻小、开关速度快等优点，并且方便加散热片。MOS管是电压驱动器件，使用N沟道增强型MOS管，其导通电阻小，当栅极电压大于源极电压时MOS管导通。如图3-8所示，要是电机M转动，必须导通对角线上的一对MOS管，根据不同的MOS管对的导通情况，电流可能会从左至右或者从右至左流过电机，从而控制电机的正转和反转。图3-8 H桥电机驱动电路当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经过Q1管从左至右流过电机，再由Q4流回到电源负极，此时电机将顺指针转动。当Q2管和Q3管导通时，电流就从电源正极经过Q3管从右至左流过电机，再由Q2流回到电源负极，此时电机将逆指针转动。由于9S12XSMAA单片机P口驱动能力不够大，所以要加MOS管驱动芯片IR2104来驱动MOS管。IRLR7843的最小内部只有3.3毫欧姆，最大允许连续源极电流为161A，远远能满足要求，并且IRLR7843具有很强的驱动能力。IR2104外接自举电路，输出驱动电压在10V到20V，具有刹车使能功能，能够较好的保护，并且具有恰当的死区，外接电路也较为简单。具体的H桥电机驱动电路如图3-9所示。图3-9 实际H桥电机驱动电路3.4 速度反馈模块为了使智能车能够平稳的沿着赛道行驶，需要测试智能车的速度，同过测速模块得到智能车的实际速度，将其与给定速度进行比较，形成闭环反馈系统，实现对智能车速度的控制，从而使智能车在急转弯时不会因为速度过快而冲出赛道。通过控制电机驱动中PWM信号的占空比来控制电机的平均电压，从而控制电机的转速即控制智能车的车速。如果没有测速模块，开环控制电机转速，会受到很多因素影响，如电机传动的摩擦力、道路摩擦力、电池电压、前轮转向角等。这些因素都会造成智能车运行不稳定。使用测速模块后，可以实现对车模速度的闭环反馈PID控制，就可以消除上述因素对智能车运行所带来的不利影响，是智能车运行时更加稳定。检测测速的方法有很多种，例如用测速发动机、反射式光电检测、透射式光电检测等。本次采用的是透射式光电编码器，其内部是光电对管加光栅码盘构成，结构简单，稳定性高。其内部结构如图3-10所示。将编码器内部的旋转轴与电机的转动轴相连，由旋转轴带动旋转盘进行旋转，光源发出的光透过旋转盘上的长方形孔被受光元件接收，从而输出脉冲信号。通过计算每秒光电编码器输出的脉冲个数就可以计算出电机的转速。图3-10 光电编码器内部结构 通过光电编码器测量出智能车的车速，在软件中编写速度控制程序，通过改变PWM波的占空比来调节车速。第4章 智能车速度控制软件设计第4章 智能车速度控制软件设计4.1 速度控制整体程序框架智能车速度控制系统的框架图如图4-1所示，9S12XSMAA单片机为控制系统的核心，由单片机给电机一个给定速度即理论速度，建立模糊PID控制器，利用模糊PID控制器来控制电机的转速，即控制智能车的实际速度。再利用光电编码器来测量智能车的实际车速，并将实际车速反馈给模糊PID控制器，形成闭环负反馈回路，根据实际车速与理论速度的偏差来调节由单片机P口输出的PWM波的占空比，从而使智能能够高速平稳运行。SD-5舵机采用位置式PD控制，舵角控制器对理论舵角进行处理得到舵角增量，通过PWM波传给SD-5舵机，舵机通过自带的控制系统将舵角改变为控制值。图4-1 控制系统框架图4.2 编译开发环境CodeWarrior是完整的用于编程应用集成开发环境。 采用CodeWarrior IDE，开发人员可以得益于采用各种处理器和平台（从Motorola到TI到Intel）间的通用功能性。根据Gartner Dataquest的报告，CodeWarrior编译器和调试器在商用嵌入式软件开发工具的使用率方面排名第一。而这只是流行的CodeWarrior软件开发工具中的两个。 在整个开发调试过程中，除汇编语言开发的方式以外，使用Metrowerks公司为 MC9S12系列专门提供的全套开发工具（Metrowerks CodeWarrior IDE）。CodeWarrior是由Metrowerks 公司开发的专门面向Freescale所有DSP与MCU嵌入式应用开发的一种软件工具，它支持摩托罗拉汇编语言、C+语言和ANSI C语言。本系统在软件开发过程中使用的是CodeWarrior V5.0。其主要包括集成开发环境IDE、全芯片仿真、处理器专家、项目工程管理、可视化参数显示工具、C交叉编译器、专家生成系统、链接器、汇编器以及调试器。CodeWarrior IDE可以自动地检查代码中的明显错误，它利用一个集成的调试器和编辑器来扫描代码，从而找到并减少明显的错误，然后编译并链接程序使计算机能够理解并执行编辑的程序。每个应用程序都经过了使用例如CodeWarrior这样的开发工具进行编码、编译、编辑、链接和调试的过程。其主界面如图4-2所示。图 4-2 CodeWarrior主界面4.3 控制策略 智能车的车速主要采用增量式PID控制和位置式PD控制，将模糊控制与PID控制相结合，使智能车能够在赛道上平稳快速的行驶。4.3.1 经典PID控制介绍在工程实际中，应用最为广泛的调节控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器结构简单，稳定性好、工作可靠、调节方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能通过有效的测量手段来获取即不能得到精确的数学模型时，系统控制器的结构和参数必须依靠现场调试和经验来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值之间形成偏差，将偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。7 PID控制原理图如下图4-3所示。图4-3 PID控制器原理框架图单位反馈e代表理想输入与实际输出的偏差，将偏差信号e送入控制器，控制器算出偏差信号e的微分值和积分值，将计算出来的微分值和积分值与原来的误差信号e进行线性组合，得到输出量u。计算公式如公式（4-1）所示。 （4-1） 其中Kp、Ki、Kd分别成为比例系数、积分系数、微分系数；r(t)、 e(t) 、u(t)分别为控制器的输入信号、偏差信号、输出信号。在PID控制系统中，比例调节是最简单的调节方式，它能够快速、无滞后的是被控参数稳定在给定值附近，并且能及时克服扰动干扰，一般增大比例系数Kp可以减小上升时间，但比例控制不能消除稳态误差，并且比例系数Kp过大时会导致系统不稳定。微分控制能够减少超调量，增强系统的稳定特性，并且改善系统的瞬时响应，微分控制能够反映偏差信号的变化趋势，使信号产生90°的相角超前，能在偏差信号变化不是很大之前引入一个有效超前修正信号，从而减少系统的调节时间。积分控制能够消除稳态误差，当系统存在偏差时，积分控制作用会不断积累，经过足够长的时间后，积分控制能够完全消除系统误差。但积分控制会使信号产生90°的相角滞后，积分调节动作缓慢，当积分作用太强时会使得系统超调量变大，甚至可能使系统出现震荡。4.3.2 位置式PID算法在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器。数字PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法。由于计算机控制是一种采样控制，它不能像模拟控制那样连续输出控制量进行连续控制，而只能根据采样时刻的偏差计算控制量，数字PID控制需要将微分项和积分项进行离散化处理。离散化处理方法为：采样周期为T，采样序号为k，则离散时间kT对应着连续时间t，得到离散化的PID表达式由公式（4-2）给出： （4-2）其中， 第K次采样时微机输出； 第K次采样时的偏差值； 第K-1次采样时的偏差值。位置式PID控制是将输出量u(k)直接作用于执行结构，u(k)的值与执行机构的位置时一一对应的。8由于位置式PID每次输出都与过去的状态有关，计算时要对ek进行累加，工作量大，并且当计算机出现故障时，输出量u(k)变化幅度很大，从而引起执行机构位置的大幅度变化，很有可能造成严重的生产事故，不能用于实际的生产。4.3.3 增量式PID算法增量式PID控制是将控制量的增量u(k)作为数字控制器的输出，控制器的第k-1个采样时刻的输出值由公式（4-3）给出： （4-3）将式（4-2）与式（4-3）相减并整理得，可以的到增量式PID控制器的增量u(k)，u(k)由公式（4-4）给出： （4-4）式中： 积分系数； 微分系数。此控制器输出的控制量的增量u(k)与采样周期、比例系数、积分时间常数和微分时间常数有关。当计算机控制系统采用恒定的采样周期T，确定KP、Ki、Kd，则只需要使用前后三次测量的偏差值，就可以求出控制量。增量式PID控制算法比位置式PID控制算法计算量小，在实际中应用广泛。4.3.4 控制器参数整定控制器参数整定就是确定调节器的比例系数Kp、积分时间Ti 、微分时间Td 和采样周Ts 的具体数值使控制器的特性和过程特性相匹配，从而改善系统的动态和静态性能。9 在实际调试过程中采用工程正定方法，根据经验直接在控制系统的实验中进行调节参数。4.4 智能车的速度控制通过光电编码器测量当前车速，通过闭环负反馈控制系统来控制车速。电机控制主要是提高电机的调速的准确性和快速性，则在选用调节器参数时，选取较大的比例参数P，由于积分参数对于车速控制有惯性，积分参数I过大将会导致智能车运行不稳定，所以选择非常小的积分参数I 。智能车启动或突然提速时，小车的实际速度与设定速度偏差很大。为提高电机响应速度，单片机直接输出一个较大占空比的PWM波，电机驱动模块相应的给电机一个大电压，电机提速很快。当智能车的实际速度与设定速度偏差较小时，用增量式PID跟踪设定速度，不断修正实际速度与设定速度的偏差。如果实际速度超过设定速度较小时，为了减小速度的超调，通过在线调试，用MATLAB拟合出电机带载运行时，转速与PWM占空比的曲线，直接根据拟合的曲线给出设定速度对应得PWM占空比。 智能车停车或突然加速时，小车的实际速度会比设定速度大很多。这时要给电机一个反向的电压，使电机反转制动。为了提高制动效果，同时防止小车制动轮抱死，避免出现甩尾现象，妨碍小车的正常运行，我们采用ABS刹车法。在完成一个刹车动作时，间歇性的给电机一个反向电压，即使电机反转-松开-反转，这也就能有效防止制动轮抱死现象。9具体程序框架图如下：图4-6 速度控制函数4.5 智能车的转向控制智能车的舵机SD-5采用位置式PD控制，因为舵机的控制精度高，不同的PWM占空比对应舵机的不同转角，所以采用开环控制。当小车位于直道时，将舵机摆正；当小车位于弯道时，弯道的曲率越大则舵机的转角摆角越大，利用图像的加权平均偏差与图像中心之差作为控制量。10为了确保小车平稳快速运行，我们还需要将智能车的速度和转角依据赛道状况和车身位置做一个综合控制。我们对不同的赛道作了识别，根据赛道类型，确定合适的控制方案。图4-7 舵机控制函数第5章 系统调试第5章 系统调试5.1 整体性能分析调试如图5-1所示上位机软件，在智能车上配置蓝牙，在智能车行驶过程中采集车速，利用9S12XSMAA单片机将采集到的数据由蓝牙发送至上位机上，在上位机软件上显示给定车速、实际车速和控制电机的PWM波。这样大大的翻遍了对智能车的调试和分析，并且是在智能车实际运行过程中对原始数据进行采集，对智能车的速度控制有了直观的认识，通过分析给定车速、实际车速和控制电机的PWM波的变化趋势来修改PID控制的各个参数，这种调试方法是智能车的调试效率大大提高。11图5-1 上位机界面图5-2 车速由小变大由图5-2可看出，当智能车的给定速度不变时，智能车的实际速度在给定速度值附近上下小范围的波动，即可看做实际速度近似等于给定速度，此时系统稳定。当给定速度发生跳变时，车速由小变大，则控制电机的PWM波占空比也发生向上的脉冲式跳变，这会使得实际车速能够在短时间内跟上给