倒退行走式智能车速度控制算法设计本科设计说明.doc

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1、.1/49本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文计（论文）题目：倒退行走式智能车速度控制算法设计.2/49毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明原创性声明本人重承诺：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与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与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意。作 者签 名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明使用授权说明本人完全了解

2、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容。作者签名：日期：学位论文原创性声明学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取.3/49得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，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

3、后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文使用授权书学位论文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.4/49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

4、单片机为核心控制器，配合有相应的硬件与 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。通过设计与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。关键词关键词:9S12XSMAA；PID 控制；电机控制；舵机控制；H 桥电机驱动电路WalkingWalki

5、ng backwardsbackwards smartsmart carcar speedspeed controlcontrolalgorithmalgorithm designdesignAbstractAbstractIn the background of the Freescale Smart Car Competition,for theregressive group car camera design and image processing algorithms arediscussed and research.Smart car through the OV7620 ca

6、mera capture imagesusing edge detection algorithms to identify the black line,with the activeedge to strike the track centerline.Invalid filtered centerline of thecalculated center of each line bias,and the track of the overall slope,intercept.Based on the deviation and the slope,the completion of t

7、he servomotor PD control and PID control,and track type identification,determine thespecific control scheme.Upon completion of the mechanical structure of the.5/49smart car modification and hardware system design,through actual testing,constantly optimize the speed of rotation of image processing an

8、d controlalgorithms.KeyKeyw wordsords：Image processing;Camera sensors;Path recognition;PID control目录第 1 章引言错误！未定义书签。错误！未定义书签。1.1 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 32.1 差速器 32.2 车轮定位 42.3 舵机的安装 7第 3 章智能车硬件电路设计 83.1 9S12XSMAA 最小系统 93.2 电源管理模块 113.2.1 12V 稳压电路 113.2.2 TPS7350Q 稳压电路 133.2.3 LM294

9、0 稳压电路 143.3 电机驱动模块 153.4 速度反馈模块 17第 4 章智能车速度控制软件设计 194.1 速度控制整体程序框架 194.2 编译开发环境 194.3 控制策略 214.3.1 经典 PID 控制介绍 21.6/494.3.2 位置式 PID 算法 224.3.3 增量式 PID 算法 234.3.4 控制器参数整定 234.4 智能车的速度控制 234.5 智能车的转向控制 25第 5 章系统调试 265.1 整体性能分析调试.235.2 单纯 PID 控制性能分析 25第 6 章结论 34致 36参考文献 37附录 38.1/49第 1 章引言1.1 飞思卡尔智能车

10、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、动力转向系统以与制动防抱死等。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、环保以与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，涉与自动控制、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

11、信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以与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与调整、智能车系统架构与其硬件设计、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，配合有相应的硬件与驱动电路，组成

12、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.2/49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。.3/49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

13、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一样的，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一样，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一样，因此差速器壳体的行星齿轮跟着壳体公转时不

14、会产生自转，两个行星齿轮咬合这两个半轴齿轮以一样的速度转动，这样智能车就能.4/49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

15、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.5/49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。车轮前端向倾（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

16、边向滑移的现象，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。.6/49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

17、；若轮胎呈八字形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倾斜，导致车轮件损坏。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

18、，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与稳定性，调整使得前轮外倾角为正 2左右。.7/49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

19、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

20、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。.8/49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

21、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 designerSummer 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

22、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。.9/493.1 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 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与机制，不需要外加编程电压，典型的 HC12 总线速率为 8MHz，而 MC9S12 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，时钟发生器模块设有锁相环 PLL。此外MC9S12

23、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、实时中断以与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：.10/49 16-bit CPU 8 位和 4 位的带中断功能的接口 存储器：64K Flash EEPROM 2 个八通道的数字/模拟转换器，精度达到 10bit 外部转换触发功能 1M bit/s 4 个独立的中断通道，分别对

24、应 Rx,Tx,error 和 wake_up 低通滤波器唤醒功能 增强型捕捉时钟功能 8 个可编程输入捕捉通道/输出比较通道 4 个 8 位/2 个 16 位脉冲累加器（pulse accumulator）8 个 PWM 通道：周期和占空比系数可编程控制 8 位八通道/16 位 4 通道 串行接口：异步 SCI 和同步 SPI 112 引脚封装/80 引脚封装 带驱动能力的 5VI/O 线路和 5V A/D 转换 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

25、 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。4.11/49Wait：通过执行 CPU WAI 指令进入该模式。该模式当中 CPU 不执行指令。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

26、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一样，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、一样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、摄像头以与大多数芯片都需要 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.

27、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.12/49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：能在 3.0-40V 的输入电压下工作

28、工作振荡频率从 100HZ 到 100KHZ 短路电流限制 输出电压可调 低静态电流 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 3-4MC34063 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.13/49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

29、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 3-5DC-DC 升压电路（7.2V 转 12V）3.2.2TPS7350Q 稳压电路9S12XSMAA 最小系统和

30、 OV7620 摄像头的供电电压均为 5V，由于单片机是整个控制.14/49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）3.2.3LM2940 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

31、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与芯片的供电。.15/49图 3-7LM2940 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

32、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

33、 管具有阻小、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。.16/49图 3-8H 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

34、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。.17/49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

35、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

36、电检测等。本次采用的是透射式光电编码器，其部是光电对管加光栅码盘构成，结构简单，稳定性高。其部结构如图 3-10 所示。将编码器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.18/49速。图 3-10 光电编码器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。.19/49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

37、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

38、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.20/49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

39、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、器、汇编器以与调试器。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

40、具进行编码、编译、编辑、和调试的过程。其主界面如图 4-2 所示。图 4-2 CodeWarrior 主界面.21/494.3 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

41、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。7PID 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。dttdeTdtteTiteKtuDP)()(1)()(（4-1）其中 Kp、Ki、Kd 分别成

42、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，并且能与时克服扰动干扰，一般增大比例系数 Kp 可以减小.22/49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

43、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

44、续时间 t，得到离散化的 PID 表达式由公式（4-2）给出：)1()()()()(0kekeTTjeTTkeKkunjDIP（4-2）其中，)(ku 第 K 次采样时微机输出；)(ke 第 K 次采样时的偏差值；)1(ke 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。.23/494.3.

45、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：)1()1(keKpkuTiT10)(kjje)2()1(kekeTTd（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：TiTKpKi积分系数；TTdKpKd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

46、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.24/49参数 P，由于积分参数对于车速控制有惯性，积分参数 I 过大将

47、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

48、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：.25/49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

49、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.26/49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

50、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.27/49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跟上给定速度，并且实际速度在短时间会有很大的超调。实际速度的调节时间较短，控制系统能很快回到稳定状态。图 5-3 车速由大变小由图 5-3 可看出，当智能车车速由大变小时，控制电机的 PWM 波占空比也