院內(nèi)選拔賽論文-直線小車(chē)

1、競(jìng)速智能小車(chē)設(shè)計(jì)與制作 控制組電子科技大學(xué)成都學(xué)院 電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽競(jìng)速智能小車(chē)設(shè)計(jì)與制作 制作人: 祝浩 (2011級(jí)) 陳祥偉(2011級(jí)) 楊青山(2011級(jí)) 智能競(jìng)速小車(chē)設(shè)計(jì)與制作 摘要:本系統(tǒng)為競(jìng)速智能小車(chē)，主要是速度和智能控制，實(shí)現(xiàn)在5M跑道上的高速直線行駛。小車(chē)在跑道終點(diǎn)距離障礙物0.5M處能自動(dòng)停止，并且可以自動(dòng)高速倒回行駛到起點(diǎn)位置。系統(tǒng)核心控制由ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32微處理器結(jié)合PID控制算法實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用光電門(mén)檢測(cè)路程，定時(shí)器產(chǎn)生PWM波控制電機(jī)，超聲波檢測(cè)距離完成。關(guān)鍵字: STM32 競(jìng)速智能小車(chē) 超聲波 光電門(mén) PID控制算法 目錄一 系統(tǒng)總體方案41

2、.1 供電方案41.2 走直線方案論證4二 電路和軟件設(shè)計(jì)52.1 電源電路52.2 系統(tǒng)電路接口52.3 軟件設(shè)計(jì)5三 系統(tǒng)調(diào)試73.1 調(diào)試方法73.2 PID參數(shù)確定73.2.1 PID介紹73.2.2 PID整定參數(shù)8四 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析94.1 測(cè)試數(shù)據(jù)94.2 結(jié)果分析9一 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)用現(xiàn)有的智能小車(chē)為載體。用光電門(mén)檢測(cè)、超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)直線和蔽障功能。兩個(gè)前輪裝有光碼盤(pán)，將輪子等分為20等分，兩個(gè)光電門(mén)分別檢測(cè)前輪行駛的路程。用超聲波測(cè)量距離。系統(tǒng)核心為PID算法，將測(cè)量的路程由PID算法得到控制參數(shù)，再轉(zhuǎn)化為PWM波的占空比控制電機(jī)，最終達(dá)到小車(chē)直線行駛的目的。ST

3、M32MCU 光電門(mén)測(cè)量路程超聲波測(cè)距小車(chē)1.1 供電方案由于小車(chē)需要移動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)需一定的電流，所以系統(tǒng)采用大容量鋰電池供電。用穩(wěn)壓模塊將電池電壓降到5V給核心板、光電門(mén)和超聲波供電。小車(chē)要求速度快，所以直接12V供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊保證足夠的速度。穩(wěn)壓芯片為T(mén)PS5433，輸出可調(diào)，最高可達(dá)3A電流。1.2 走直線方案論證系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)小車(chē)直線行駛，故此提出以下方案方案一：小車(chē)為四驅(qū)動(dòng)，不加PWM波控制在一定距離內(nèi)行駛，路線比較接近直線。觀察小車(chē)行駛軌跡，小車(chē)偏離直線時(shí)在程序中加以PWM調(diào)試以回到直線。比如，觀察到小車(chē)行駛在3M是開(kāi)始左偏，那么當(dāng)行駛到3M時(shí)用PWM波進(jìn)行校正，如此往復(fù)直到小車(chē)直線

4、行駛。優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是，當(dāng)電池電量變化時(shí)小車(chē)的軌跡會(huì)發(fā)生較大變化，不能穩(wěn)定。方案二：運(yùn)用激光傳感器檢測(cè)，在障礙物上安裝一個(gè)激光發(fā)射頭，小車(chē)安裝多個(gè)激光接收頭，當(dāng)小車(chē)偏離軌道時(shí)，激光會(huì)照射到不同的接收頭，通過(guò)分析接收頭信息感知行駛是左偏或者右偏，從而進(jìn)行校正。優(yōu)點(diǎn)：精確度高。缺點(diǎn)：后退走直線困難。方案三：定時(shí)檢測(cè)小車(chē)行駛的路程，當(dāng)檢測(cè)到左右輪行駛路程差別大于一定范圍時(shí)開(kāi)始校正，校正采用PID控制算法，得到校正參數(shù)即PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)直線行駛。優(yōu)點(diǎn)：控制精確。缺點(diǎn)：算法略復(fù)雜。本系統(tǒng)選擇方案三。二 電路和軟件設(shè)計(jì)2.1 電源電路穩(wěn)壓采用公司的芯片，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)。輸出可調(diào)，Vout=(R4/R

5、5+1)*0.8V，電路圖如下：2.2 系統(tǒng)電路接口光電門(mén)分別接和檢測(cè)路程。超聲波發(fā)射和接收分別接和判斷小車(chē)與障礙物的距離。2.3 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖如下：開(kāi)始系統(tǒng)初始化等待按鍵按下小車(chē)前進(jìn)小車(chē)前進(jìn)K1按下K2按下光電門(mén)測(cè)量路程PID計(jì)算得到PWM占空比PWM控制小車(chē)判斷與障礙物的距離是否大于0.5M停車(chē)Y判斷與障礙物的距離是否大于0.5MN延時(shí)1S倒車(chē)是否與前進(jìn)路程相等停車(chē)YN三 系統(tǒng)調(diào)試3.1 調(diào)試方法主要調(diào)試工具：皮尺，示波器，學(xué)生電源。用地板作為小車(chē)跑道，障礙物寬為0.5M，高為0.5M箱子。在小車(chē)起始位置有刻度，精度為5cm，終點(diǎn)位置刻度精度為5cm。3.2 PID參數(shù)確定系統(tǒng)最主要

6、就是PID參數(shù)的確定。3.2.1 PID介紹P就是比例，就是輸入偏差乘以一個(gè)系數(shù)； *I就是積分，就是對(duì)輸入偏差進(jìn)行積分運(yùn)算； *D就是微分，對(duì)輸入偏差進(jìn)行微分運(yùn)算； *4*為系統(tǒng)開(kāi)始振蕩時(shí)的比例值；為極坐標(biāo)下振蕩時(shí)的頻率。PID基本結(jié)構(gòu)：PID 控制器的輸入輸出關(guān)系為：相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：微分可對(duì)路線進(jìn)行預(yù)測(cè)，本系統(tǒng)未用到。 3.2.2 PID整定參數(shù)整定參數(shù)的方法有理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)試湊法兩種。理論計(jì)算法需要大量的計(jì)算，而且計(jì)算過(guò)程繁瑣，因此系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)試湊法。按照如下口訣調(diào)試：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往

7、小扳曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)理想曲線兩個(gè)波，前高后低4 比1一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低最終參數(shù)為：Kp=4.77 Ki=1.55 Kd=0四 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試分為兩部份，第一步測(cè)試小車(chē)前進(jìn)到終點(diǎn)后與起點(diǎn)直線偏移、與障礙物距離以及行駛時(shí)間；第二步測(cè)試小車(chē)從起點(diǎn)到終點(diǎn)再返回到起點(diǎn)并停車(chē)，與起點(diǎn)線的偏移、與起點(diǎn)線的距離以及行駛時(shí)間。如下表格：第一步直線偏移（cm）與障礙物距離（cm）時(shí)間（s）第一次10454第二次15655第三次5554第二步直線偏移（cm）與起點(diǎn)線距離（cm）時(shí)間（s）第一次5209第二次2058第三次101084.2 結(jié)果分