畢業(yè)設(shè)計(jì)論文v

1、摘要智能小車，也就是輪式機(jī)器人，最適合在那些人類無(wú)法工作的環(huán)境中工作，該技術(shù)可以應(yīng)用于無(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車，無(wú)人生產(chǎn)線，倉(cāng)庫(kù)，服務(wù)機(jī)器人，航空航天等領(lǐng)域。作為21世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活密不可分。因此為了使智能小車工作在最佳狀態(tài)，進(jìn)一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。隨著汽車電子和機(jī)器人智能技術(shù)的發(fā)展,智能車已經(jīng)成為自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文講述了以意法半導(dǎo)體有限公司（ST）的STM32F103ZET6為微處理器,設(shè)計(jì)出一種能自動(dòng)尋跡的智能小車。著重闡述了道路信息的獲取,處理和識(shí)別過(guò)程,并設(shè)計(jì)出增量PID控制器對(duì)智能小車的速度進(jìn)行閉環(huán)控制,使智能

2、小車能準(zhǔn)確快速地對(duì)道路進(jìn)行跟蹤。該系統(tǒng)通過(guò)光電傳感器獲取當(dāng)前道路信息；利用微處理器產(chǎn)生PWM脈沖控制小車的速度與舵機(jī)的轉(zhuǎn)向；并采用霍爾傳感器檢測(cè)小車的當(dāng)前速度，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)硬件包括電源模塊，尋跡傳感器模塊，車速測(cè)量模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向的舵機(jī)模塊的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6 增量PID控制器 PWM調(diào)速 自動(dòng)尋跡The Design of Intelligent trajectory Car based on PID control algorithmAbstractIntelligent vehicle，also is called as Wheeled ro

3、bot，most suits in the environment which these human beings are unable to work，the technology can be applied to unmanned vehicles，unmanned production lines，warehouses，service robots，aerospaceandotherfieldsAsthemajorachievementsinthefieldofautomationof the 21th century，robotics and human society has b

4、een inseparable in production and daily lifeTherefore，in order to let the intelligent vehicle in the best condition the furtherresearchandimproveitsspeedanddirection control is verynecessaryWith the developmentof automotive electronics and intelligent controltechnology，intelligent vehicle has become

5、 the research hotspots in the field ofautomatic controlThis article describes thedesign of an automatic tracing smart car based on the chip of ST STM32F103ZET6Focused on the road information acquisition， processing and identification process and to design an incremental PID controller to control the

6、 speed of smart car，smart car to the road quickly and accurately trackedThe system photoelectric sensor for current road information； PWM pulse generated using a microprocessor to control speed and steering car steering； and using Hall sensor car's current speed, in order to achieve closed-loop

7、controlThe system hardware， including power modules， tracing sensor module，measuring module speed，motor drive modules and is responsible for turning the steering gear moduleKeywords： STM32F103ZET6PID controller PWM control speed Path recognition目錄摘要IABSTRACTII目錄III第一章 緒論11.1 選題背景11.2 智能小車的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1

8、智能小車在國(guó)外的發(fā)展21.2.2 智能小車在國(guó)內(nèi)的發(fā)展31.3 研究意義41.4 智能小車的關(guān)鍵技術(shù)41.5 本文所開展的研究工作5第二章 硬件電路的設(shè)計(jì)72.1 智能小車的總體設(shè)計(jì)方案72.2 微處理器的介紹82.2.1 中央處理器STM32F103ZET6的介紹82.2.2 STM32F103系列軟件開發(fā)平臺(tái)102.3 電源模塊102.4尋跡傳感器模塊設(shè)計(jì)132.4.1 傳感器設(shè)計(jì)方案132.4.2光電傳感器的電路設(shè)計(jì)152.4.3光電傳感器的安裝與調(diào)試152.5車速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)172.6減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路182.6.1直流PWM調(diào)速基本原理182.6.2 減速電機(jī)控制電路192.7轉(zhuǎn)向舵

9、機(jī)模塊設(shè)計(jì)202.7.1舵機(jī)的工作原理202.7.2舵機(jī)的控制212.8本章小結(jié)23第三章 PID控制算法的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)243.1 PID控制原理與程序243.1.1 模擬PID調(diào)節(jié)器243.1.2 數(shù)字PID控制器253.2 減速電機(jī)的PID控制算法293.3 轉(zhuǎn)向舵機(jī)的控制算法313.4 本章小結(jié)33第四章 智能小車的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試344.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想344.2 速度控制算法364.3 PID算法控制器參數(shù)設(shè)定364.4 調(diào)試總結(jié)與心得384.5本章小結(jié)40第五章 結(jié)論與展望41參考文獻(xiàn)43附錄1 智能小車外型圖45致謝46第一章 緒論1.1 選題背景自20世紀(jì)50年代世界上第

10、一臺(tái)機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期且緩慢的發(fā)展過(guò)程。在20世紀(jì)八、九十年代,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展1。本課題選題背景按照黨中央、國(guó)務(wù)院的決策部署，“十一五”期間，高等教育要切實(shí)把重點(diǎn)放在提高質(zhì)量上，特別要努力提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力；2007年1月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)， 啟動(dòng)“質(zhì)量工程”，而今年則是“質(zhì)量工程”實(shí)施的最后一年。同時(shí)，本課題來(lái)源于本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革課題的其中一個(gè)內(nèi)容。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，參與編寫尋跡小車智能車的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；當(dāng)今世界各國(guó)的大城市無(wú)不存在著交通擁擠問(wèn)題，以上海為

11、例，外環(huán)線以內(nèi)大部分車輛平均時(shí)速在 20 公里以下。在現(xiàn)有道路有限的情況下，發(fā)展智能交通系統(tǒng)（ITS）成為提高交通資源利用率和交通安全的一種有效手段。智能車作為ITS的組成部分，能夠靠自己的智能在道路上行駛1。所以本課題的研究無(wú)論是從教學(xué)實(shí)驗(yàn)角度還是從生活實(shí)際的應(yīng)用來(lái)看都具有較強(qiáng)的理論價(jià)值和實(shí)際意義。1.2 智能小車的發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)物流學(xué)會(huì)自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)產(chǎn)品部把自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，以下簡(jiǎn)稱AGV）定義為裝有電磁或光學(xué)自動(dòng)導(dǎo)引裝置的運(yùn)輸車2。該AGV能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，并配備有AGV編程與停車的選擇裝置，安全保護(hù)和其他系統(tǒng)所需要的特殊功能的裝置。自動(dòng)

12、導(dǎo)引車是計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，管理技術(shù)，加工制造技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)的綜合。1.2.1智能小車在國(guó)外的發(fā)展世界上第一臺(tái)是AGV是由美國(guó)Barrett電子公司于20世紀(jì)50年代開發(fā)成功的，它是一種牽引式小車系統(tǒng)，小車跟隨一條鋼絲引導(dǎo)的路徑行駛，并具有一個(gè)以真空管技術(shù)為基礎(chǔ)的控制器3。智能小車項(xiàng)目已經(jīng)成為一個(gè)當(dāng)今世界熱門的研究題目，在國(guó)外高校中主要的智能小車研究主要有下幾種最具有代表性：大谷機(jī)器人ASURO世界最具影響力的三大教育機(jī)器人教材生產(chǎn)廠家之一，ASURO被評(píng)2006美國(guó)中學(xué)生暑期電子課作業(yè)指定教材。風(fēng)靡歐洲教育界的ASURO和兩足機(jī)器人，用的是免費(fèi)的AVR軟件，可以把電腦上的C語(yǔ)言的源程

13、序轉(zhuǎn)換成機(jī)器人可以識(shí)別的16進(jìn)制代碼，通過(guò)與電腦相聯(lián)接的紅外發(fā)射板，可以無(wú)線的把機(jī)器人可以識(shí)別的16進(jìn)制代碼發(fā)射到產(chǎn)品上面，就會(huì)展示新的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)可復(fù)編程，發(fā)射不同的程序，可實(shí)現(xiàn)不同的功能，如線性追蹤（自動(dòng)尋軌），追蹤光源，設(shè)定路線來(lái)轉(zhuǎn)彎，電腦遙控，唱歌，機(jī)器人走迷宮，感應(yīng)人的身體后可后退等動(dòng)作對(duì)ASURO來(lái)說(shuō)，輕而易舉4。韓國(guó)的飛思卡爾智能車大賽，早在2000年由韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)舉辦的，面向韓國(guó)各個(gè)大學(xué)。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCSl2單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。組委會(huì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路徑

14、的智能車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，誰(shuí)最快跑完全程而沒(méi)有沖出跑道并且技術(shù)報(bào)告評(píng)分較高，誰(shuí)就是獲勝者。其設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、能源等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，具有良好的推動(dòng)作用4。IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠走迷宮競(jìng)賽所謂“電腦鼠”，英文名叫做MicroMouse，是使用嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的一種智能行走裝置的俗稱。它可以在迷宮中自動(dòng)搜索迷宮，記憶迷宮地圖，智能分析選擇路徑，最終以最快時(shí)間完成比賽。迷宮的地圖是在競(jìng)賽開始前幾分鐘隨機(jī)設(shè)置的，所以競(jìng)賽難度較大。國(guó)際電工和電子工程學(xué)會(huì)（IEEE）每年都

15、要舉辦一次國(guó)際性的電腦鼠走迷宮競(jìng)賽，自舉辦以來(lái)參加國(guó)踴躍。1972年美機(jī)械雜志發(fā)起比賽，最初的電腦鼠是機(jī)械的，由彈簧驅(qū)動(dòng)。1977年IEEE Spectrum雜志提出電腦鼠的概念：電腦鼠是一個(gè)小型的由微處理器控制的機(jī)器人車輛，在復(fù)雜迷宮中具有譯碼和導(dǎo)航的功能。真正的首場(chǎng)電腦鼠迷宮競(jìng)賽于1979年于紐約舉行，1991年以來(lái)，每年都有世界級(jí)的比賽4 5。1.2.2 智能小車在國(guó)內(nèi)的發(fā)展我國(guó)AGV發(fā)展歷史較短。北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所、中國(guó)郵政科學(xué)研究規(guī)劃院、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、大連組合機(jī)床研究所、清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)和華東工學(xué)院都在進(jìn)行不同類型的AGV的研制并小批量投入生產(chǎn)。1975年北京起重

16、運(yùn)輸機(jī)械研究所完成我國(guó)第一臺(tái)電磁引導(dǎo)定點(diǎn)通信的AGV，1989年北京郵政科學(xué)研究規(guī)劃院完成我國(guó)第一臺(tái)雙向無(wú)線電通信的AGV，該院已能進(jìn)行AGV的批量生產(chǎn)。沈陽(yáng)自動(dòng)化所在AGV技術(shù)方面已取得了多項(xiàng)研究開發(fā)成果和專利，解決了AGV車體設(shè)計(jì)、控制、導(dǎo)航和高度管理等一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，成為國(guó)內(nèi)唯一能夠提供自主品牌AGV產(chǎn)品的單位。AGV自動(dòng)導(dǎo)航車系統(tǒng)是伴隨著柔性裝配系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)以及自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來(lái)的，是物流系統(tǒng)中革命性的換代產(chǎn)品。為一種高效物流輸送設(shè)備和工廠自動(dòng)化的理想手段，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在我國(guó)AGV領(lǐng)域必將越來(lái)越大6。近幾年，智能小車的研究是我國(guó)的高校大學(xué)生熱點(diǎn)研究的項(xiàng)目。2

17、006年，“飛思卡爾”杯智能車大賽登陸中國(guó)，經(jīng)過(guò)教育部批準(zhǔn)，由飛思卡爾半導(dǎo)體公司贊助，由清華大學(xué)協(xié)辦，在清華大學(xué)舉辦了第一屆“飛思卡爾”杯智能車大賽 。今年則是第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車大賽，與往屆不同，今年的第五屆智能車競(jìng)賽新增了電磁組的競(jìng)賽單元，參賽者需要用電磁器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電和CCD，通過(guò)磁感應(yīng)來(lái)進(jìn)行賽道信息的獲取渠道，以此控制智能車在賽道上行駛。IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠走迷宮競(jìng)賽，2007年9月開始在廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司的贊助下，中國(guó)嵌入式系統(tǒng)學(xué)會(huì)組織上海市、江蘇省、浙江省30多所高校連續(xù)舉辦了兩次聯(lián)賽。2009全國(guó)“電腦鼠走迷宮”總決賽于11月8日在北京航空航天大學(xué)

18、首享科技大廈舉行。此賽事由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)指導(dǎo)、中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)主辦、廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司和臺(tái)灣嵌入式暨單晶片系統(tǒng)發(fā)展協(xié)會(huì)協(xié)辦、廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司承辦。1.3 研究意義路徑識(shí)別技術(shù)是智能控制領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)重要的分支，智能車融合了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、光電檢測(cè)、圖像處理與路徑識(shí)別、自動(dòng)控制和電機(jī)控制等多種技術(shù)。其研究成果應(yīng)用到很多領(lǐng)域中，例如擁有路徑跟蹤功能的自動(dòng)導(dǎo)引車便廣泛應(yīng)用于自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)、柔性加工生產(chǎn)線、柔性轉(zhuǎn)配線等領(lǐng)域。在一些惡劣的地面工作環(huán)境中，具有一定的危險(xiǎn)的工作就可以利用智能車的路徑跟蹤功能來(lái)完成任務(wù)，基于機(jī)器視覺的智能車路徑跟蹤控制系統(tǒng)能夠更全面地獲取道路信息

19、。利用各種有效的圖像處理算法對(duì)路徑進(jìn)行識(shí)別，提高了路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性，拓寬智能車的視野，能對(duì)更遠(yuǎn)的路徑提前做好判斷，提高了智能車路徑跟蹤的平均速度和車身穩(wěn)定。作為能夠自動(dòng)進(jìn)行路徑跟蹤的智能車，車身與控制器本身就是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，有些控制理論與算法已非常成熟，且在實(shí)際應(yīng)用中效果非常好。一些新的控制算法在靈活性上也有很大的提高，因此對(duì)各種控制算法的靈活運(yùn)用能夠提高智能車路徑跟蹤系統(tǒng)的整體性能。所以，本課題的研究，對(duì)響應(yīng)教育部的號(hào)召，實(shí)施“質(zhì)量工程”，提高大學(xué)實(shí)踐能手能力有很大的幫助；同時(shí)本課題也具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性。1.4 智能小車的關(guān)鍵技術(shù)智能小車要想走向?qū)嵱茫匦钃碛心軇偃蔚倪\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)

20、航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全而又友好地與人一起工作的能力。智能小車的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。適應(yīng)性是指小車具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力(主要通過(guò)學(xué)習(xí))，不但能識(shí)別和測(cè)量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并做出正確的判斷及操作和移動(dòng)等能力。自主性是指小車能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式；交互性是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括小車與環(huán)境、小車與人及小車之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。智能小車是一個(gè)綜合系統(tǒng)，包括以下關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)道路信息的完整程度、路徑跟蹤標(biāo)志等因素，智能車的路徑跟蹤技術(shù)主要分為基于機(jī)器視覺的路徑跟蹤、基于地圖路徑跟蹤、基于

21、特殊道路標(biāo)志的路徑跟蹤以及基于感知器的路徑跟蹤等。本課題就是要設(shè)計(jì)一種智能車，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)白色跑道上寬18cm的黑線，將路徑信息傳送到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行各種算法處理，對(duì)小車的直流電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行控制。因此，其中的路徑檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)和控制器就是最重要的兩部分，本文也即是圍繞這兩部分展開。由于人體太復(fù)雜，人類的智能行為至今仍是一個(gè)謎，像生命科學(xué)中生物具有生命一樣，今天我們知之甚少。而智能技術(shù)是用機(jī)器來(lái)模擬人的外在認(rèn)識(shí)和思想行為的技術(shù)總稱。目前，對(duì)于智能技術(shù)的研究，主要分為兩大派：間接進(jìn)化和直接進(jìn)化。前者主要以符號(hào)主義的人工智能為代表；后者以計(jì)算智能技術(shù)為代表，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、進(jìn)化計(jì)算(遺傳算

22、法、進(jìn)化策略、進(jìn)化規(guī)劃等)和基于個(gè)體的復(fù)雜系統(tǒng)的研究。前者采用自頂向下的技術(shù)路線，后者采用自底向上的技術(shù)路線。其實(shí)，人在處理問(wèn)題時(shí)，兩者是混合使用的。因此，兩者的有機(jī)結(jié)合更恰當(dāng)。對(duì)于智能小車來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵智能技術(shù)是自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)和基于傳感的智能。小車的智能行為包括知識(shí)理解、推測(cè)、感覺、認(rèn)識(shí)、推理、歸納、推斷、計(jì)劃、反應(yīng)、學(xué)習(xí)和問(wèn)題求解等。涉及的領(lǐng)域包括圖像理解、語(yǔ)音和文字符號(hào)的處理與理解、知識(shí)的表達(dá)和獲取、學(xué)習(xí)和運(yùn)動(dòng)67。1.5 本文所開展的研究工作本文是以ST意法半導(dǎo)體有限公司的STM32F103ZET6為微處理器為核心控制單元，配以紅外光電傳感器為道路檢測(cè)方案進(jìn)行檢測(cè)路徑信息，對(duì)智能車進(jìn)行實(shí)時(shí)控

23、制。智能小車采用增量PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的速度控制和轉(zhuǎn)向舵機(jī)的控制。具體的研究?jī)?nèi)容主要包括：一、自動(dòng)導(dǎo)引車的發(fā)展和研究情況。闡述了智能控制理論應(yīng)用于智能機(jī)器系統(tǒng)的意義以及路徑識(shí)別和控制器在智能車中的重要性。二、智能小車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了智能小車硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。智能小車選擇STM32F103ZET6最小系統(tǒng)開發(fā)板為核心控制單元，完成了電源模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊、路徑識(shí)別模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)。三、對(duì)PID控制、增量控制以及位置PID控制算法的原理和特點(diǎn)做了介紹，并給出了增量控制器的設(shè)計(jì)步驟。四、智能車軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)道路識(shí)別模塊的進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計(jì)，運(yùn)用模糊控制

24、理論分別對(duì)智能小車的方向和速度進(jìn)行控制。整車控制系統(tǒng)是研究?jī)?nèi)容的重點(diǎn)，其主要功能是完成對(duì)轉(zhuǎn)向舵機(jī)及直流電機(jī)的控制，PID控制是一種非常成熟的控制方法，其在智能車輛控制領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用，但PID控制器的采樣時(shí)間及各項(xiàng)系數(shù)對(duì)控制器調(diào)節(jié)能力影響很大，通過(guò)何種手段確定將是控制器研究的主要內(nèi)容，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)最終確定了各個(gè)參數(shù)并通過(guò)了各類型路徑的驗(yàn)證。五、進(jìn)行整個(gè)智能小車進(jìn)行調(diào)試，不斷的測(cè)試完善。第二章 硬件電路的設(shè)計(jì)2.1 智能小車的總體設(shè)計(jì)方案硬件電路設(shè)計(jì)是智能小車的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)的好壞，不僅直接影響到小車功能的實(shí)現(xiàn)與否，而且對(duì)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也起著決定性的作用。一種好的硬件電路設(shè)計(jì)方案，可以說(shuō)對(duì)整個(gè)裝

25、置的設(shè)計(jì)有著事半功倍的效果8。作為能夠自動(dòng)識(shí)別道路運(yùn)行的智能汽車，車模與控制器可以看成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它可分為傳感器，信息處理，控制算法，執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個(gè)部分。其中以微處理器為核心，配有傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成控制系統(tǒng)的硬件，信息處理與控制算法由運(yùn)行在嵌入式處理器中的控制軟件完成的。智能小車的硬件部分以車模為載體，功能模塊主要包括:電源模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、路徑識(shí)別模塊、速度檢測(cè)模塊、微處理器模塊以及調(diào)試輔助模塊。其中，轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)一般由CPU直接驅(qū)動(dòng)。智能車系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心，為了使智能車能夠快速行駛，單片機(jī)必須把路徑的迅速判斷、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)

26、電機(jī)的控制精密地結(jié)合在一起。智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。 硬件電路設(shè)計(jì)包括以下五個(gè)部分： （1）電源電路。為各個(gè)模塊提供電源。（2）路徑識(shí)別模塊。此模塊的主要任務(wù)是通過(guò)傳感器采集當(dāng)前的道路信息，以方便智能小車根據(jù)道路情況做出實(shí)時(shí)處理。（3）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。對(duì)模型車上的后輪直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制效果不好，也會(huì)造成直線路段速度上不去，彎曲路段速度過(guò)快等問(wèn)題。（4）轉(zhuǎn)向舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。對(duì)模型車上的舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制智能車車的方向和速度。轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制的失當(dāng)，都會(huì)造成模型車嚴(yán)重抖動(dòng)甚至偏離路徑。（5）速度檢測(cè)模塊。由于實(shí)際路徑存在多變性，為了使智能小車平穩(wěn)地運(yùn)行，智能小車采用速度閉環(huán)控

27、制系統(tǒng)，速度檢測(cè)模塊能夠修正速度誤差，提高智能小車路徑跟蹤的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。硬件系統(tǒng)電路框圖如下： 圖2.1智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖以上模塊是智能小車系統(tǒng)的核心模塊，也是智能小車系統(tǒng)具備良好的性能的關(guān)鍵所在。而有些模塊則對(duì)小車的行駛效果沒(méi)有太大影響，它們只是為了增強(qiáng)系統(tǒng)功能而設(shè)計(jì)的模塊，如電池監(jiān)控模塊，小車故障診斷模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊以及調(diào)試輔助模塊，這些模塊統(tǒng)稱為小車系統(tǒng)的輔助模塊，可在實(shí)際調(diào)試時(shí)選擇使用。2.2 微處理器的介紹2.2.1 中央處理器STM32F103ZET6的介紹STM32F103ZET6是意法半導(dǎo)體有限公司（ST）生產(chǎn)的，相比而言STM32F103ZET6功能更完善，資源更豐富

28、，因此,我們使用STM32F103ZET6微控制器。STM32系列32位閃存微控制器使用來(lái)自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。Cortex-M3在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)，讓STM32受益無(wú)窮；Thumb-2®指令集帶來(lái)了更高的指令效率和更強(qiáng)的性能；通過(guò)緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對(duì)中斷事件的響應(yīng)比以往更迅速；所有這些又都融入了業(yè)界領(lǐng)先的功耗水準(zhǔn)。在Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)期間，意法半導(dǎo)體是ARM公司的一個(gè)主要合作伙伴，現(xiàn)在也是第一個(gè)領(lǐng)先的MCU供應(yīng)商宣布基于這個(gè)核的產(chǎn)品面世。STM32

29、產(chǎn)品系列基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM 32位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)ARM公司最新的內(nèi)核Cortex-M3。Cortex-M3瞄準(zhǔn)單片機(jī)領(lǐng)域和嵌入式應(yīng)用，得益于其先進(jìn)的結(jié)構(gòu)特性，以減少的代碼占用空間和行業(yè)領(lǐng)先的高超性能，為我們帶來(lái)了一個(gè)小巧、低能耗的理想平臺(tái)，將特性差異的不同應(yīng)用從傳統(tǒng)的平臺(tái)引領(lǐng)到32位的微控制器世界。STM32的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）使用ARM最新的、先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核；（2）優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能；（3）杰出的功耗控制；（4）出眾及創(chuàng)新的外設(shè)；（5）最大程度的集成整合；（6）易于開發(fā)，可使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)；STM32F103是增強(qiáng)型系列，工作在72 MHz，帶有片內(nèi)RAM和豐富的外設(shè)。STM3

30、2F101是基本型系列， 工作在36 MHz。兩個(gè)系列的產(chǎn)品擁有相同的片內(nèi)閃存選項(xiàng)，在軟件和引腳封裝方面兼容。本文采用STM32F103是增強(qiáng)型系列STM32F103ZET6微處理器，完全能滿足本系統(tǒng)的要求。它擁有3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1s轉(zhuǎn)換時(shí)間(多達(dá)輸入通道)；多達(dá)4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道，2個(gè)16位6通道高級(jí)控制定時(shí)器，多達(dá)6路PWM輸出，帶死區(qū)控制；還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO、5個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN；內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRA

31、M)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。這些豐富的外設(shè)配置，使得STM32F103ZET6微處理器增強(qiáng)型微控制器更適合于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用控制10。2.2.2 STM32F103系列軟件開發(fā)平臺(tái)意法半導(dǎo)體以及眾多第三方為32位STM32微控制器提供了從低成本到高端的全套開發(fā)工具，包括簡(jiǎn)單易用的入門套件，完整的開發(fā)工具方案，編程工具以及嵌入式操作系統(tǒng)，所有這些都是為基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32專門定制的。用戶可從全系列開發(fā)方案中選擇開發(fā)工具，它將幫助用戶自始至終地在單一集成環(huán)境下完成應(yīng)用開發(fā)。第三方的開發(fā)環(huán)境包含適合STM32和其它ARM內(nèi)核產(chǎn)品的C/C+編譯器和在

32、線仿真器10 11。在本系統(tǒng)的軟件開發(fā)中采用了ARM公司于2007年推出的嵌入式開發(fā)工具M(jìn)DK（Microcontroller Development Kit）,是用來(lái)開發(fā)基于ARM內(nèi)核微控制器的嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)工具。MDK集ARM公司的RealView編譯工具RVCT3.1和Keil公司的IDE環(huán)境uVision3兩者的優(yōu)勢(shì)于一體，適合不同層次的開發(fā)者使用，包括專業(yè)的應(yīng)用程序開發(fā)工程師和嵌入式軟件開發(fā)的入門者。作為ARM嵌入式的主流開發(fā)工具，MDK也是目前為數(shù)不多的完全支持Cortex-M3處理器開發(fā)的企業(yè)級(jí)開發(fā)工具，并內(nèi)含STM32F103x系列處理器片上外圍接口固件庫(kù)和完整的數(shù)據(jù)手冊(cè)1

33、1。2.3 電源模塊本小車的總電源采用兩節(jié)3.7V鋰電池供電，總共是7.4V的電源。小車需供電的模塊包括:單片機(jī)最小系統(tǒng)、路徑識(shí)別傳感電路、車速檢測(cè)傳感電路、伺服轉(zhuǎn)向電機(jī)電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。整個(gè)系統(tǒng)的電源供電方框圖如下圖2.2所示：圖2.2電源模塊結(jié)構(gòu)圖首先應(yīng)該選擇穩(wěn)壓芯片。因?yàn)殡姵氐碾妷簝H為7.2V而傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2V3V以上，否則就不能正常工作。 而此時(shí)若要穩(wěn)壓器輸出+5V的電壓，則輸入輸出的差值僅為2.2V。當(dāng)電路會(huì)產(chǎn)生干擾波動(dòng)時(shí)可能會(huì)不滿足此類芯片的使用，可能會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)的頻繁復(fù)位，所以顯然不能選用通常的78系列芯片。特別是在可

34、能會(huì)產(chǎn)生脈沖電流干擾的電路中，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)的干擾。我們知道電池的輸出電壓為U=E-IR，其中R為電池的內(nèi)阻，當(dāng)電機(jī)的H驅(qū)動(dòng)橋電路剛接通的瞬間，會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)電流。從而此時(shí)電池的輸出在瞬間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)(變小)，因?yàn)楫?dāng)I增大，R不變，則輸出U則會(huì)變小。從而可能會(huì)造成系統(tǒng)不能正常工作。故本系統(tǒng)必須選用一些LDO芯片。LDO即low dropout regulator，意為低壓差線性穩(wěn)壓器。本小車中選定LM2576(低壓差)芯片, LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片的集成電路，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，能驅(qū)動(dòng)3A的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。本系統(tǒng)選定LM2576芯片的輸出電壓可調(diào)的型號(hào)LM2

35、576T-ADJ。由于控制器STM32采用的是3.3V的工作電壓，因此，我們選擇一片為控制器及其它外設(shè)供電，另一片調(diào)到6V為舵機(jī)供電，直流減速電機(jī)直接采用7.4V的電源供電。LM2576T-ADJ的封裝管腳圖如下圖2.3所示，LM2576T-ADJ組成的可調(diào)電壓輸出的電路如下圖2.4所示。圖2.3 LM2576T-ADJ的封裝管腳圖圖2.4 LM2576T-ADJ可調(diào)電壓輸出電路由圖2.4所示，改變LM2576T-ADJ的4腳上的電壓大小就可以改變輸出電壓Vout的大小,輸出電壓的公式如下： (式21)其中Vref=1.23V，即輸出的電壓Vout大于或等于1.23V，R2等于可調(diào)變阻器W1的

36、阻值，所以本電源電路的設(shè)計(jì)完全可以滿足整個(gè)系統(tǒng)的供電要求。2.4尋跡傳感器模塊設(shè)計(jì)2.4.1 傳感器設(shè)計(jì)方案路徑識(shí)別模塊是智能車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，它將路況的信息傳送給主控制模塊。路徑識(shí)別方案的好壞，直接影響著小車的控制效果。在智能車控制系統(tǒng)中，小車有多種尋跡方案。包括光電傳感器尋跡方案，單獨(dú)采用攝像頭尋跡方案以及攝像頭尋跡與光電傳感器尋跡結(jié)合在一起的尋跡方案。下面依次具體介紹前兩種尋跡方案： 方案一：使用 CCD 傳感器來(lái)采集路面信息。就是通過(guò)攝像頭把智能車前面的路徑信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，來(lái)進(jìn)行路徑識(shí)別的一種尋跡方法。由于跑道只有黑白兩種顏色，采用黑白圖像傳感器即可滿足要求。使用 CCD

37、傳感器，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測(cè)和識(shí)別圖像復(fù)雜的路面，而且抗干擾能力強(qiáng)。但是對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，使用 CCD傳感器也有其不足之處。首先使用 CCD傳感器需要有大量圖像處理的工作，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算。因?yàn)槭且詫?shí)現(xiàn)小車視覺為目的，實(shí)現(xiàn)起來(lái)工作量較大，相當(dāng)繁瑣12。方案二：使用光電傳感器來(lái)采集路面信息。使用紅外傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復(fù)的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間低，便于近距離路面情況的檢測(cè)。但紅外傳感器的缺點(diǎn)是，它所獲取的信息是不完全的，只能對(duì)路面情況作簡(jiǎn)單的黑白判別，檢測(cè)距離有限，而且容易受到諸多擾動(dòng)

38、的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對(duì)其造成干擾。在本次比賽中，賽道只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以采集到準(zhǔn)確的路面信息。經(jīng)過(guò)綜合兩種方案比較，在本項(xiàng)目中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。，其外型如圖2.5所示。其內(nèi)部電路如圖2.6所示。 圖2.5 STl88的外觀示意圖 圖2.6 STl88的內(nèi)部電路示意圖光電傳感器由1個(gè)紅外發(fā)射管(發(fā)射器)和1個(gè)光電二極管(接收器)構(gòu)成。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強(qiáng)的物體(表面為白色或近白色)后被折回，被光電二極管接收到，引起光電二極管光生電流的增大。將這個(gè)變化轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，就可以被處理器接

39、受并處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反光性差別較大的兩種顏色(如黑白兩色)的識(shí)別。STl88反射式紅外光電傳感器具有以下特點(diǎn)：(1)采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。(2)檢測(cè)距離可調(diào)整范圍大，413ram可用。(3)采用非接觸檢測(cè)方式。2.4.2光電傳感器的電路設(shè)計(jì)光電傳感器的電路圖如圖2.7所示：圖2.7 光電傳感器的電路圖采用LM339比較器電路采集光電傳感器電信號(hào)并將此信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)輸出給CPU的I/O口輸入。光電傳感器電路中R0為紅外發(fā)射管的限流電阻，當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外接收三極管處于截止的狀態(tài)，從而LM339的正輸入端為低電平；相反，當(dāng)檢測(cè)到白線時(shí)，紅外接收三極管處于導(dǎo)通的狀

40、態(tài)，從而LM339的正輸入端為高電平。LM339的負(fù)輸入端為基準(zhǔn)的電壓，一般調(diào)節(jié)為CPU的I/O口高電平的一半，將些基準(zhǔn)電壓與ST188采集輸出的電壓經(jīng)LM339比較輸出，從而可以識(shí)別出黑線與白線。通過(guò)調(diào)節(jié)W3可以調(diào)節(jié)光電傳感器的靈敏度。2.4.3光電傳感器的安裝與調(diào)試尋跡傳感器模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)智能小車設(shè)計(jì)中的最重要的一部分，其作用相當(dāng)于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并將其送入MCU微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其能否正常工作直接影響著小車對(duì)路面的判斷以及小車下一步的行動(dòng)，因而其布局的合理性與有效性對(duì)小車穩(wěn)定而又快速的行駛起著至關(guān)重要的作用。我們認(rèn)為在傳感器的布局中，要解決兩個(gè)問(wèn)題：信息檢測(cè)的精確

41、度和信息檢測(cè)的前瞻性。 一、尋跡傳感器的布局常見的有以下幾種方案：方案一：一字形布局反射式光電傳感器在小車前方一字形簡(jiǎn)單排布。在一字形中傳感器的間隔有均勻布局和非均勻布局兩種方式，均勻布局不利于彎道信息的準(zhǔn)確采集，通常采取的是非均勻布局。考慮到弧度信息采集的連貫性，非均勻布局的理論依據(jù)是等角度分布原則，即先確定一合適的定點(diǎn)，從頂點(diǎn)依次等角度畫射線，射線與傳感器水平線相交的位置即為傳感器的位置。這種方案信息檢測(cè)相對(duì)連貫，準(zhǔn)確，使控制程序算法簡(jiǎn)單，小車運(yùn)行連貫，穩(wěn)定。方案二：M形布局 傳感器呈M形排布。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于拓寬了邊沿傳感器的檢測(cè)范圍，更適合于小車快速行進(jìn)中的彎道檢測(cè)，但相對(duì)一字形布局

42、來(lái)說(shuō)，M形布局不利于信息檢測(cè)的穩(wěn)定，易于產(chǎn)生振蕩，不利于小車行駛的穩(wěn)定。方案三：活動(dòng)式傳感器布局 前面兩種方案都是固定的布局方式，使傳感器對(duì)賽道有一定的依賴。在這個(gè)方案中，傳感器的位置是可以在一定范圍內(nèi)靈活排布的。這種方案的布局思路是傳感器在安裝板上的位置是可調(diào)的，先將傳感器排布成為矩形點(diǎn)陣，根據(jù)不同的賽道情況而靈活地作出調(diào)整，就可以設(shè)計(jì)出不同的布局方式而適應(yīng)不同的賽道。這樣對(duì)不同賽道有更強(qiáng)的適應(yīng)性。但這種方案可調(diào)性大，臨時(shí)調(diào)節(jié)較難，其次機(jī)械設(shè)計(jì)中體積較大，增加了小車的重量，不利于加減速。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用單排共7個(gè)紅外傳感器等間距一字排列的方式。二、光電傳感器的間距分析各個(gè)傳感器的布局

43、間隔對(duì)智能車行車是有一定的影響的。道路中間黑色導(dǎo)引線的寬度為15mm，因此如果要求傳感器不出現(xiàn)同時(shí)感應(yīng)現(xiàn)象(即每次采集只出現(xiàn)一個(gè)傳感器值為1)，那么傳感器問(wèn)隔就必須大于15mm。如果將間隔設(shè)計(jì)成小于15mm，從而產(chǎn)生更多的情況，有利于模型車與道路偏移距離的判斷。此外，如果間隔過(guò)大，還會(huì)出現(xiàn)另一種情況，即在間隔之間出現(xiàn)空白。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，傳感器間隔對(duì)于過(guò)彎道的精確性以及防止飛車的能力有很大的關(guān)聯(lián)。如果間隔較密，當(dāng)路徑有些許微小變化控制單元就能進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)(改變前輪轉(zhuǎn)角)，從而使得過(guò)彎道的軌跡與彎道大體重合，精確性好；而對(duì)于傳感器間隔較疏的小車來(lái)說(shuō)靈敏性會(huì)受到一定影響，從而不能很好地跟隨彎道的軌

44、跡通過(guò)。綜上述分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)光電傳感器的間距為15mm。2.5車速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)對(duì)車速進(jìn)行閉環(huán)控制是至關(guān)重要的，這樣才能讓小車行駛在不同的路況上時(shí)準(zhǔn)確地設(shè)定不同的速度。車速檢測(cè)常用的有以下兩種方案：方案一：光電對(duì)管進(jìn)行測(cè)速。在車輪的內(nèi)側(cè)貼上一個(gè)光電碼盤，用光電對(duì)管對(duì)碼盤進(jìn)行檢測(cè)。光電對(duì)管照射到黑色和白色的邊界時(shí)輸出信號(hào)會(huì)有跳變。將跳變的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后送給CPU進(jìn)行檢測(cè)就可以得到輪子的轉(zhuǎn)速。方案二：霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)速?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。對(duì)測(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、

45、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。本次小車的測(cè)速采用霍爾傳感器加磁鋼的方法。當(dāng)霍爾傳感器正對(duì)磁鋼時(shí)，傳感器輸出低電平0.2V，否則輸出高電平4.8V。注意磁鋼的安裝是有方向的，正確的安裝磁鋼才能得到所需的效果。在小車的后輪上等距間隔安裝1個(gè)磁鋼，由于減速電機(jī)的減速比為1:64，因此車輪每轉(zhuǎn)一圈則會(huì)產(chǎn)生64個(gè)脈沖。若車輪的周長(zhǎng)約為17cm，則一個(gè)脈沖到來(lái)車子所走過(guò)的距離約為17640.27cm。例如期望得到的速度為2.7m/s，CPU每間隔1秒鐘讀一次定時(shí)器捕獲寄存器的脈沖數(shù)，則理論上對(duì)應(yīng)的定時(shí)器捕獲的份數(shù)應(yīng)該為a=1000(這個(gè)就是系統(tǒng)的設(shè)定期望值)，如此時(shí)經(jīng)霍爾傳感捕獲的時(shí)間間隔份數(shù)為1000，則

46、說(shuō)明已達(dá)到設(shè)定的期望值，即偏差為0。如此時(shí)捕獲的份數(shù)小于1000，說(shuō)明此時(shí)電機(jī)的實(shí)際速度大于期望速度，此時(shí)就應(yīng)該按照他們間的偏差來(lái)進(jìn)行PID運(yùn)算，得出一定PWM占空比(減小)。如此時(shí)捕獲的份數(shù)大于1000，說(shuō)明此時(shí)電機(jī)的實(shí)際速度小于期望速度，此時(shí)就應(yīng)該按照他們問(wèn)的偏差來(lái)進(jìn)行PID運(yùn)算，得出一定PWM占空比(增加。具體的比例關(guān)系需要在實(shí)踐中調(diào)試設(shè)定。2.6減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.6.1直流PWM調(diào)速基本原理直流電機(jī)PWM調(diào)速的基本原理圖如圖2.8所示?？煽亻_關(guān)S以固定的周期重復(fù)地接通和斷開，當(dāng)開關(guān) S 接通時(shí)，直流供電電源 U 通過(guò)開關(guān) S 施加到直流電機(jī)兩端，電機(jī)在電源作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)電樞電感

47、儲(chǔ)存能量；當(dāng)開關(guān) S斷開時(shí)，供電電源停止向電動(dòng)機(jī)提供能量，但此時(shí)電樞電感所儲(chǔ)存的能量將通過(guò)續(xù)流二極管 VD使電機(jī)電樞電流繼續(xù)維持，電樞電流仍然產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使得電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。開關(guān) S 重復(fù)動(dòng)作時(shí)，在電機(jī)電樞兩端就形成了一系列的電壓脈沖波形，如圖 2.9所示。圖 2.8簡(jiǎn)單直流 PWM控制 圖2.9電壓及電流波形電樞電壓平均值的理論計(jì)算式為: (式22)其中：a為占空比，即導(dǎo)通時(shí)間與脈沖周期之比。 2.6.2 減速電機(jī)控制電路L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路；一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2

48、A以下的電機(jī)。其引腳排列如圖2.10所示，1腳和 15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)。圖2.10 L298N芯片L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)減速電機(jī)，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。L298的邏輯功能如表1所示。表2.1 L298N的邏輯功能ENA(B)INl(IN3)IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同INl(IN3)快速停止LXX停止CPU輸出二組PWM波，每一組PWM波用來(lái)控制一個(gè)電機(jī)的速度；另外二個(gè)IO口可以控制電機(jī)的正

49、反轉(zhuǎn)，控制方法與控制電路都比較簡(jiǎn)單。減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖2.11所示：圖中8個(gè)二極管為續(xù)流二極管，保護(hù)驅(qū)動(dòng)芯片；J1為邏輯電壓，接正5V；J3接控制信號(hào)輸入端，與CPU的I/O口相連；J2接12V電源；J4、J5接減速電機(jī)。減速電機(jī)的控制方法如下：CPU分別輸出兩路PWM波送給L298N的使能端ENA和ENB用于調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)采用CPU的I/O口按表2.1所示的方法控制電機(jī)的方向。在本系統(tǒng)中，由于采用舵機(jī)控制方向，所以只需用本電路控制電機(jī)的速度快圖2.11 減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路慢，即讓控制電機(jī)方向一直為前進(jìn)方向，通過(guò)PWM控制電機(jī)速度就可以滿足本系統(tǒng)要求。2.7轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)2.7.1

50、舵機(jī)的工作原理舵機(jī)也稱微型伺服馬達(dá)，一個(gè)微型伺服馬達(dá)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速(減速)齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比越大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也越大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。其原理如圖2.12所示。圖2.12 舵機(jī)原理圖舵機(jī)工作原理：控制電路接受來(lái)自信號(hào)線的控制信號(hào)(具體信號(hào)待會(huì)再講)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)給控制電路，進(jìn)行

51、反饋，然后控制電路根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。2.7.2舵機(jī)的控制舵機(jī)的輸入線共有三條，電源、地及控制。紅色在中間是電源線，一邊黑色的是地線，這兩根線給舵機(jī)提供的電源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)消耗。電源電壓通常介于4V-6V之間。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0°-180°，呈線性變化。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路

52、，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不能超過(guò)+90°。表2.2列出一個(gè)典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系。正常狀態(tài)下舵機(jī)的工作電壓范圍是4.8V-6V，而我們使用的電池是7.4V的，實(shí)際上我們發(fā)現(xiàn)可以把電池直接接到舵機(jī)的電源接口上，即讓舵機(jī)工作在7.4V的電壓下，這樣的話可以加快舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，而舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于小車的控制是至關(guān)重要的。但在此工作方式下發(fā)現(xiàn)，電源的電壓下降對(duì)舵機(jī)的正常工作的影響比較大，但電池的電

53、壓下降的比較厲害之后，舵機(jī)就不能正常工作了，出現(xiàn)的現(xiàn)象是舵機(jī)轉(zhuǎn)向不足。這種情況在調(diào)試過(guò)程中曾經(jīng)多次出現(xiàn)，每次更換新電池后小車就能正常工作了。通常給舵機(jī)的調(diào)制信號(hào)是50Hz的，即周期為20ms，實(shí)際上為了加快舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，我們可以把舵機(jī)調(diào)制信號(hào)的頻率提高到100Hz，即周期為10ms。查閱舵機(jī)的資料我們知道，當(dāng)給的調(diào)制信號(hào)的高電平時(shí)間是1.5ms時(shí)，舵機(jī)輸出0°。特別要注意的是，在程序中把舵機(jī)的頻率提高以后，舵機(jī)的輸出角度僅與高電平的表2.2舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制輸入正脈沖寬度(周期為20ms)伺服馬達(dá)輸出臂位置0.5ms 90° 1.0ms 45° 1.5ms 0

54、6; 2.0ms 45° 2.5ms 90° 持續(xù)時(shí)間有關(guān)，而與占空比無(wú)關(guān)。即當(dāng)采用100Hz，的調(diào)制信號(hào)時(shí)，只要把此時(shí)的高電平持續(xù)時(shí)間響應(yīng)的設(shè)定為1.5ms，則舵機(jī)就可以正確的輸出0°。2.8本章小結(jié)本章制定了智能車開發(fā)的總體方案，并分別設(shè)計(jì)了電源模塊、傳感器模塊、舵機(jī)和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及其他零部件和模型車平臺(tái)。主要包括以下內(nèi)容：(1)STM32系統(tǒng)板、光電傳感器電路、車速測(cè)量電路采用LM2576提供3.3V電壓，舵機(jī)電源采用LM2576提供6V電壓，減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直接電池與連接獲得7.4V電壓；(2)采用單排共7個(gè)紅外傳感器等間距排列的方式進(jìn)行循跡和檢測(cè)模型車

55、相對(duì)于引導(dǎo)線的偏移量；(3)經(jīng)過(guò)精確測(cè)量和計(jì)算，最終確定了各硬件的結(jié)構(gòu)尺寸，確定了可使用的尋線傳感器和測(cè)速傳感器及其附屬的電路板卡和相關(guān)的連接部件。至此，智能車的硬件平臺(tái)完全搭建完畢。第三章 PID控制算法的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 PID控制原理與程序PID控制器分為模擬PID控制器與數(shù)字PID控制器，而數(shù)字PID控制器又分為位置式與增量式；PID(比例、積分、微分)控制器是建立在經(jīng)典的控制理論基礎(chǔ)上的一種控制策略。PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器，已經(jīng)有70多年的歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便、不需要精確的系統(tǒng)模型等先決條而成為應(yīng)用最廣泛的控制器22。3.1.1 模擬PI

56、D調(diào)節(jié)器模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3.1所示。 圖3.1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖e(t)代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到PID控制器，控制器對(duì)誤差信號(hào)e(t)分別進(jìn)行比例(P)、積分(I)、微分(D)運(yùn)算，其結(jié)果的加權(quán)和構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號(hào)u(t)。PID控制器的數(shù)學(xué)模型為 （式31） 式中 PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： （式32）在本系統(tǒng)中，小車位置信號(hào)為y(t)，由傳感器采集得到；其期望的運(yùn)行位置r(t)為預(yù)先設(shè)定好的定值；輸出信號(hào)u(t)可作為舵機(jī)的控制信號(hào)。PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用：（1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp的大小。增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在有靜態(tài)誤差的系統(tǒng)中有利于減小靜差，加大比例系數(shù)則能減小靜差，卻不能從根本上消除靜差23。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。增