智能巡線小車的多模式速度控制系統(tǒng)

1、技術創(chuàng)新中文核心期刊微計算機信息(測控自動化2008年第24卷第7-1期360元/年郵局訂閱號:82-946現(xiàn)場總線技術應用200例控制系統(tǒng)智能巡線小車的多模式速度控制系統(tǒng)Multi Mode Speed Control System of Sm all Intelligent Patrol Line Vehicle(四川大學胡文華周新志HU Wen-huaZHOU Xin-zhi摘要:介紹了基于Freescale HCS12系列單片機的智能巡線小車多模式速度控制系統(tǒng)的設計方案。該速度控制系統(tǒng)主要由直流電機驅動電路、速度檢測模塊和無線通信模塊構成,包含四種速度模式。介紹了速度控制系統(tǒng)的總體結構

2、,并分析了其主要模塊的工作原理。介紹了軟件思想和程序設計流程圖。實驗結果表明,該多模式速度控制系統(tǒng)保證了智能巡線小車具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。關鍵詞:單片機;多模式;制動;穩(wěn)定性;快速跟隨性中圖分類號:TP273文獻標識碼:AAbstract:The design of the multi mode speed control system of a small intelligent patrol line vehicle based on Freescale HCS12mi-croprocessor is introduced in this paper.The speed contr

3、ol system is mainly composed of the DC motor circuit,the speed detection module and the wireless communication module.And four speed models are obtained in the speed control system.The overall struc-ture of the speed control system and the operation principles of the main modules are introduced in t

4、his paper.The software idea and the block diagram of the software design are described.Experimental results show that the small intelligent patrol line vehicle based on the multi mode speed control system can be steadier and faster in response.Key words:single-chip computer;multi mode;brake;stabilit

5、y;fast dynamic response文章編號:1008-0570(200807-1-0004-02引言目前,設計出具有智能化的產品已經成為商家開發(fā)產品的目標之一,也是學生課外科技活動的熱點之一;其中,專門針對具有自主巡線功能的智能小車的設計更是數(shù)不勝數(shù),但大多數(shù)智能巡線小車只是完成了“智能化”所要求的各部分的功能,在小車速度的穩(wěn)定性和快速性上考慮的相對比較少。本文主要針對具有自主巡線功能的智能小車,設計出了一種多模式速度控制系統(tǒng),可以使智能小車具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。同時,該速度控制系統(tǒng)的多模式設計思想也可以用在以其它系列單片機為控制核心的智能模型車上。1控制系統(tǒng)原理多模式速度

6、控制系統(tǒng)的速度模式有4種:1、開環(huán)加速模式2、反接制動模式3、能耗制動模式4、速度閉環(huán)運行模式。系統(tǒng)模式通過速度測量值與給定值的偏差范圍進行選擇,速度給定值由前方傳感器檢測到的路徑形狀進行設定,而偏差范圍與模式選擇的關系根據(jù)電機自身的特性曲線和智能小車實際運行情況進行設定。多模式速度控制系統(tǒng)由HCS12單片機、直流電機驅動電路、直流電機、速度檢測模塊和無線通信模塊組成。單片機產生的PWM 波通過由H 橋組成的驅動電路來控制直流電機的輸入電壓大小,速度檢測模塊通過旋轉編碼器把電機的轉速轉換為單位時間內的脈沖個數(shù),無線通信模塊實現(xiàn)對速度控制系統(tǒng)相關參數(shù)的實時監(jiān)測與調整,主要用于系統(tǒng)的調試和開發(fā)。整

7、個速度控制系統(tǒng)的電源均由一節(jié)7.2V 鎳鎘電池提供,控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)中使用低差壓穩(wěn)壓器LM2940將7.2V 電源變?yōu)?V 穩(wěn)壓電源輸出,可為單片機、速度檢測模塊和無線通信模塊等提供相應的電源,也可減少電池電壓不穩(wěn)定給控制系統(tǒng)各個部分帶來的不良影響,保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。圖1控制系統(tǒng)原理圖2控制系統(tǒng)硬件設計2.1直流電機驅動電路系統(tǒng)中采用的直流電機型號為RS 380H 。直流電機驅動采用飛思卡爾公司的5A 集成H 橋芯片MC33886。MC33886芯片內置了控制邏輯、電荷泵、門驅動電路以及低導通電阻的MOSFET 輸出電路,適合用來控制感性直流負載,可以提供連續(xù)的5A 電流

8、,并且集成了過流保護、過熱保護、欠壓保護。直流電機驅動電路如圖2所示。通過控制MC33886的四根輸入線可以方便地實現(xiàn)電機正轉、反轉、能耗制動及反接制動。圖3為經過簡化的H 橋電路,當S1、S4導通且S2、S3截止時,電流正向流過電機,電機正轉;S2、S3導通S1、S4截止時,電流反向流過電機,適當利用這個過胡文華:碩士研究生4- 郵局訂閱號:82-946360元/年技術創(chuàng)新控制系統(tǒng)PLC 技術應用200例您的論文得到兩院院士關注程可以使電機處于反接制動狀態(tài),迅速降低電機速度;當S3、S4導通且S1、S2截止時,沒有電源加在電機上,可認為電機一端直接與另一端連接在一起,此時電機處于能耗制動狀態(tài)

9、。本設計中使用兩片MC33886并聯(lián),一方面進一步減小導通電阻對電機特性的影響,另一方面減小過流保護電路對電機啟動及制動時的影響。圖2直流電機驅動電路圖3簡化的H 橋電路2.2速度檢測模塊通過在電機驅動軸的齒輪上加裝小型旋轉編碼器,使旋轉編碼器齒輪與電機驅動軸的齒輪進行嚙合。這樣,就可通過實驗測定每個脈沖對應的智能小車運行的距離;同時,可設定一個合適的定時中斷作為脈沖采樣周期,根據(jù)每個采樣周期內旋轉編碼器的輸出脈沖個數(shù)就可計算出智能小車的實際速度,這樣就使脈沖個數(shù)和智能小車實際速度具有了明確的對應關系,實際操作、測量非常方便。在本設計中,選用了OMRON E6A2-CS3E 旋轉編碼器,該編碼

10、器采用5v 供電,單相輸出,每圈輸出60個脈沖,用在本系統(tǒng)中比較合適。在采樣周期的選取中,考慮到脈沖計數(shù)器所能允許的最大值及脈沖計數(shù)值要參與實際的運算,為了避免數(shù)據(jù)溢出,采樣周期不能選取過大。2.3無線通信模塊本系統(tǒng)中的無線通信模塊是基于nRF403的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,并在此基礎上實現(xiàn)了MODBUS 通信協(xié)議。該模塊在智能小車參數(shù)測試及程序調試的過程中起到了很大的作用。在智能小車運行的過程中,可以通過下位機將與小車運行狀態(tài)有關的各項參數(shù)發(fā)送到上位機,并可通過簡單的VB 程序在上位機上顯示出相應的狀態(tài)曲線,從而達到對智能小車的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的目的。在PID 參數(shù)整定過程中,根據(jù)小車的實際運

11、行狀態(tài)和P 、I 、D 參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響,可以通過上位機來改變下位機的P 、I 、D 參數(shù)而不用重新燒寫程序,給系統(tǒng)的在線調試帶來了很大的方便。3控制系統(tǒng)軟件設計HCS12單片機內置PWM 模塊,在程序中只需調用相關函數(shù)設定PWM 周期和寫入PWM 占空比的值,就可以產生實際需要的PWM 波?？紤]到有多模式調節(jié),對閉環(huán)控制的響應速度要求不高,閉環(huán)控制采用了速度單閉環(huán)控制和位置式的PI 控制算法,PI 運算的結果作為PWM 占空比的設定值。采用速度單閉環(huán)控制既達到了多模式調節(jié)中閉環(huán)運行模式的效果,同時也降低了系統(tǒng)設計的復雜性。在PI 控制算法中,P 、I 參數(shù)整定的比較弱,這樣智能小車在過彎

12、時的速度有一定的自然降落,可以防止智能小車脫離軌道?？刂葡到y(tǒng)程序主要采用C 語言編寫,PI 控制算法程序流程圖如圖4。本文設計的多模式速度控制系統(tǒng),可以作為一個比較完整的模塊調用,這樣很容易與路徑檢測系統(tǒng)相結合,形成完整的具有自主巡線功能的智能小車。圖4PI 控制算法程序流程圖本控制系統(tǒng)選擇了一通過CMOS 攝像頭進行道路識別的智能小車進行實驗,通過多次實驗及觀察得出:速度偏差在5%以內智能小車運行在速度閉環(huán)模式,小于-5%切換到開環(huán)加速模式,大于5%且小于6%切換到能耗制動模式,大于6%切換到反接制動模式,這樣可以使智能小車在不脫離軌道的情況下達到較快的速度,具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性能。

13、4總結本文的創(chuàng)新點在于,設計的速度控制系統(tǒng)具有四種速度模式:1、開環(huán)加速模式2、反接制動模式3、能耗制動模式4、速度閉環(huán)運行模式。該多模式速度控制系統(tǒng)可以使智能小車在任何兩種速度模式之間進行快速的切換,同時保證智能小車仍能很穩(wěn)定地運行。該多模式速度控制系統(tǒng)適用于多種類型的智能小車,可以使智能小車根據(jù)路面條件的變化,在速度調節(jié)上具有更好的靈活性。參考文獻1何杜鵑.6RA24直流調速器在軋鋼廠中的運用J.微計算機信息,2005.82李發(fā)海,王巖.電機與拖動基礎M.北京:清華大學出版社,19943孫傳友,孫曉斌.感測技術基礎M.北京:電子工業(yè)出版社,20014邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法M

14、.北京:清華大學出版社,20045賴壽宏.微型計算機控制技術M.北京:機械工業(yè)出版社,2000(下轉第16頁5-技術創(chuàng)新中文核心期刊微計算機信息(測控自動化2008年第24卷第7-1期360元/年郵局訂閱號:82-946現(xiàn)場總線技術應用200例控制系統(tǒng)為了完成OPC 客戶程序對現(xiàn)場設備中參數(shù)的修改,用戶程序需要提供相應的函數(shù)指針,供WTOPCSvr.DLL 工具調用?？蛻艨梢栽诤瘮?shù)中完成設備參數(shù)的修改工作。明確地定義了DLL 用于返回給服務器程序的調用返回的具體含義,以實現(xiàn)客戶應用與服務器應用之間的數(shù)據(jù)交換。EnableUnknownItemNotification (UNKNOWNITEMP

15、ROC lp-Callback;/這個函數(shù)的返回值表示一個客戶請求了一個沒有定義或是己經被暫停刷新的標簽,但無論客戶請求的標簽是否是己定義的標簽,這個函數(shù)都定義了一個從DLL 返回的調用返回。當連接建立后,服務器應用可以使用這個調用返回對動態(tài)創(chuàng)建的標簽進行操作。5關閉OPC 服務器。WTOPCSvr.DLL 提供了必要的函數(shù)以實現(xiàn)完全關閉用戶服務。在關閉OPC Server 之前,需要完成以下事情:若仍有客戶端連接存在,則發(fā)送斷開連接請求;清除在OPC Server 添加的OPC 數(shù)據(jù)項。至此,OPC Server 可以完全退出。相關函數(shù)包括:RequestDisconnect (;/請求斷開

16、連接6測試及結論參考文獻:2熊望枝,OPC 數(shù)據(jù)采集服務器的研究與設計,微計算機信息,2007,23,3-1.3朱耀春,OPC 數(shù)據(jù)存取服務器的開發(fā)與研究,華北電力大學(北京,2003.124李現(xiàn)勇.VisualC +串口通信技術與工程實踐人民鄒電出版社,2002,5.5WinTECH.WTOPCSvr DLL User s Guide.作者簡介:陳建斌(1982-男,漢,華南理工大學自動化科學與工程學院,在讀碩士研究生研究方向:網絡化控制理論與應用;陳立定(1964-男,漢,華南理工大學自動化科學與工程學院,副教授研究方向:網絡化控制系統(tǒng)理論與應用,智能化集成系統(tǒng);馮太合(1976-男,漢,

17、華南理工大學自動化科學與工程學院,工程師研究方向:網絡化控制系統(tǒng)理論與應用。Biography:Chen jian bin ,Born in l982,male,Han nationgality ,Col-lege of Automation Science and Engineering ,South China University of Technology ,master,Engage in network ofcontrol theoryand application 。(510641廣州華南理工大學自動化科學與工程學院陳建斌陳立定馮太合(College of Automation

18、Science and Engineering ,South Chi-na Univ.of Tech.Guangzhou 510641Chen Jianbin Chen Liding Feng Taihe通訊地址:(510641廣州天河區(qū)五山華南理工大學西六學生宿舍511#陳建斌(上接第5頁作者簡介:胡文華(1983-,男,碩士研究生,湖北仙桃人,研究方向:智能控制;周新志(1966-,男,博士,教授,四川德陽人,研究方向:智能控制、模式識別、嵌入式系統(tǒng)。Biography:Hu Wen-hua (1983-.Male,master,native place:Xiantao Hubei.Maj

19、or subject:intelligent control.(610065四川成都四川大學電子信息學院胡文華周新志(610065School of Electronics and Information Engineering,Sichuan University,ChengduHu Wenhua Zhou Xinzhi 通訊地址:(610065四川大學電子信息學院06級碩士6班胡文華(上接第53頁當變頻器正向運行(由SM36.5判斷,增計數(shù)為正向運行,SM36.5=1,高速計數(shù)器當前值等于19108(1000mm時,繼電器K3(Q0.2、K4(Q0.3斷開,變頻器速度設定為高速正向行駛(第

20、一速度。同時將高速計數(shù)器預置值更改為57325(3000mm。當變頻器正向運行,高速計數(shù)器當前值等于59325(3000mm時,繼電器K3(Q0.2斷開、K4(Q0.3接通,變頻器速度設定為低速正向爬行行駛(第三速度。同時將高速計數(shù)器預置值更改為61146(3200mm。當變頻器正向運行,高速計數(shù)器當前值等于61146(3200mm時,表明達到終點,繼電器K1(Q0.0、K2(Q0.1、K3(Q0.2、K4(Q0.3全部復位斷開,變頻器立即停止運行。同時,發(fā)出終點到達信號M0.1,讓子程序SBR_1處理停頓2s 時間,并由SBR_1處理反向運行設置。當變頻器反向運行(由SM36.5判斷,減計數(shù)為反向運行,SM36.5=0,高速計數(shù)器當前值等于3822(200mm時,繼電器K3(Q0.2斷開、K4(Q0.3接通,變頻器速度設