PID智能小車的設(shè)計(jì)

數(shù)字PID智能車的設(shè)計(jì)一、智能車平臺(tái)的設(shè)計(jì) 本智能車平臺(tái)是一款集巡線、紅外解碼遙控、電腦藍(lán)牙遙控、手機(jī)客戶端藍(lán)牙遙控、液晶顯示、LED顯示、編碼器閉環(huán)調(diào)速、USB程序下載、蜂鳴器以及獨(dú)立按鍵等多種功能于一體的開發(fā)平臺(tái)，它不僅集成多種功能而且將控制器所有IO都留出接口方便使用者的拓展。此平臺(tái)是我在2012年6月設(shè)計(jì)完成的。平臺(tái)如圖1所示圖1智能車平臺(tái)平臺(tái)采用STC12c5410AD作為主控制器，次控制器在兼容51單片機(jī)的基礎(chǔ)上還增加了各種增強(qiáng)功能，使用起來(lái)更加方面靈活；平臺(tái)使用兩節(jié)鋰電池供電，采用升壓穩(wěn)壓電路將電壓升高到10V給電機(jī)供電，即使電池電壓因工作時(shí)間長(zhǎng)而降低電機(jī)供電電壓也能穩(wěn)定在10V；集成USB轉(zhuǎn)串口芯片，可直接使用USB線下載程序并進(jìn)行串口通訊；使用諾基亞5110液晶作為顯示器，可顯示小車的各種參數(shù)方便調(diào)試；搭載藍(lán)牙模塊，可與電腦/手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通訊；車前端集成5個(gè)模擬式光電傳感器用來(lái)巡線；使用兩個(gè)微型直流減速電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)輸出軸帶有光電碼盤用來(lái)測(cè)速和實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速；另外車上還帶有紅外接收器，蜂鳴器等部件，使車的功能更加完善。小車主控制器的所有IO口都單獨(dú)引出，并且留好接口，方便小車拓展其他功能。小車車體由PCB印刷電路板組成，即連接了整個(gè)平臺(tái)又搭載了平臺(tái)的所有電路，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。平臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速有多種選擇，方便不同的使用者。小車大部分器件使用貼片器件，不僅節(jié)省體積還解決了直插元件接觸不良的弊端。而且小車在布線時(shí)將發(fā)熱器件放在比較空曠的地方，方便散熱；將帶有高頻振蕩的升壓電路放在離主控制器較遠(yuǎn)的地方，避免升壓電路的高頻振蕩輻射出的電磁波對(duì)主控制器的干擾。小車器件排列如圖2所示圖2小車不器件分布圖二、PID直流電機(jī)調(diào)速的設(shè)計(jì)小車電機(jī)調(diào)速都采用PID算法進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速，使用單片機(jī)PCA的比較捕捉功能來(lái)采集編碼器輸出方波的周期由此算出編碼器輸出方波的頻率，并以此作為PID控制的輸入信號(hào)；編碼器輸入信號(hào)經(jīng)位置式PID計(jì)算公式計(jì)算后轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)的占空比，從而對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于小車電機(jī)的傳遞公式很難得出，所以小車的PID參數(shù)都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試湊得出的，調(diào)試時(shí)單片機(jī)通過串口每30ms將采集到的速度發(fā)回到電腦，電腦將數(shù)據(jù)存下并整理成曲線。每組數(shù)據(jù)測(cè)試三組速度變化曲線：第一組速度按400-800-1200-1400的規(guī)律變化，主要觀察速度變化不是很大時(shí)PID調(diào)整的效果；第二組速度按400-1400的規(guī)律變化，主要觀察速度突然有很大增加時(shí)PID的調(diào)整效果；第三組速度按1400-800的規(guī)律變化，主要觀察速度突然降低時(shí)PID的調(diào)整效果。程序中PID計(jì)算公式如下Sp1=0.01*e1_PCA2+0.023*ee_PCA2+0.005*(e1_PCA2-e0_PCA2);Sp2=0.01*e1_PCA3+0.023*ee_PCA3+0.005*(e1_PCA3-e0_PCA3);其中Sp1為左輪速度對(duì)應(yīng)曲線系列1，e1_PCA2為左輪當(dāng)前偏差，ee_PCA2為左輪偏差的總和，e0_PCA2為左輪上次偏差，Sp2為右輪速度對(duì)應(yīng)曲線系列2，e1_PCA3為右輪當(dāng)前偏差，ee_PCA3為右輪偏差的總和，e0_PCA3為右輪上次偏差。下面是不同參數(shù)下電機(jī)的速度變化曲線Sp1=0.01*e1_PCA2+0.023*ee_PCA2+0.005*(e1_PCA2-e0_PCA2);Sp2=0.01*e1_PCA3+0.023*ee_PCA3+0.005*(e1_PCA3-e0_PCA3);圖3電機(jī)轉(zhuǎn)速變化1 圖4電機(jī)轉(zhuǎn)速變化2圖5電機(jī)速度變化3由上圖可看出在相同的參數(shù)下兩個(gè)電機(jī)的速度變化曲線基本一致，速度的一致性比較好；電機(jī)在幾種速度變化下也都能穩(wěn)定輸出，滿足小車控制要求。Sp1=0.01*e1_PCA2+0.013*ee_PCA2+0.005*(e1_PCA2-e0_PCA2);Sp2=0.01*e1_PCA3+0.023*ee_PCA3+0.005*(e1_PCA3-e0_PCA3);圖6電機(jī)速度變化4圖7電機(jī)速度變化5圖8電機(jī)速度變化6 由上圖可看出系列1的調(diào)增速度明顯調(diào)整的比系列2慢，但是超調(diào)要稍微小一些，綜合考慮仍然選擇系列2的參數(shù)。Sp1=0.02*e1_PCA2+0.023*ee_PCA2+0.005*(e1_PCA2-e0_PCA2);Sp2=0.01*e1_PCA3+0.023*ee_PCA3+0.005*(e1_PCA3-e0_PCA3);圖9電機(jī)速度變化7圖10電機(jī)速度變化8圖11電機(jī)速度變化9 以上數(shù)據(jù)中系列1和系列2變化相似，但圖10中系列1發(fā)生了飛車，速度不受控，所以然選用系列2參數(shù)。二、PID巡線控制的設(shè)計(jì) 小車采用5個(gè)模擬輸出地光電傳感器作為巡線傳感器，分別連接單片機(jī)5個(gè)AD采集端口。單片機(jī)將采集到的不同傳感器的AD值通過一定的數(shù)據(jù)處理后作為PID的輸入，信號(hào)經(jīng)PID計(jì)算輸出作為電機(jī)的速度。由于電機(jī)本身采用閉環(huán)調(diào)速，所以巡線為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。 以下為巡線PID計(jì)算公式speed=0.8*e