基于激光傳感器模糊控制的智能車控制系統(tǒng)

1、 引言:智能車控制器采用軟件算法控制和傳感器檢測精確控制 綜合來實現(xiàn)。軟件算法控制根據(jù)激光傳感器和測試速度編碼盤傳輸?shù)?信號,通過單片機分析,進行整體運行狀態(tài)的模糊控制,判斷出智能 車在賽道上的運行狀態(tài),計算出智能車偏轉(zhuǎn)角度和運行速度的理想期 望,使智能車按照理想狀態(tài)保持高速運行。1. 智能車系統(tǒng)構(gòu)架依據(jù)“飛思卡爾”智能車比賽的規(guī)定,智能車是沿著賽道中間 的黑線行駛,光電組類別的智能車通過安裝在車體上的激光發(fā)射管射 在賽道上,激光接收管接收到黑白兩色路面返回的不同值進行方位判 斷,通過改變轉(zhuǎn)向舵機的偏角和輸入給電機伺服器不同占空比的 pwm 信號,綜合控制智能車的運行。智能車控制最重要的問題就

2、是使賽車 在賽道上即快速又穩(wěn)定的行駛,由于智能車自身做工等一系列原因, 不能很精確的結(jié)合賽道建立數(shù)學模型,由于模糊算法又十分適合智能 車這種時變、非線性、高時響應的系統(tǒng),可以較為理想的對智能車進 行速度與方向上的控制,提高控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能和魯棒性。智能車的設計結(jié)構(gòu)如下圖所示:智能車控制部分的電路由激光傳感器電路、速度控制電路和主控 電路 3部分組成。激光傳感器電路包括發(fā)射和接受兩部分,速度控制 電路包括速度檢測電路和電機伺服器驅(qū)動電路兩部分,而主控電路是 智能車設計的核心,他由 Freescale 公司提供的 MC9S12XS128單片機及 其自行設計的外圍電路組成。路面信息采集由激光傳感

3、器模塊采集,速度信息采集模塊由安裝 在車后輪軸上的編碼器采集。通過這兩方面信息的采集,得到智能車 在軌道上相對黑線的位置及本身的運行狀態(tài),結(jié)合方向舵機和電機伺 服器,運用模糊控制原理綜合對車體進行綜合控制,達到快速且平穩(wěn) 控制智能車運行的目的。2. 智能車模糊控制結(jié)構(gòu)“飛思卡爾”智能車大賽要求賽車在不沖出跑道的情況下盡可能快地跑完整個賽道,選手不僅要結(jié)合車輛工程原理知識,調(diào)整車體的 機械結(jié)構(gòu),而且要結(jié)合自行設計制作的最小系統(tǒng)板和外圍電路,良好 的編寫合適的算法,好的算法能及時有效的對智能車的速度和方向進 行控制。對智能車的控制主要在于對電機伺服器和舵機的控制。由于 本次智能車采用雙舵機的結(jié)構(gòu),

4、一舵機為轉(zhuǎn)向控制舵機,調(diào)整智能車 擺向,另一舵機為激光傳感器擺頭舵機,隨車身的轉(zhuǎn)向而擺動,這樣 的設計可以增加激光的探測范圍,從而更好的反饋賽道信息,但是車 身轉(zhuǎn)向舵機和激光傳感器擺頭舵機擺向之間存在非線性關(guān)系,這樣的 設計加大了控制難度。智能車本身在賽道上狀態(tài)極不確定,為了以最佳位置和速度在賽 道上運行,何時加減速、何時轉(zhuǎn)彎、兩舵機打角方位多少,都是控制 器來決策的,而高質(zhì)量的控制才能把速度與轉(zhuǎn)向良好的結(jié)合,達到最 快跑完賽道的目的。3. 智能車模糊控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)律由單片機中的程序?qū)崿F(xiàn),單片機經(jīng)過終端 采樣獲得被控制量的精確值,將測得的值與給定的標準值相比較,得 到一個誤差 E

5、。將誤差信號 E 模糊化編程,誤差 E 用相應的模糊語言表 示 , 得到了一個輸出 e 。由推理得出的模糊控制規(guī)則 R 與 e 合成進行模糊 決策,得到模糊控制量。在得到控制量后,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬量送給執(zhí)行機構(gòu),進行下一 步的控制。模糊控制器由 3部分組成,如果所示:4. 控制原理4.1 程序控制原理:我們主要運用芯片中的 pwm 模塊, i/o模塊, ect 模塊來對小車進 行控制。其中 pwm 模塊用于舵機的轉(zhuǎn)向角控制和電機伺服器的速度控 制, i/o模塊用于采集激光等信號進入單片機處理, ect 模塊用于采集外 圍中斷,收集脈沖信號,從而轉(zhuǎn)化為速度信號。4.2 車身控制原理我們采用激光管

6、排成一字形,激光管通過與擺頭舵機相連。擺頭 舵機通過單片機控制,使激光管可以隨著黑線的位置變換而擺動,始基于激光傳感器模糊控制的智能車控制系統(tǒng)朱明隆 于驍 蘇旭磊(西南交通大學機械工程學院,四川成都 610031摘 要:自行設計的飛思卡爾智能車,其方向控制和速度控制存在非線性關(guān)系,運用模糊算法,在 Freescale 單片機 MC9S12XS128上編程實 現(xiàn),經(jīng)過實際跑道上的測試,可以實現(xiàn)對智能車轉(zhuǎn)向和速度的優(yōu)化控制與智能調(diào)節(jié),并能良好的適應不同環(huán)境的比賽賽道,使智能車的穩(wěn)定性大 大提高,具有很好的控制效果。關(guān)鍵詞:模糊控制;自適應中圖分類號:TP39 文獻標識碼:A 文章編號:1003-9

7、767(201108-0065-02 終期望讓激光管中間的激光照射在黑線上。由于本次智能車采用的車 體是后二驅(qū)結(jié)構(gòu),因此在車后傳動軸上安裝編碼器測試小車速度。通 過各傳感器傳回單片機的信號綜合分析,使輸入信號與輸出信號(擺 頭舵機的偏移量和轉(zhuǎn)向舵機所需要的偏移量能構(gòu)成一個映射關(guān)系。 使智能車的激光管擺頭舵機、轉(zhuǎn)向舵機和電機伺服器速度輸出值都趨 于理想。4.3 模糊控制算法概括 轉(zhuǎn)向的模糊控制:我們將激光管擺頭舵機的轉(zhuǎn)向,結(jié)合實驗計算出固定的標定量使 激光接收管接受的黑線的信息模糊化,再與小車的速度信號綜合處理 后,計算出轉(zhuǎn)向舵機期望的模糊量量和速度值期望值的模糊量。經(jīng)過大量實驗證明,存在公式,

8、滿足把輸入的黑線信息轉(zhuǎn)換成最 適宜的轉(zhuǎn)向角 V ,由于所有 15個激光管一字排開并間距相同,而賽道 黑線的寬度大于其之間的間距,所以存在兩種情況,有可能只有單獨 1個激光管發(fā)射的激光照射在黑線上,也有可能同時有相鄰 2個激光管 發(fā)射的激光找到賽道黑線上。將激光管從左到右依次編號為 L 1-L 15, 由于單片機掃描激光接收管的數(shù)據(jù)是按燈的編號,從小到大依次進行 的,我們設最先照到黑線的激光管編號為 Li 。而單片機中設有智能判 斷判斷單或雙燈的程序,并提供返回值。經(jīng)過大量的實驗數(shù)據(jù)修正,得到以下公式:(若判斷出是單燈照到黑線 則=100 =0,若判斷出是雙燈照 到黑線 則=200 =1而 Ai

9、 的值經(jīng)過大量實際經(jīng)驗計算有:A1A2A3A4A5A6A7A810085807469607372A9A10A11A12A13A14A1570696569687061由以上公式可把計算出的模糊化的轉(zhuǎn)向角 V 的值通過以下映射分 別對應為 Left1-4, Right1-4, Mid 九個輸出期望。速度及激光管擺頭角的模糊控制:安裝在智能車后輪上的編碼器實時傳回速度數(shù)據(jù),我們將數(shù)據(jù)送 入 MC9S12XS128單片機,通過與模糊化轉(zhuǎn)向角 V 相同的方法,使編碼 器傳回的速度信號模糊化,經(jīng)過公式變?yōu)?Vmax,Vb, Vm,Vs等四“檔” 化的期望值,同理擺頭角也變?yōu)?0,S,-S,-M,M,B,-

10、B7,+MAX,-MAX一共 九“檔”的期望值,具體過程就不再這里贅述了。解模糊及綜合控制:通過綜合分析智能車在前一個時刻模糊化的偏轉(zhuǎn)量和速度值,我們經(jīng)過大量試驗得出以下的對應表格,使激光管擺頭舵機、轉(zhuǎn)向舵機 和車身使輸出的模糊量期望清晰化,使智能車在直道和彎道上的性能 大大增強,從而提高了運行速度。對激光擺頭舵機、轉(zhuǎn)向舵機和速度輸出的清晰化的期望分別建立 表格如下:轉(zhuǎn)向舵機的偏移量期望值0123456v_maxMid Left3Left4Left4Right3Right4Right4Vb Mid Left2Left2Left3Rigth2Right2Right3Vm Mid Left1Lef

11、t2Left2Right1Right2Right2Vs mid Left1Left1Left2Right1Right1Right2速度控制的期望值Mid Left1Left2Left3Left4Right1Right2Right3Right4v_maxVmaxVb Vm Vm Vs Vb Vm Vm Vs Vb Vmax Vb Vm Vm Vm Vb Vm Vm Vm Vm Vmax Vb Vb Vb Vm Vb Vb Vb Vm VsVmaxVmaxVbVbVbVmaxVbVbVb激光管擺頭舵機Mid Left1Left2Left3Left4Right1Right2Right3Right4 n-S-M-B-MAXSMBMAX5. 程序設計框圖6. 結(jié)語在 Freescale 單片機 MC9S12XS128平臺上,通過模糊控制指令,對 擺頭舵機、偏轉(zhuǎn)舵機和速度值進行修正,實時調(diào)整智能車的運行綜合 狀態(tài)。模糊化后的綜合分型使三項修正有很高的正確性和穩(wěn)定性,反 饋后的速度和車身信息,通過大量的實際實驗修正使模糊化結(jié)果更符 合本車綜合性能,使智能車在直道和彎道都能保持高速運行狀態(tài)。在 “飛思卡爾智能車”比賽中取得良好的效果。參考文獻:1 孫同景,陳桂友 Freescale 9S12十六位單片機原理及嵌入式開發(fā) 技術(shù),機械工業(yè)出版社