基于光電管的智能車模設(shè)計(jì)_圖文

1、2007年7月第35卷第7期機(jī)床與液壓MACH I N E T OOL&HY DRAUL I CSJul12007Vol135No17基于光電管的智能車模設(shè)計(jì)陳東,向巍(武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,湖北武漢430072摘要:智能車模循線方案很多采用CCD來實(shí)現(xiàn),其優(yōu)點(diǎn)是象素密集,控制精度高,但是該方式信號(hào)采集周期較長,很容易受到外界光線的干擾,為解決這些問題,筆者采用紅外光電對(duì)管進(jìn)行循線的方案,雖然采集到的信號(hào)離散點(diǎn)數(shù)較少,但抗光線干擾能力強(qiáng),響應(yīng)時(shí)間短,成本低,而且通過對(duì)光電對(duì)管布置方案的優(yōu)化,能夠?qū)崿F(xiàn)滿意的循線控制。本文結(jié)合我國首屆飛思卡爾杯全國智能汽車大賽的車模設(shè)計(jì),對(duì)智能車模循線控

2、制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)思路、控制算法、程序代碼等進(jìn)行了論述。關(guān)鍵詞:智能汽車;自動(dòng)循線;光電對(duì)管;霍爾測速中圖分類號(hào):TP27315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1001-3881(20077-051-4The D esi gn of Smart Car M odel Ba sed on Photoelectr i c CellCHE N Dong,X I A NG W ei(Mechanical and Electr onic Engineering,W uhan University,W uhan Hubei430072,China Abstract:The s mart car model is

3、usually i m p le mented by CCD,and has the superi ority of dense p ixels and high contr ol p reci2 si on1But the CCD uses much ti m e t o acquire and p r ocess signals,and easily interfered by outside light1S mart car aut omatic r outing based on the infrared double phot oelectric cell was p resente

4、d f or the the s mart car model1A lthough the infrared double phot oelectric cell acquires much less discrete signals,it res ponses quickly and costs little and is good at anti2ja mm ing ar oused by light1The s mart car model can r oute well with op ti m ized arrange ment of the double phot oelectri

5、c cells1The thought of s oft w are and hard ware design,the contr ol algorith m,code,as s o on,were analyzed for the contr ol syste m of the s mart car aut omatic r outing1 Keywords:S mart car;Aut omatic r outing;Double phot oelectric cell;Measure s peed by the Hall sens or0引言智能車模是未來智能汽車的縮微模型,它能夠在循線

6、標(biāo)志的導(dǎo)引下以較高速度自動(dòng)避障前進(jìn)。智能車模循線方案很多采用CCD來實(shí)現(xiàn),其優(yōu)點(diǎn)是象素密集,控制精度高,但是該方式信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理周期較長,且很容易受到外界光線的干擾。若采用紅外光電對(duì)管循線,雖然采集到的信號(hào)離散點(diǎn)數(shù)較少,但抗光線干擾能力強(qiáng),響應(yīng)時(shí)間短,成本低,而且通過對(duì)光電對(duì)管布置方案的優(yōu)化,能夠?qū)崿F(xiàn)滿意的循線控制。車體的重量也是智能車模設(shè)計(jì)要考慮的重要問題,通常用于測轉(zhuǎn)速的編碼器每一轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)多,精度高,但是對(duì)于車模來說,體積和重量都較大,安裝不便,采用體積小,重量輕,抗干擾能力強(qiáng)的開關(guān)霍爾器件A3144來測速即可滿足智能車模設(shè)計(jì)的要求。本文結(jié)合我國首屆飛思卡爾杯全國智能汽車大賽的車

7、模設(shè)計(jì),詳述了智能車模的軟硬件設(shè)計(jì)、控制算法和程序代碼。1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡介111硬件總體構(gòu)架智能車系統(tǒng)的硬件由電源模塊、傳感器檢測模塊、單片機(jī)控制模塊、直流電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通訊、人機(jī)交互以及調(diào)試模塊等組成。其中路徑識(shí)別采用紅外光電對(duì)管循跡方案,保證智能車沿著白色背景上寬度為25mm的黑帶高速穩(wěn)定行駛。利用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位微控制器MC9S12DG128B作為核心控制單元,用單片機(jī)的P WM信號(hào)控制直流電機(jī)及舵機(jī)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC33886。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖112傳感器布置圖2磁鋼布置本智能車模主要使用了2類傳感器:開關(guān)霍爾

8、元件A3144和紅外光電對(duì)管ST168。開關(guān)霍爾元件用于測速,測速原理跟編碼器一樣。如圖2所示,把8片磁鋼均勻布置在傳動(dòng)齒輪上,開關(guān)霍爾元件固定安裝在后輪支架上,與齒輪平面保持35mm距離,齒輪每轉(zhuǎn)1周,開關(guān)霍爾元件產(chǎn)生8個(gè)脈沖。前排光電對(duì)管采用不等間距的分布,如圖3所示,這樣的非線性排列是有其科學(xué)性和優(yōu)越性的,體現(xiàn)在:(1當(dāng)傳感器從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到一個(gè)相鄰狀態(tài)時(shí),車模偏移距離變化量基本相等,其值約為8mm,這樣對(duì)于編程控制是很方便直觀的。(2檢測精度越高,所需要的光電對(duì)管數(shù)量越多。綜合考慮系統(tǒng)檢測的精度和光電對(duì)管數(shù)量,綜合考慮8mm 的檢測精度比較適合。(38mm 的檢測精度可以比較精確地檢測

9、出車模細(xì)微的變化,并且程序可以對(duì)車模的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測 。圖3檢測模塊中光電對(duì)管布局示意圖圖3中矩形方框表示光電對(duì)管安裝位置,左右兩邊對(duì)稱分布,中間的數(shù)字表示相鄰2個(gè)之間的距離,從左到右分別為22、22、1615、1615、1615、1615、30、1615、1615、1615、22、22,單位為mm 。前排光電對(duì)管所在電路板用螺紋固定在U 形支架上,然后整體固定在賽車前方。113電源模塊系統(tǒng)供電電源為712V 高性能N I 2CH 電池組。電源模塊給各關(guān)鍵模塊單獨(dú)供電,主要是為了避免電機(jī)等大功率器件和舵機(jī)等間歇工作期間對(duì)其它器件的干擾。電源模塊使用了5個(gè)貼片LDO 器件:1個(gè)MC11172A

10、DJ (56V 可調(diào),用于舵機(jī)供電,4個(gè)S MC11172510固定輸出5V 電壓,用于單片機(jī)、開關(guān)霍爾器件、光電對(duì)管、LCD 等供電。LDO 器件跟7805系列器件相比,占用空間小,靜態(tài)功耗小,在低壓差情況下,輸出電壓穩(wěn)定,工作可靠。114系統(tǒng)調(diào)試在線調(diào)試主要以Code W arri or I D E _V411附帶的hi w ave 1exe 為主,但無法做到連續(xù)運(yùn)行而不打斷程序執(zhí)行,在有實(shí)時(shí)中斷且中斷時(shí)間比較短的情況下無法單步跟蹤調(diào)試。通過設(shè)計(jì)串行通訊接口和使用LCD 液晶顯示模塊,實(shí)時(shí)顯示各個(gè)寄存器及變量的值,配合小鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,大大提高了編程和調(diào)試效率。2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)目前單片機(jī)軟

11、件的開發(fā)普遍流行使用高級(jí)語言,跟匯編語言相比開發(fā)效率高很多,用高級(jí)語言編寫的程序便于交流、管理,當(dāng)代碼較長時(shí),高級(jí)語言更具優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)采用的編程工具是Code W arrior V411,所有代碼均用C 語言編寫1。調(diào)試工具采用的是清華大學(xué)提供的BDM 。211系統(tǒng)的軟件流程圖圖4控制軟件流程圖系統(tǒng)軟件流程圖如圖4,系統(tǒng)上電后初始化各個(gè)模塊,包括通用I/O 、計(jì)數(shù)器、實(shí)時(shí)中斷、液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊、電壓測量以及P WM 等。隨后是人機(jī)交互過程,首先顯示電源電壓等系統(tǒng)關(guān)鍵信息,然后通過小鍵盤以菜單式操作修改、確認(rèn)關(guān)鍵參數(shù)。之后啟動(dòng)65m s 實(shí)時(shí)中斷用于測量車速。中斷服務(wù)程序每隔65m s 更新一次

12、全局速度變量。光電對(duì)管采集的路面信息送入單片機(jī)經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)記錄、當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)比較,分析出當(dāng)前路面信息(是否出現(xiàn)彎道、十字交叉等,然后單片機(jī)發(fā)出指令通過舵機(jī)控制方向,經(jīng)MC33886控制電機(jī)加減速與剎車等。此后系統(tǒng)更新LCD 顯示內(nèi)容,并檢查輸入緩沖區(qū)有無輸入,根據(jù)輸入決定下一步動(dòng)作。212控制算法及實(shí)現(xiàn)反饋控制是基于偏差的控制,P I D 控制算法是應(yīng)用十分廣泛的經(jīng)典控制算法,它將偏差的比例、積分及其微分項(xiàng)分別乘以相應(yīng)的系數(shù)取和作為控制器的輸出?？刂戚敵隽亢推盍康年P(guān)系可以用下式3表達(dá):U (t =k p E (t +k i TE (t d t +k d d E (t d t其中

13、:U (t 為控制器的輸出,E (t 為偏差,k p 、k i 、k d 分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。根據(jù)以上原理,將上述公式離散化便得到了數(shù)字P I D 控制算法,公式3為:U (k =k p E (k +k i ki =0E (i +k d E (k -E (k -1檢測模塊一共采用了12個(gè)光電對(duì)管,采用P OR 2T A 、PTJ 、PT M 2這3個(gè)I/O 口來采集光電管信號(hào)。25機(jī)床與液壓第35卷在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上,定義1個(gè)聯(lián)合類型變量SE NSER_ ST ATE,它包括1個(gè)結(jié)構(gòu)體變量B I TS和1個(gè)WORD 變量ST ATE,將各個(gè)光電管信號(hào)采集到結(jié)體變量B I TS 中,根

14、據(jù)ST ATE_1的值,用s witch語句判斷,得到車模相對(duì)于循線位置的21種不同的傳感器狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)如下:/定義聯(lián)合類型變量Uni onword ST ATE;/嵌套定義結(jié)構(gòu)體類型變量structbyte B I T0:1;byte B I T1:1;byte PA8:8;byte B I T10:1;byte B I T11:1;byte NO_USE4:4;B I TS;SENSER_ST ATE;word ST ATE_1;/把從I/O口采集到的數(shù)據(jù)送到指定寄存器位SENSER_ST ATE1B I TS1B IT0=PTI M_PTI M0;SENSER_ST ATE1B I T

15、S1B IT1=PTI J_PTI J6;SENSER_ST ATE1B I TS1P A8=PORT A;SENSER_ST ATE1B I TS1B IT10=PTI J_PTI J7;SENSER_ST ATE1B I TS1B IT11=PTI M_PTI M1;實(shí)現(xiàn)智能車沿循線行駛的控制,關(guān)鍵是根據(jù)傳感器狀態(tài)輸出適當(dāng)?shù)目刂屏縼碚{(diào)整智能車的運(yùn)行,即能夠根據(jù)傳感器狀態(tài),設(shè)置合適的P WM波占空比,因?yàn)榭刂浦悄苘囆旭偡较蚝退俣榷际峭ㄟ^設(shè)置舵機(jī)和MC33886芯片的P WM波占空比實(shí)現(xiàn)的。由于本系統(tǒng)信號(hào)點(diǎn)數(shù)少,并考慮到積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大,甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,所以只用到PD控制。P

16、D參數(shù)的調(diào)整過程是軟件調(diào)試的主要部分。經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)試得知,車模速度越高, PD運(yùn)算的比例系數(shù)和微分系數(shù)應(yīng)該越小。而到了彎道,又需要車模對(duì)偏移變化比較敏感,這又要求PD 運(yùn)算的參數(shù)比較大?；诖丝蓪⒅悄苘嚨倪\(yùn)行狀態(tài)分為以下幾個(gè)階段:高速運(yùn)行,減速運(yùn)行,加速運(yùn)行,振蕩運(yùn)行,正常運(yùn)行。然后針對(duì)運(yùn)行的各個(gè)階段進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。213改進(jìn)的控制算法的實(shí)現(xiàn)表1給出了與各種光電對(duì)管狀態(tài)對(duì)應(yīng)的比例調(diào)節(jié)量,由于光電對(duì)管左右兩邊對(duì)稱分布,表中只列出了右邊6個(gè)光電對(duì)管檢測到信號(hào)的狀態(tài)。具體的調(diào)節(jié)量值如表1 所示。每種傳感器狀態(tài)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)量是參數(shù)整定的重點(diǎn)和難點(diǎn),進(jìn)行光電管布置時(shí),中間的間距量小,越往兩邊間距增量越大

17、。這種非線性關(guān)系整定,可以在較小調(diào)節(jié)量時(shí)保證控制精度,從而實(shí)現(xiàn)在直道上不產(chǎn)生抖動(dòng),并且能快速消除振蕩,在彎道上反應(yīng)比較靈敏。表1中各參數(shù)確定過程如圖5 所示。圖5車模與跑道的相對(duì)位置以狀態(tài)5為例,如圖5所示,中間的直線為車模中心線,灰色矩形框表示跑道(寬25mm。處于狀態(tài)5時(shí),車模有左右2個(gè)極限位置,分別計(jì)算出車模和跑道中心線間距:上圖對(duì)應(yīng)值為15+1615+1215=44 (mm;下圖對(duì)應(yīng)值為15+1615+1615+1615-1215=35第7期陳東等:基于光電管的智能車模設(shè)計(jì)52(mm。典型值取平均(44+52/2=48(mm。切換狀態(tài)變化量為左右極限差值52-44=8(mm;調(diào)節(jié)量為典

18、型值的2倍。每種傳感器狀態(tài)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)量要乘以一個(gè)系數(shù),才可以成為PD算法中的比例項(xiàng)。采取以下方法: position_P=positi on_Pk p/40其中kp 是需要整定的比例系數(shù),kp控制著比例作用在總的調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。微分作用能夠預(yù)測變化趨勢(shì),能夠有效地抑制振蕩。對(duì)微分項(xiàng)做一些處理,加入不完全微分,設(shè)置合適的衰減系數(shù),不完全微分能夠改善大延遲控制系統(tǒng)的性能。不完全微分公式3如下:Pd (k=(1-Pd(k+Pd(k-1其中為衰減系數(shù),其值越接近1,則原來的微分作用就衰減得越慢,應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定,本系統(tǒng)設(shè)置為016。這樣PD運(yùn)算程序設(shè)置為:position_P=positi on_P3k

19、p/40;/計(jì)算比例項(xiàng)position_D0=position_D1;/保存上次微分值position_D1=kd3(POS_ERR_CUR-POS_ ERR_LAST;/計(jì)算當(dāng)前微分項(xiàng),即kd3E(k-E(k-1position_D1=(1-3position_D1+3 positi on_D0;/不完全微分position_PD=positi on_P+position_D1;/調(diào)節(jié)量等于微分項(xiàng)和比例項(xiàng)之和。其中:kp為比例系數(shù),kd為微分系數(shù),為不完全微分衰減系數(shù)。3結(jié)論用紅外光電對(duì)管循跡最大的難點(diǎn)在于它能采集的離散信號(hào)點(diǎn)數(shù)少,不便運(yùn)用經(jīng)典控制理論和方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車模的運(yùn)動(dòng)控制,而本文

20、針對(duì)這種情況提供了一種改進(jìn)的PD算法,詳述了控制建模過程,并成功運(yùn)用于第一屆飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能汽車大賽中,證明了該控制算法具有一定的優(yōu)越性。此外,用開關(guān)霍爾元件代替體積、重量較大的編碼器實(shí)現(xiàn)測速也取得了良好的效果。參考文獻(xiàn)【1】邵貝貝1單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法M1北京:清華大學(xué)出版社,2004:120-1251【2】Mot or ola I nc,MC9S12DT128Device U ser Guide V01.09,2003:42-461【3】潘新民,王燕1微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M1北京:電子工業(yè)出版社,2003:288-2911作者簡介:陳東,男,武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院副教授,研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。向巍,男,