智能車(chē)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　在智能車(chē)競(jìng)賽中，速度控制不能采用單純的PID，而要采用能夠在全加速、緊急制動(dòng)和閉環(huán)控制等多種模式中平穩(wěn)切換的“多模式”速度控制算法，才能根據(jù)不同的道路狀況迅速準(zhǔn)確地改變車(chē)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定過(guò)彎。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　按照競(jìng)賽要求，本文設(shè)計(jì)的智能車(chē)速度控制系統(tǒng)，以飛思卡爾MC9S12DG128 單片機(jī)為核心[1]，與車(chē)速檢測(cè)模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊等一起構(gòu)成了智能車(chē)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。單片機(jī)根據(jù)賽道信息采用合理的控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)速的控制，車(chē)速檢測(cè)采用安裝于車(chē)模后軸上的光電編碼器，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用了由四個(gè)MOS管構(gòu)成的H橋電路如圖1所示，電源模塊給單片機(jī)、光電編碼器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等供電。

　　系統(tǒng)建模

　　一個(gè)針對(duì)實(shí)際對(duì)象的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先要做的就是對(duì)執(zhí)行器及系統(tǒng)進(jìn)行建模，并標(biāo)定系統(tǒng)的輸入和輸出。為了對(duì)車(chē)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合適的控制器，就要對(duì)速度系統(tǒng)進(jìn)行定階和歸一化[2]。對(duì)此，分別設(shè)計(jì)了加速和減速模型測(cè)定實(shí)驗(yàn)。通過(guò)加裝在車(chē)模后輪軸上的光電編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。編碼器齒輪與驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)比為33/76，編碼器每輸出一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)智能車(chē)運(yùn)動(dòng)1.205mm。車(chē)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)加給電機(jī)的PWM波的占空比進(jìn)行調(diào)速。單片機(jī)上的PWM模塊可以是8位或16位的，為了提高調(diào)速的精度，電機(jī)調(diào)速模塊選用16位PWM，其占空比調(diào)節(jié)范圍從0到65535，對(duì)應(yīng)電機(jī)電樞電壓從0%到100%的電池電壓。

　　將車(chē)模放置在一段長(zhǎng)直跑道上，采用開(kāi)環(huán)方式給驅(qū)動(dòng)電機(jī)加上不同的電壓，記錄車(chē)模在速度進(jìn)入穩(wěn)定后的速度值。然后將所測(cè)得的電樞電壓與車(chē)速進(jìn)行擬合的曲線如圖2所示，由圖1可將智能車(chē)加速模型近似為線性模型。

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定車(chē)速執(zhí)行器系統(tǒng)的零點(diǎn)和增益。車(chē)速V與占空比PWM_Ratio的關(guān)系見(jiàn)公式1：

　　V = PWM_Ratio×402 + 22000 (1)

　　其中：PWM_Ratio的取值范圍為0-65535

　　車(chē)模減速有三種方法：自由減速、能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)。自由減速動(dòng)力來(lái)自摩擦阻力，基本認(rèn)為恒定。能耗制動(dòng)是將能量消耗到電機(jī)內(nèi)阻上，制動(dòng)力隨著車(chē)速的降低而降低，也可通過(guò)控制使加速度減小得更快。反接制動(dòng)通過(guò)反加電壓實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)力與所加的反向電壓有關(guān)。

　　由于輪胎抓地力有限，制動(dòng)力超過(guò)一定值后會(huì)發(fā)生輪胎打滑的情況。一旦發(fā)生打滑，會(huì)使剎車(chē)距離變長(zhǎng)，過(guò)彎半徑變大。如果能使剎車(chē)力始終控制在臨界打滑點(diǎn)上，則可以獲得最短的剎車(chē)距離。在這三種減速方法中，只有反接制動(dòng)可以根據(jù)不同的車(chē)速給出不同的反接剎車(chē)力，讓車(chē)速以最大斜率下降。因此，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)定出不打滑的最高剎車(chē)電壓，最高不打滑劃占空比約為55000。因?yàn)椴煌惖罆?huì)有差異，在編程時(shí)留有了余量。以震蕩作為識(shí)別車(chē)模在剎車(chē)時(shí)是否打滑的標(biāo)志?？梢苑秩讉€(gè)典型的車(chē)速，讓車(chē)模在直道上加到預(yù)設(shè)的速度，然后分別用一組反接電壓進(jìn)行反接制動(dòng)，觀察并記錄最高不打滑的剎車(chē)電壓。這樣，每個(gè)典型車(chē)速都得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的最大剎車(chē)電壓。將最大不打滑反接電壓與車(chē)速對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)最大不打滑反接電壓與車(chē)速成比例關(guān)系?？紤]直流電機(jī)的模型，外部電壓加到電機(jī)電樞上時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生反電勢(shì)，此電壓與車(chē)速成正比例關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的反電勢(shì)等于外加電壓后，電機(jī)速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因此，反接制動(dòng)電壓減去電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)之后剩下的電壓部分才是用于減速的。在車(chē)模要減速的時(shí)候，可以先通過(guò)當(dāng)前車(chē)速計(jì)算出轉(zhuǎn)子的反電勢(shì)，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)反接制動(dòng)電壓，送到執(zhí)行器上。

　　車(chē)模前進(jìn)的阻力主要分為地面滑動(dòng)摩擦力和風(fēng)阻，車(chē)模在行駛過(guò)程中質(zhì)量保持恒定不變。在車(chē)速較低的情況下，風(fēng)阻也可認(rèn)為是恒值。結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和推理可知，車(chē)速模型的主要部分為一階慣性環(huán)節(jié)。

　　速度控制策略

　　經(jīng)分析，賽道大致分為直道，90度和90度以上的彎道和S形彎道等類(lèi)型，要想在不同道路上發(fā)揮出最大速度，關(guān)鍵問(wèn)題是如何判斷出道路的情況，以下是幾種道路的判斷條件和通過(guò)策略。

　　a. 直道的判斷條件和通過(guò)策略

　　當(dāng)小車(chē)在中間三個(gè)光電管的檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)到黑線，則認(rèn)為小車(chē)行駛在直道上，滿足直道的條件就使小車(chē)加速，直至加到某個(gè)較大的值時(shí)滿足剎車(chē)的條件。如果連續(xù)幾十個(gè)周期都檢測(cè)到了黑線，說(shuō)明小車(chē)行駛在長(zhǎng)直道上，而轉(zhuǎn)彎時(shí)需要?jiǎng)x車(chē)。

　　直道最高限速度是賽車(chē)從長(zhǎng)直道入彎時(shí)不沖出彎道的最高速度，小車(chē)行駛時(shí)不能高于這個(gè)速度。當(dāng)然，剎車(chē)越及時(shí)，越靈敏，則直道上速度就可以越大。實(shí)驗(yàn)得到約為55000(對(duì)應(yīng)PWM的占空比)。

　　需要?jiǎng)x車(chē)的最小速度是讓小車(chē)從長(zhǎng)直道入彎，不用剎車(chē)時(shí)能夠順利通過(guò)彎道的最高速度。當(dāng)車(chē)的瞬時(shí)速度高于這個(gè)速度入彎時(shí)，啟動(dòng)剎車(chē)，反之，不用剎車(chē)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得長(zhǎng)直道入彎最高速度不超過(guò)50000(對(duì)應(yīng)PWM的占空比)。

　　b. 彎道判斷條件和通過(guò)策略

　　當(dāng)小車(chē)不滿足直道的條件時(shí)，則行駛在彎道上。由于彎道的曲率半徑和角度的不同分為90度和90度以上的彎道和S形彎道。當(dāng)小車(chē)行駛在彎道時(shí)，只有某一邊的傳感器連續(xù)檢測(cè)到黑線，再根據(jù)兩邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)確定彎道角度的大小;如果小車(chē)行駛在S形彎道上，則傳感器檢測(cè)到的值會(huì)在水平偏差范圍內(nèi)連續(xù)變化?？傊趶澋郎?，要以彎道最大速度行駛。

　　彎道最大速度是讓小車(chē)在彎道上一直加速，直至沖出賽道的速度。當(dāng)賽車(chē)在彎道上的速度小于彎道最大速度時(shí)，就要調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，使小車(chē)逐漸加速。實(shí)驗(yàn)測(cè)得所有彎道最大速度不超過(guò)32000(對(duì)應(yīng)PWM的占空比)。

　　c.交叉線識(shí)別

　　按比賽規(guī)則，還有交叉線，但由于是直角交叉，因此只需要在多個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線的情況下保持原來(lái)的行進(jìn)方向和速度繼續(xù)前進(jìn)即可。

　　結(jié)語(yǔ)

　　全國(guó)智能車(chē)競(jìng)賽最終比的是速度，要想取得好成績(jī)就要讓小車(chē)在不同的道路上都能以極限速度行駛。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得出小車(chē)在不同形狀道路上的極限速度參數(shù)，根據(jù)不同道路的判斷條件選擇合適的參數(shù)，再根據(jù)速度值來(lái)調(diào)節(jié)PWM，從而實(shí)現(xiàn)智能車(chē)的快速穩(wěn)定巡線行駛。