基于安卓的智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

引 言

從全國大學生 飛思卡爾 智能車比賽開始，現(xiàn)在雖然飛思卡爾公司已被合并，但全國大學生智能車比賽依然進行的如火如荼 [1,2]。智能車不僅是在學生比賽中被廣為學習，有輪式機器人之稱的智能車在日常生產(chǎn)中也占據(jù)了重要地位，包括在生活中被期待和反復(fù)試驗的無人駕駛技術(shù)以及在生產(chǎn)中被廣泛運用的智能安全巡檢技術(shù)等。

智能車的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)一直都是研究的重點與難點，精準可調(diào)控的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可以為生產(chǎn)過程帶來很大便利[3,4]。基于安卓的智能車轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用安卓系統(tǒng)設(shè)計移動終端App，實現(xiàn)在線調(diào)控智能車轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速系統(tǒng)參數(shù)等功能，及對智能車的精準控制和在線調(diào)控功能。

1 智能車硬件設(shè)計

智能車選擇龍邱科技的 32 位 K60 單片機作為控制芯片， 硬件包括電源模塊、OV7725 數(shù)字攝像頭、500 線編碼器、直流電機、SD5舵機、RM04串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、手機終端等。手機作為移動終端，通過App 發(fā)送控制信號給WiFi 轉(zhuǎn)串口模塊，模塊將信號傳送給單片機，單片機接收信號后執(zhí)行轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制命令。圖 1 所示為智能車硬件結(jié)構(gòu)框圖。

智能車上安裝的編碼器檢測到車速，單片機采集到的速度信息經(jīng)串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊將速度信息顯示在移動終端上?？梢詮囊苿咏K端上實時得到攝像頭獲取的圖像信息，在線修改轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) PID 參數(shù)，達到提高轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制精度和在線調(diào)控的目的 [4]。 

系統(tǒng)采用紅樹偉業(yè) 7.2 V/2 000 mAh 電池，用穩(wěn)壓芯片設(shè) 計一個為攝像頭提供 3.3 V 電壓，為編碼器提供 5 V 電壓的電 源模塊。攝像頭采用 OV7725 數(shù)字攝像頭，用于采集道路信息， 經(jīng)圖像處理來控制智能車的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。電源模塊設(shè)計如圖 2 所示。

如 圖 2 所 示， 電 源 模 塊 接 入 7.2 V 電 池電 壓， 經(jīng)AMS1117 穩(wěn)壓片輸出 3.3 V 和 5 V 電壓，為攝像頭提供 3.3 V 電壓，為舵機和編碼器提供 5 V 電壓。

2 智能車轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計

道路不同，智能車的速度也不同，攝像頭采集道路圖像信息，主控制器通過控制算法分析，控制電機運行速度。編碼器將電機實際運行速度傳回主控制器，實現(xiàn)電機閉環(huán)控制， 手機終端從主控制器獲取智能車速及PID 參數(shù)信息，實現(xiàn)參數(shù)在線可調(diào)控。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖如圖 3 所示。

2.2 PID控制算法分析

智能車的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用增量式PID 控制[6,7]，其控制原理圖如圖 4 所示。

目標值與實際值的差為誤差，誤差通過PID 控制器得到一個輸出量，輸出量與控制器中的 PID 參數(shù)構(gòu)成線性組合關(guān)系。最終實際速度在以一個接近目標值的穩(wěn)態(tài)值為中心的小范圍內(nèi)波動。

2.3 參數(shù)整定 在 PID 控制器中，三個參數(shù)分別有不同的作用，在調(diào)整 參數(shù)時，首先確定影響系統(tǒng)響應(yīng)速度的比例系數(shù) kp，然后調(diào) 整影響系統(tǒng)動態(tài)性能的微分系數(shù) kd，最后在系統(tǒng)上增加影響 穩(wěn)態(tài)誤差的積分系數(shù) ki。在調(diào)整微分系數(shù) kd 和 ki 積分系數(shù)時， 需要微調(diào)比例系數(shù)kp。微調(diào)三個參數(shù)以實現(xiàn)最優(yōu)控制效果[4,8,9]。

3 移動終端系統(tǒng)設(shè)計

移動終端系統(tǒng)輸入給定速度，編碼器采集實時速度傳回移動終端，終端將采集到的速度保存到sdcard 中，通過時域參數(shù)運算得出時域動態(tài)指標，超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差。移動終端實現(xiàn)示例如圖 5 所示。

根據(jù)時域動態(tài)指標在線調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，以達到最優(yōu)控制策略，畫出智能車實時速度變化曲線圖。

新建 WriteButtonListener 類寫入給定速度、PID 參數(shù)， 新建類 ReadButtonListener 讀取采集到的實時速度，新建類 onDraws 畫出輸出速度曲線圖。

4 結(jié) 語

基于安卓的智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)在 PID 閉環(huán)控制基礎(chǔ)上采用 手機終端遠程控制智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)參數(shù)，實驗結(jié)果表明，這 一系統(tǒng)設(shè)計提高了智能車轉(zhuǎn)速控制的精準度，實現(xiàn)了參數(shù)在線 可調(diào)和數(shù)據(jù)采集優(yōu)化，降低了調(diào)試人員的工作難度。如要獲得 更加快捷有效的調(diào)試結(jié)果，可以先采用模糊或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 算法整定 PID 參數(shù)，再進行在線調(diào)試。