基于单片机的智能车速度控制系统
作者/ 陶佳 广东省技师学院(广东 惠州 516100)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201708/363620.htm陶佳(1986-)，男，讲师，研究方向：智能控制工程，无线通信技术。
摘要：本文重点介绍了基于光电自动寻线智能车的速度控制系统的设计，包含直流电机的驱动模块、速度检测模块、速度控制策略、速度控制周期等部分。采用两片MC33886芯片来驱动电机运行，用反射式红外对管检测电机速度，实现对电机的闭环控制，通过大量的试验，最终速度控制策略采用了增量式PID控制和BangBang控制相结合的方法，并创新性地使用两个中断相结合的方法使得速度控制周期为等时的，从而对智能车过弯速度达到良好的控制。
引言
在智能车制作中，利用ATmega16 单片机作为核心控制单元，以摄像头为路径识别传感器，分别设计控制系统，使得模型汽车能够自动准确地按照规定的椭圆路线行驶，速度控制是智能车控制系统最核心的部分之一，本文就如何设计智能车速度控制系统做了详细介绍。
智能车速度控制系统包含电机驱动模块，速度检测模块，速度控制策略，速度控制周期等，如图1所示：
1 电机驱动模块
系统所用电机是RS-380型号的直流电动机，其额定工作电压为7.2V，能输出0.9～40W的功率。使用两片MC33886芯片并联来驱动电机，其中MC33886为H桥式电源开关IC，该 IC结合内部控制逻辑、电荷泵、栅极驱动器、MOSFET输出电路，可工作在5~40V电压范围内。通过PWM信号调节输出，进而调节电机转速，PWM的控制频率为1KHz，PWM23可用于正转控制，PWM45可用于反转控制，OUT1和OUT2接于直流电机上，用来实现在直道时快速加速，弯道实现反转刹车来快速减速。电路图如图2所示。
2 速度检测模块
2.1 速度检测硬件
直流电机的速度的检测方案是：用MATLAB自制黑白相间且均匀等分的编码盘，如图3(a)所示。将编码盘黏贴于圆盘上，当圆盘随着齿轮转动时，利用反射式红外对管ST188接收强弱交替变化的反射光，再通过I/O口将高低脉冲电平传给单片机的输入捕捉中断中进行计算。自制测速装配图和速度检测模块原理图分别如图3(b)和如图3(c)所示。
该方案具有成本低廉、制作容易、负荷小的优点，配合单片机的输入捕捉功能可以实现高精度的速度采集。
2.2 速度的计算
方案中的数字测速的计算方法是采用T法。T法是指在两个相邻的输入脉冲的间隔时间T内，用一个计数器对高频基准信号的脉冲数进行计数，由计数值来计算转速，原理图如图4所示。
计算公式推导：设计码盘格数为40，旋转一周能产生20个脉冲。高频基准信号是通过对系统时钟128分频获得，实际频率f0=24M/128=187.5KHz。在T法测速中，测速时间T是用计数器所得的基准 信号脉冲个数M2来计算的，即T=M2/f0，对应后轮转速为：n=2/ZT=2f0/ZM2，经测量小车的后轮周长为17cm，所以小车速度的计算公式如式(1)所示：
(1)
3 速度控制策略
3.1 增量式 PID 控制[2]
本方案采用增量式PID来使智能车能够匀速稳定地行驶，增量式PID的速度检测信号M2高频基准信号T计算公式如式(2)所示：
(2)
其中，un为当前输出增量;un-1为上一次输出增量;Kp为比例增益;
为积分系数;
为微分系数;T为采样周期;TI为积分周期;TD为微分周期;en为第n次偏差，en-1第n-1次偏差。
3.2 BangBang 控制
BangBang 控制的思想是：定义速度误差en为给定速度减去反馈速度，当en大于设定值 ek时，就强制输出一个最大值umax;反之，如果速度误差en小于设定值(-ek)时，就强制输出一个最小值umax，在速度误差较大时，Bang_Bang调节比PID调节响应速度更快、更及时。计算公式如式3所示。式中en为给定速度减去反馈速度的差值。
(3)
3.3 增量式 PID 控制配合 BangBang 控制
为了实现，在赛道曲率变化不大时且智能车高速匀速稳定行驶，采用增量式PID控制。在从直道行驶入弯道时，智能车能够很快地反转刹车，降低速度，从而良好通过弯道;在弯道进入直道时，智能车能够很快地提高速度，以高速在直道上行驶。我们采用的速度控制策略是增量式 PID 控制配合 Bang_Bang 控制，当给定速度与反馈速度相差不大时，采用增量式 PID 控制，当给定速度与反馈速度相差较大时， 采用 Bang_Bang 控制，计算公式如式 4 所示：
(4)
4 速度控制周期
采用的控制周期方案是：
测速程序是通过单片机的输入捕捉中断来完成的，即车轮每转一周(0.17m)，将产生 20 次中断，在这20次中断过程中，能运行20次的速度检测，如果按照平均车速 1.8m/s 计算的话，那么每一次输入捕捉中断的时间为：0.17/(18×20)=4.7ms，也就是每隔4.7ms得到一个反馈速度。
速度控制程序是指单片机每隔一定时间(如10ms)根据给定的速度和反馈速度进行速度的闭环控制。反馈速度是通过上面的输入捕捉中断方式读取，给定速度通过查询方式获得。速度控制程序在定时中断程序中执行，而定时中断是通过模数递减计数器来实现的。
这样程序在运行中存在两个中断，并且输入捕捉中断优先级高于模数递减计数器的定时中断。输入捕捉的频率为定时中断的两倍，这样，每执行一次定时中断，反馈速度有两个值，由于两个值的时间间隔比较短，取前一次的值代表当前速度，并且测速程序执行所占有的时间极短，因此输入捕捉中断对速度控制程序的影响不大。
等时控制是指控制程序每隔一定时间执行一次，等距控制是指控制程序每隔一定的距离执行一 次，由于控制周期不受车速控制，所以等时控制优于等距控制。方案一采用自制的用反射式红外对管测速，价格便宜，但控制周期是等时的;方案二采用旋转编码器测速，价格昂贵，但测速精度相对高，控制周期是等时的。我们的方案用反射式红外对管测速，价格便宜，控制周期是等时的。电机速度控制的流程图如图5所示。
5 仿真结果
图6为已制作完成的智能车实物照片，我们在自制的跑道上进行了实际测试，得出以下试验结果：获取了一组比较好的PID参数，KP=50，KI=3，KD=4，在该参数下，智能车能够得到较快、较好且平稳的速度。当速度误差en(给定速度减去反馈速度的差值)大于70cm/s时 ，电机驱动输出un为90%的占空比;当速度误差en(给定速度减去反馈速度的差值)小于-70cm/s时，电机驱动输出un为10%的占空比。在PID和BangBang 控制下速度变化范围较大，实现了快速加速，快速刹车。
6 结论
经过大量的实验调试，智能车在基于两片MC33886并联组成的驱动上，能够实现良好的电机正转和反转控制。通过使用反射式红外管能够比较稳定和精确地检测速度，计算速度。用于测速的输入捕捉中断 和用于速度控制定时中断两个相结合能够很好地实现控制周期等时。使用的PID和BangBang的结合的控制策略，通过不断调试，选择合理的参数，实现了智能车根据路径识别来闭环调节速度，在赛道曲率变化不大时的匀速行驶，在赛道曲率突变时的速度急增急减的效果，并且智能够使智能车长时间的良好运行，印证了该方法的可靠和有效。
参考文献：
[1]卓晴,黄开胜,邵贝贝.学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
[2]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社,2004.
[3]王威.HCS12微控制器原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
[4]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:北京航空航天大学出版社.2007.
本文来源于《电子产品世界》2017年第9期第46页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。
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