基于飞思卡尔单片机的智能小车设计与应用样本.doc

安徽建筑大学毕 业 设 计 (论 文)专 业 通信工程 班 级 10级1班 学生姓名 刘新 学 号 课 题 基于飞思卡尔单片机智能小车设计与应用 -主监控程序和行使控制程序设计 指引教师 夏巍 6月1日摘 要 本文重要是以全国大学生“飞思卡尔”杯智能小车竞赛为背景一项课题研究。本次课题研究重要采用运用飞思卡尔公司32位单片机MPC5604MINI作为核心控制单元，用CCD进行对道路信息采集，用编码器对小车速度进行检测，使用7.2V锂电池进行供电，并用MPC5604MINI产生PWM波控制电机模块和舵机模块，从而达到控制小车速度和转向。本文重要简介主监控程序和行驶控制程序编写，就是编写程序让小车各个某些协调工作，让小车行驶并可以实现转向。 核心词：智能小车；MPC5604MINI；主控电路；行驶控制。AbstractThis article is based on National College Freescale Cup smart car competition as a research background.The research mainly uses Freescales 32-bit singlechip as the core control unit MPC5604MINI，and Carried out on the road with a CCD information collection，and use encoder to detect the speed of the car，using a 7.2V lithium battery-powered and used to generate PWM wave MPC5604MINI module and servo motor control module，so as to control the cars speed and steering.This paper describes the preparation of the master control procedures and driving control program，is to write the program so that the coordination of the various parts of the car，so the car driving and steering can be achieved.Keywords：Smart car；MPC5604MINI；Control circuit；Driving control.目 录摘要 Abstract1引言1 1.1课题研究意义1 1.2 智能小车国内外概况1 1.2.1 国内研究概况1 1.2.2 国外研究概况2 1.3 智能小车发展前景22 系统设计及方案论证3 2.1 系统设计规定3 2.2 系统设计方案3 2.2.1 主控芯片选定3 2.2.2 传感器模块5 2.2.3 测速传感器模块5 2.2.4 转向舵机模块6 2.2.5电机驱动模块6 2.2.6国内外概况63系统硬件电路简介8 3.1 主控芯片电路8 3.2 速度检测电路8 3.3 电机驱动电路8 3.4 舵机驱动电路9 3.5 拨码开关电路94 软件设计9 4.1软件流程10 4.1.1程序流程图10 4.1.2 程序流程图简介10 4.2 CodeWarrior简介11 4.2.1 CodeWarrior简介11 4.2.2 CodeWarrior功能11 4.3 系统初始化设计12 4.3.1时钟模块12 4.3.2 PWM模块12 4.3.3 速度检测模块软件设计12 4.3.4 车体控制算法13 4.3.5 PID控制算法13 4.3.6 行进电机PID控制16 4.3.7 转向舵机PD控制165总结18道谢19参照文献20附录:21基于飞思卡尔单片机智能小车设计与应用 -主监控程序和行使控制程序设计电子与信息工程学院 通信工程 级1班 刘新指引教师 夏巍1引言1.1课题研究意义随着汽车电子和机器人智能技术发展，智能车已经成为自动控制领域内一种研究热点。智能汽车是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体综合系统，集中运用到了自动控制、模式辨认、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等众多学科，是典型高新技术综合体，具备重要军用和民用价值。智能车辆( intelligent vehicles，IV)是智能交通系统重要构成某些,其研究重要目在于减少日趋严重交通事故发生率,提高既有道路交通效率,在某种限度上缓和能源题，同步减少人劳动强度，让人类更好生活。 在此背景下咱们开始研发智能小车模型，随后浮现了飞思卡尔智能小车竞赛。咱们现阶段研究重要是为了飞思卡尔智能小车竞赛而进行。通过飞思卡尔智能小车竞赛不断积累经验，为后来智能车辆奠定基本。1.2 智能小车国内外概况1.2.1国内研究概况受教诲部高等教诲司委托，高等学校自动化专业教学指引委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教诲部主办全国五大竞赛之一。首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛于在清华大学成功举办。此项赛事，在韩国已举办过多届，其专业知识涉及控制、模式辨认、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科，对学生知识融合和动手能力培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平提高，具备良好推动作用。在第一、二届比赛中参赛选手必要使用大赛组委会统一提供竞赛车模，以Freescale公司生产16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元。第三届则规定参赛队伍除了X系列微解决器不用以外，其她8位和16位微控制器可由参赛对自己选取（8位单片机最多可选两块），这无疑给人们一种更位大选取余地，此届比赛则准许使用官方推荐MC9S12XS128双核芯片及以往8位极16位单核微控核心。，中华人民共和国大学生制作智能车速度已经打破了韩国智能车比赛持续七届冠军速度。该项赛事现已在国内是成功举办五次，规模已有刚开始112支队伍增长到了600支队伍，竞争已经相称激烈。随着飞思卡尔智能汽车大赛影响力加大，全国各类学校踊跃参加此项赛事，场面也越来越壮观，技术上也越来越成熟，各支队伍在技术上创新也越来越多，对全国高校学子各项能力发展起到很大作用。1.2.2 国外研究概况韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办以HCS12单片机为核心大学生课外科技竞赛。组委会将提供一种原则汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一种可以自主辨认路线智能车，在专门设计跑道上自动辨认道路行驶，跑完整个赛程用时最短，并且技术报告评分较高参赛队就是获胜者。制作智能车，需要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件Codewarrior和在线开发手段，自行设计和制作可以自动辨认途径方案、电机驱动电路、模型车车速传感电路、模型车转向伺服电机驱动以及微控制器MC685912DP256控制软件编程等等。随着赛事逐年开展，将不但有助于大学生自主创新能力提高，对于高校有关学科领域学术水平提高也有一定协助，最后将有助于汽车公司自主创新，得到公司承认。这项赛事在韩国成功可以证明这一点。智能车比赛一方面由韩国汉阳大学承办开展起来，每年全韩国大概有100余支大学生队伍报名并准予参赛，至今已举办5届，得到了众多高校和大学生欢迎，也逐渐得到了公司界极大关注。韩国当代公司自开始免费捐赠了一辆轿车作为赛事特等奖项。德国宝马公司也提供了不菲资助，邀请3名获奖学生到德国宝马公司研究所访问，SUNMOON大学参赛者获得了这一殊荣。近年来，飞思卡尔半导体公司参加举办智能车大赛有了进一步发展。12月13日飞思卡尔半导体在马来西亚UITM工程学院举办了首届飞思卡尔智能车大赛。共有26组，涉及约52工科学生来自10个地方大学参加智能汽车竞赛。该国竞赛由马来西亚科协举办。1.3智能小车发展前景智能车辆系统进步和发展需要计算机技术、信息技术、电子技术、通信技术、控制技术、传感技术、机械制造等众多技术领域发展推动,其发展又可以推动所涉及学科和技术进步与发展。这是一种可以将汽车产业,交通系统与信息产业紧密结合起来新型领域。智能车辆研发为世界各国高新技术产业提供了又一辽阔发展空间。欧洲、日本、美国等发达国家虽走在了前面,但当前与国内实际差距还不是很大。因而,把握住这一机遇,有筹划、有环节地制定相应发展方略,提供各种优惠政策来积极指引和引导其健康发展,从而在改进和发展国内交通,提高交通安全性同步,缩小该领域与发达国家之间差距。2 系统设计及方案论证2.1 系统设计规定本次研究必要使用竞赛秘书处统一指定竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司8位、16位、32位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，涉及传感器信号采集解决、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完毕智能车工程制作及调试，同步使用四轮车模通过指定线阵CCD器件获得一维持续或者离散点赛道信息，最后完毕基于单片机自动控制系统使得模型车在指定跑道上自主循迹运营。2.2 系统设计方案系统由CCD模块、测速传感器模块、主控模块、转向舵机模块、电机驱动模块。框图如图2.1所示：图2.1 系统总框图2.2.1 主控芯片选定MC9S12XS128型开发板是以Freescale公司16位汽车级MCU芯片，MPC5604MINI型开发板是以Freescale公司32位汽车级MCU芯片，她们都是专为智能小车控制设计，可以减小咱们开发周期，同步也可用于其她二次开发等应用场合。MPC5604MINI与S12XS128比较：用MPC5604MINI代替S12XS128，计算能力会有极大提高；RAM空间有了大幅增长，可适应复杂算法；有更多UART、SPI、IIC通信接口，可以挂更多外设，更便于调试；PWM和脉冲计数功能比S12更强大、更以便好用；外部IO中断使用更自由；DMA功能可以让摄像头车设计大为变化，因此最后咱们选取MPC5604MINI型开发板。程序重要用到MPC5604MINI芯片中PWM模块，PIT模块、I/O模块以及SCI模块等模块化设计。PWM模块重要用来控制舵机和电机运转，捕获编码器边沿触发并计算“瞬时”速度；PIT模块重要是用在了定期读取速度和数据定期采集，I/O模块重要是用来分派给批示灯和激光管发射和接受；SCI模块重要用在串口传送模块观测实时数据。主控芯片中所用模块简介：（1） PWM 模块：PWM 调制波有3 个输出模块，每一种输出模块有8个输出通道，每个输出通道都可以独立进行输出。每一种输出模块均有一种精准计数器（计算脉冲个数），一种周期控制寄存器和各种可供选取时钟源。每一种PWM 输出通道都能调制出占空比从0100%变化波形。每一种通道都可以通过编程实现左对齐输出还是居中对齐输出,同步她们可以配备为低保真和高保真模式以便顾客编程。（2） PIT模块： MPC5604MINI 增强型捕获计时器模块在原则定期器基本上增长了某些特点，用以扩展它应用范畴，基准计时器核心依然是一种16位可编程计数器，其时钟源来自一种预分频器。该模块涉及三个独立定期器，可以以便顾客编程同步她们优先级可以设立。（3） I/O模块： MPC5604MINI拥有多达70个GPIO且她们都工作在总线频率下（最高50M），每个IO可独立配备为输入输出，内部上拉和自动。运用其高工作频率咱们运用它来发射激光，在中断中实时读取IO信息（激光反射信息）并存储并用来判断赛道信息。（4） SCI模块： SCI 是一种采用NRZ 格式异步串行通信接口，它内置独立波特率产生电路和SCI 收发器，可以选取发送8 或9 个数据位( 其中一位可以指定为奇或偶校验位) 。SCI是全双工异步串行通信接口，重要用于MCU与其她计算机或设备之间通信，几种独立MCU也能通过SCI 实现串行通信，形成网络。 MPC5604MINI里有四个SCI（SCI0、SCI1、SCI2、SCI3），其中有两个工作在系统时钟下其她工作在分频后总线频率下。2.2.2 传感器模块良好巡线方式是保证模型车稳定迅速运营基本，也是调试过程中耗费时间和精力最多一某些。按照指引教师给出定义与规定，车模通过采集赛道上中间黑线信息进行自动循迹，运用CCD进行黑线信息采集，咱们有两种摄像头选取，一种是CCD，另一种是CMOS，CCD摄像头是一种采集图像很清晰，对摄像头稳定性规定比较高，合用于低置摄像头，CMOS摄像头采集图形没有CCD清晰，但是对于摄像头放置稳定性规定没有那么高，合用于高置摄像头，结合查找网上资料和教师意见，总结出各传感器优势以及局限性，最后咱们选用蓝宙公司TSL1401线性CCD图像传感器传感器。CCD图像传感器具备图形清晰长处更有助于提前鉴别道路信息从而提高车速。2.2.3 测速传感器模块为了使得智能车可以平稳地沿赛道导引线运营，除了控制前轮转向舵以外，还需要比较精准地控制车速，使智能车在急转弯时不会由于速度过快而冲出跑道。依照自动控制原理可以懂得闭环系统普通比较稳定，通过一定办法实时测量智能车速度，从而形成闭环控制，使得智能车更加精确运营。普通可以采用如下几种测速办法：方案一：霍尔传感器测速。在后轮轴附近安装一种霍尔传感器，相相应再在轴上安装各种小型永磁铁，依照霍尔传感器特点，用一种上拉电阻将其接至5V，随着后轮转动就会形成各种脉冲信号。依照单位时间内脉冲数量就可以测得当前车速。方案二：反射式光电管测速。在后轮轴上安装一种黑白相间光码盘，然后通过一侧安装反射式光电管读取光码盘转动脉冲。方案三：投射式光电管测速。采用品有齿槽构造圆盘固定后轴上，采用直射式红外光传感器读取齿槽圆盘转动脉冲。方案四：光电编码器测速。光电编码器可觉得分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式光电编码器可以输出正比于转速脉冲，记录单位时间内脉冲数就可以间接测取实时速度。鉴于光电编码器安装简朴，输出信号比较规整，因此咱们采用方案四。速度传感器用于感知车模自身行驶速度，是速度闭环控制一种必要环节。咱们使用光电编码器作为速度传感器，安装在车尾与传动齿轮啮合，使用与电机齿数成比例齿轮，相称于直接测得电机“转速”。2.2.4 转向舵机模块舵机又称伺服电机。其工作原理是：控制信号由接受机通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。舵机由脉宽调制波（PWM）控制，其旋转角度由PWM波占空比决定,其占空比在0100可调。本设计中控制信号由单片机一路16位PWM口给出。2.2.5电机驱动模块 电机驱动可以使用专用电机驱动芯片、达林顿管驱动、场效应管驱动。分离达林顿管，场效应管虽然能获得大电流和响应速度快长处，但搭建电路较复杂且调试难度大，电机驱动芯片MC33886，内部具备过流保护电路，刹车效应好，接口简朴易用，虽然可以提供比较大驱动电流，但对于小车骤然加速时所需电流不够，发热量也比较大，通过实验咱们决定使用飞思卡尔比赛使用BTS7960。它既有MC33886功能，且小车骤然加减速不易发热在电流上比MC33886大，给咱们在提速方略上提供了以便。2.2.6 电源管理模块 电源模块是整个电路最基本模块也是整个电路核心某些，详细框架如图2.1所示： 图2.1 电源模块框图 所有硬件电路由7.2V、2A/h可充电锂电池提供。重要涉及如下不同电压：（1）5V电压，通过线性开关电源后，输出5V电压，为单片机和编码器，以及现行CCD提供电源。车模附带直流电池正常输出电压约为7.2V-8.5V。而智能车系统中，单片机最小系统、拨码开关模块以及测速光电编码器都使用5V供电，因而需要电压转换。惯用电源有串联型线性稳压电源LM2940、7805。两者都具备纹波小、电路构造简朴长处；前者价格较高但低压差性能好，后者便宜但低压差性能差且功率较小容易带载时发热，对于单片机，需要提供稳定5V电源，由于LM2940稳压线性度非常好，为提高单片机电源稳定性，咱们将单片机电源模块与其她模块分开，单独使用一片电源芯片为其供电。经测试，咱们主控模块工作正常，电压稳定，没有浮现电压局限性或静电干扰复位状况。（2）6V电压，为转向舵机供电。 舵机供电可以选取串联型线性稳压电源或开关型稳压电源，LM2941和LM1117，都可以从电池电压稳压到6V也就是都可以用来控制舵机，但通过查阅资料得知LM1117相对稳定，且电压可调，故选取LM1117给舵机供电。LM1117是一种低压差电压调节器系列，其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。LM1117提供电流限制和热保护。电路包括1个齐纳调节带隙参照电压以保证输出电压精度在1%以内。（3）3.3V备用电压直接从电池稳压得到，减少了中间环节，在紧急状况下可对单片机供电防止数据丢失和损坏单片机。（4）7.2V电压，这某些电压直接取自电池两端，为电机驱动以提供动力，LED0是电源批示灯，SW为整个系统总开关。3 系统硬件电路简介 系统电路是本次课题研究基本，一切研究都是建立在硬件基本之上，因此软件编写也是依托硬件电路作为基本。下面将对小车所用到电路做简朴简介。3.1 主控芯片电路 主控芯片电路是整个电路最基本电路也是整个电路核心某些，咱们自主设计主控模块省去了所有不用接口，大大减小了主控模块面积。主控芯片是现成MPC5604MINI系统开发板，MCU是电源模块提供5V电压接口，咱们在尽量少占空间前提下引出了所有所有咱们需要接口。同步还设计两个LED批示灯，绿灯在程序初始化时可以将其点亮以检测程序与否运营正常，红灯时上电电源批示灯。同步咱们还设计了3.3V备用电路用来防止系统板自带稳压芯片损坏导致单片机数据瞬间丢失。3.2 速度检测电路速度采集咱们采用欧姆龙光电编码器，虽然其成本较高，但精度高，稳定性好。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上机械几何位移量转换成脉冲或数字量传感器，光电编码器由光栅盘和光电检测装置构成。光栅盘是在一定直径预案板上等分地开通若干那个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件构成检测装置检测输出若干脉冲，脉冲直接接在单片机输入捕获端口，每一种上升沿发生一次中断，通过计算每10毫秒中断个数就能反映当前电动机转速。3.3 电机驱动电路BTS7960由一种P型通道高电位场效应晶体管N型通道低电位场效应晶体管结合一种驱动晶片形成一种完全整合高电流半桥。所有三个芯片是安装在一种共同引线框,运用芯片对芯片和芯片芯片技术。 电源开关应用垂直场效应管技术来保证最佳阻态。由于p型通道高电位开关，需要一种电荷泵消除电磁干扰。通过驱动集成技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调节器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路构造容易地连接到一种微解决器上。BTS7960可结合其她BTS7960形成全桥和三相驱动构造。在电机驱动上咱们采样上桥臂PWM下桥臂恒通调制方式，PWM在高电平时，其中一片7960p型通道高电位场效应晶体管导通另一片7960n型通道低电位场效应晶体管恒通，这样电流流过电机使电机电刷换向从而旋转，倒转和也是正转同样。占空比越大提供应电机电流就越大通过调节占空比达到调节电机转速效果。3.4 舵机驱动电路由于MPC5604MINIPWM输出高电平时3.3V，无法驱动舵机因此咱们用三极管做开关形成5V脉冲驱动舵机。舵机PWM周期是20ms频率不是很高，普通三极管就能满足规定，这里咱们选用了NPN9013，STEER是6V（可调）电压供应舵机。3.5拨码开关电路 拨码开关中SW1到SW8连接至单片机端口，当开关闭合单片机端口辨以为低电平，当开关断开单片机辨以为高电平。小车要想在跑道上高速稳定运营，路况信息影响很大，因此咱们通过检测拨码开关电平状态设立8个档位，每个档位相应一段特殊程序，这样就可以在不同路况给出不同方略，保证小车迅速稳定地行驶。其实在这里还可以选取其他方式，例如说按键式和触摸屏式，但是这两种方式不但价格要高并且功耗大，为了节约外围电路功耗，提高车速，节约经济，故采用拨码开关。4 软件设计本系统控制软件采用大赛提供CodeWarrior软件及BDM作为调试工具，此外，厂家提供编程环境支持C语言和汇编语言程序设计，以及C语言与汇编语言混合编程，大大以便了顾客程序设计，提高了系统开发效率。本系统程序代码使用C语言编写。本程序设计由如下几种模块构成：单片机初始化模块，实时途径检测模块，舵机控制模块，驱动电机控制模块，中断速度采集模块，PID控制模块。单片机初始化模块涉及：I/O模块、PWM模块、AD模块、计时器模块、定期中断模块初始化。实时途径检测模块：前排CCD检测黑线，将返回信号输入单片机输入端口，程序不间断地读入输入端口信号，通过判断语句，得出适当PWM信号控制舵机转向。舵机控制模块，驱动电机控制模块：通过直接输出PWM信号控制。舵机控制采用开环控制，驱动电机采用PID算法闭环控制。4.1软件流程4.1.1程序流程图程序流程图如图4.1所示：图4.1 软件流程图4.1.2 程序流程图简介该系统软件设计流程是先通过线性CCD对赛道信息进行采集，把采集到信息通过外围运算放大器进行放大，滤波后，计算自适应曝光时间。只需设立一种合理阈值，把图像解决成只有黑白两种颜色，便于咱们采集到赛道两边黑线信息，然后再进行滤波，把信号采集中浮现椒盐噪声所引起某些孤立黑点给去除掉，从而可以提取出一条清晰赛道信息，把赛道信息传给主控芯片，由主控芯片产生一种PWM波，PWM波是一种占空比可调，再由PWM波去控制转向舵机，从而控制小车转动方向，双向电动机转动方向转动速度也是由PWM波控制，最后使小车在赛道上平稳迅速行使。4.2 CodeWarrior简介4.2.1 CodeWarrior简介CodeWarrior涉及构建平台和应用所必须所有重要工具 - IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。此外，CodeWarrior IDE支持开发人员插入她们所爱慕工具，使她们可以自由地以但愿方式工作。CodeWarrior开发工作室将尖端调试技术与健全开发环境简易性结合在一起，将C/C+源级别调试和嵌入式应用开发带入新水平。开发工作室提供高度可视且自动化框架，可以加速甚至是最复杂应用开发，因而对于各种水平开发人员来说，创立应用都是简朴而便捷。它是一种单一开发环境，在所有所支持工作站和个人电脑之间保持一致。在每个所支持平台上，性能及使用均是相似。无需紧张主机至主机不兼容。CodeWarrior开发工作室涉及完毕大多数嵌入式开发项目所需所有工具。4.2.2 CodeWarrior功能项目管理器：为软件开发人员解决最高档别文献管理；按照重要组别组织项目条目；追踪状态信息（例如文献修改日期）；拟定每个构建中特定文献构建顺序及内容；协调插件程序以提供箱版本控制和RTOS支持这样业务。文本编辑器：支持源代码和其她文本文献创立和解决。与其她IDE功能完全集成。搜索引擎：查找特定文字串；以代替文字替代找到文字；支持常规表达使用；提供文献比较及差别功能。源浏览器：保存用于程序符号数据库；涉及变量及功能名称和值符号举例；使用符号数据库协助代码浏览；将每个符号与此符号有关代码其她位置链接；解决目的导向和程序语言。构建系统：使用编译器从源代码生成可重新定位目的代码，并使用链接器从目的码生成最后可执行图像。CodeWarrior C/C+编译器工具涉及业内领先C/C+语言CodeWarrior编译器，涉及原则模板库（STL）及各种其她工具。源级别调试器：提供高性能窗口源级别调试器，配备最新高效率增强型图形性能，缩短板bring-up和应用开发时间；使用符号数据库，提供源级别调试；支持符号格式，例如CodeView、Debug With Arbitrary Records Format（DWARF）和STABS。指令组模仿器：用于jump-starting应用开发集成指令组模仿器（仅合用于特定构造）。版本控制工具：市场中众多版本控制工具与CodeWarrior产品兼容。4.3 系统初始化设立在整个系统设计中，用到了7个单片机基本功能模块:时钟模块、PWM输出模块、外部中断模块、ECT模块以及普通IO模块。依照系统实际需求，对各个模块进行了初始化配备，通过对相应数据寄存器或状态寄存器读写，实现相应功能。4.3.1 时钟模块单片机中有四个不同步钟，即外部晶振时钟、锁相环时钟、总线时钟和内核时钟。本文采用是8MHz外部晶振，因而外部晶振时钟为8MHz，默认设立下，锁相环时钟为64MHz，总线时钟为SMHz，内核时钟为64MHz。锁相环时钟与外部晶振时钟倍、分频关系由SYNR、REFDV两寄存器决定。总线时钟用作片上外围设备同步，而内核时钟则用作CPU同步，它决定了指令执行速度。为了提高外围设备工作性能，对单片机进行了超频。本文通过实时中断时间间隔来控制参数采样及控制指令输出周期，在系统中，由于各个任务工作周期不相似。途径辨认传感器采样周期为10ms，舵机控制指令输出周期为5ms。为了满足不同任务需求，将单片机实时中断间隔时间设立为1ms，然后通过软件计数方式来产生不同周期时间间隔。4.3.2 PWM模块脉宽调制模块有8路独立可设立周期和占空比8位PWM通道，每个通道配有专门计数器。该模块有4个时钟源，能分别控制8路信号。通过配备寄存器可设立PWM使能与否、每个通道工作脉冲极性、每个通道输出对齐方式、时钟源以及使用方式(八个8位通道还是四个16位通道)。在智能模型车系统中，一共用到四路PWM输出，两路用于舵机控制，两路用于电机控制；为了提高控制精度，将两路8位通道合并为一种16位通道来控制舵机，这样可使舵机控制精度从1/255提高到1/65536。对于电机控制，8位输出精度可以满足应用规定，一路PWM输出用于控制电机正转，一路PWM输出用于控制电机反向制动。4.3.3 速度检测模块软件设计前面咱们简介过速度检测模块采用光电编码器，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件构成检测装置检测输出若干脉冲，脉冲直接接在单片机输入捕获端口，每一种上升沿发生一次中断，通过计算每10毫秒中断个数就能反映当前电动机转速。4.3.4 车体控制算法车体控制算法是整个系统核心，它直接关系到赛车体现。在通过对传感器信息解决后，运用CCD采集途径形状信息来控制转向舵机和行进电机输出量，其中转向舵机采用PD控制算法，行进电机控制采用PID控制算法。4.3.5 PID控制算法PID(比例、积分、微分)控制是一种建立在典型控制理论基本上，对过去、当前和将来信息进行预计控制算法。PID控制方略其构造简朴，稳定性好，可靠性高，并且易于实现。其缺陷在于控制器参数整定相称繁琐，需要很强工程经验。相对于其她控制方式，在成熟性和可操作性上均有着很大优势。因此最后咱们选取了PID控制方式。图4.2 PID模仿控制框图PID控制器数学模型为： 式（4.1）式(4.l)中，Kp为比例系数，Ti不为积分时间常数，Td为微分时间常数。u(t)经被控对象获得新输出信号y(t)。这个新输出信号被再次送到感应比较器以发现新误差信号，这个过程就这样周而复始地进行。由式(4.l)可得出，Kp值增大时，系统响应速度加快，闭环系统响应幅值增长，当其达到某个Kp值，系统将趋于不稳定；当增长积分时间常数Ti值时，系统超调量减小，而系统响应速度将变慢。因而，积分环节重要作用是消除系统稳态误差，其作用强弱取决于积分时间常数界大小。当增长微分时间常数Td时，系统响应速度增长，响应幅度也增长，同步由于该环节反映了控制量信号变化速率，因而微分环节还可实现系统预判，大大提高系统响应速度，但对控制量信号无变化，或者变化缓慢系统不起作用。在本系统中，赛车位置信号为y(t)，由传感器采集得到;其盼望运营位置r(t)为预先设定好定值输出信号。y(t)可作为舵机控制信号。运用PID控制核心是调节Kp，Ti和Td三个比例系数，即参数整定。PID控制器参数整定办法诸多，咱们通过试凑法来整定参数，试凑法是通过闭环实验，观测系统响应曲线，依照各控制参数对系统响应大体影响，重复试凑参数，以达到满意响应，最后拟定PID控制参数。试凑不是盲目，而是在控制理论指引下进行。在控制理论中已获得如下定性知识：比例调节(P)作用:是按比例反映系统偏差，系统一旦浮现了偏差，比例调节及时产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大比例，使系统稳定性下降，甚至导致系统不稳定。积分调节(I)作用:是使系统消除稳态误差，提高无差度。由于有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，构成PI调节器或PID调节器。微分调节(D)作用:微分作用反映系统偏差信号变化率，具备预见性，能预见偏差变化趋势，因而能产生超前控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因而，可以改进系统动态性能。在微分时间选取适当状况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因而过强加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反映是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与此外两种调节规律相结合，构成PD或PID控制器。试凑法详细实行过程为：1、整定比例某些，将比例系数由小变大，并观测相应系统响应，直至得到反映快、超调小响应曲线。如果系统静差小到容许范畴，响应曲线己属满意，那么只需比例控制即可，由此拟定比例系数。2、如果在比例控制基本上系统静差不能满足设计规定，则加入积分环节，整定期一方面置积分时间为很大值，并将经第一步整定得到比例系数略微缩小(如缩小为原值0.8)，然后减小积分时间，使得在保持系统良好动态状况下，静差得到消除，在此过程中，可依照响应曲线好坏重复变化比例系数和积分时间，以期得到满意控制过程，得到整定参数。3、若使用比例积分控制消除了静差，但动态过程经重复调节仍不能满意，则可加微分环节，构成比例、积分、微分控制器。在整定期，先置微分时间为零，在第二步整定基本上增大微分时间，同样地相应变化比例系数和微分时间，逐渐试凑以获得满意调节效果和控制参数。以上简要简介了PID算法原理和特性，在实际过程中，由于传感器是按一定间隔周期获取位置信息，因而必要将持续PID控制算法离散化，这样可得到数字位置式PID控制算法，其数学模型为 式(4.2)式(4.2)表达控制算法提供了执行机构位置ui，因此被称为位置式PID控制算法。当执行机构需要不是控制量绝对值，而是其增量(如驱动步进电机)时，由式(4.2)可推导出数字增量式PID控制算法为 式(4.3) 式(4.4) 式(4.5) 式(4.6) 式(4.7)式中：e为引导线偏离车体中轴线偏差值；K为比例系数；T为速度采样周期；Ti为积分环节时间常数；Td为微分环节时间常数。4.3.6 电机运营PID控制车速采用闭环控制，由PID控制器调节，其输入量为目的速度值与当前速度值差值，目的速度依照当前路况信息以及路况更迭信息拟定，PID调节器输出即为与行进电机转速成比例数值，经解决后，得到与所需速度相相应PWM脉宽信号。电机运营程序框图如图4.3所示：图4.3 电机运营程序框图4.3.7 转向舵机PD控制舵机作为赛车方向控制机构，其控制算法直接影响到赛车运营质量，如舵机控制算法不好，会导致舵机转角不平滑，过弯时浮现多次转弯，使车速在设计数字式PID控制算法时，对模型构造进行了许多简化。一方面，使用红外射/接受管阵列作为位置信息提取装置，以为其返回状态信息相应于赛车际位置，并通过它与抱负状态偏差，弯道时大大减小，因而，舵机控制算重要目是舵机及时平滑过渡。详细编写程序时，一方面通过估算建立了一种量化表，将采集到不同位置传器状态信息数字量转换成相应引导线偏离车体中轴线偏差量。然后对该差值进行位置式PD控制算法解决，得出此时偏差所相应转向舵机转角PWM宽，对舵机进行控制，其控制算法为：式(4.8)式(4.8)中，可调参数T为采样周期，T，Kp和Td值由实验拟定。为了更灵活地控制舵机转角，还可以通过比较本次与上一次车体偏差大，对舵机转角作进一步校正。其舵机转角校正算法为：式(4.9)式4.9中，为最后输入舵机PWM脉宽；Kc为舵机调节系数；direcition值为+1或-1，代表引导线移动方向；position值为+l或-1，代表引导线相对于车体中轴线左右位置。当引导线与车体中轴线本次偏差不不大于上一次偏差时，表白引导线在继续外，应使舵机在偏离方向上加大原有转角，使车体更快调节到对的方向上；反之，当本次偏差不大于上一次偏差时，表白引导线内偏且车体正在逐渐调节位置，可以恰当减小舵机原有转角使赛车更加平滑地运动至引导线中心线位置。导线偏移状态与参数数值选取和舵机转角规定相应关系如表4.1所示。表4.1引导线偏移状态与参数数值选取和舵机转角规定相应关系引导线偏移状态Position引导线偏移方向Direction规定引导线在车左+1向外偏+1车轮增大左偏角度引导线在车左+1向内偏-1车轮减小左偏角度引导线在车右-1向外偏-1车轮增大右偏角度引导线在车右-1向内偏+1车轮减小右偏角度 舵机运营控制程序如图4.4所示：图4.4 舵机运营程序框图5总结 自行设计制作PCB电路板形状依照车模量身定做，布局走线合理，并依照功能实现了模块化分离，使电路易用性、稳定性大幅提高，维护和更换也更