基于激光传感器模糊控制的智能车控制系统

1、 引言:智能车控制器采用软件算法控制和传感器检测精确控制 综合来实现。软件算法控制根据激光传感器和测试速度编码盘传输的 信号,通过单片机分析,进行整体运行状态的模糊控制,判断出智能 车在赛道上的运行状态,计算出智能车偏转角度和运行速度的理想期 望,使智能车按照理想状态保持高速运行。1. 智能车系统构架依据“飞思卡尔”智能车比赛的规定,智能车是沿着赛道中间 的黑线行驶,光电组类别的智能车通过安装在车体上的激光发射管射 在赛道上,激光接收管接收到黑白两色路面返回的不同值进行方位判 断,通过改变转向舵机的偏角和输入给电机伺服器不同占空比的 pwm 信号,综合控制智能车的运行。智能车控制最重要的问题就

2、是使赛车 在赛道上即快速又稳定的行驶,由于智能车自身做工等一系列原因, 不能很精确的结合赛道建立数学模型,由于模糊算法又十分适合智能 车这种时变、非线性、高时响应的系统,可以较为理想的对智能车进 行速度与方向上的控制,提高控制系统的动静态性能和鲁棒性。智能车的设计结构如下图所示:智能车控制部分的电路由激光传感器电路、速度控制电路和主控 电路 3部分组成。激光传感器电路包括发射和接受两部分,速度控制 电路包括速度检测电路和电机伺服器驱动电路两部分,而主控电路是 智能车设计的核心,他由 Freescale 公司提供的 MC9S12XS128单片机及 其自行设计的外围电路组成。路面信息采集由激光传感

3、器模块采集,速度信息采集模块由安装 在车后轮轴上的编码器采集。通过这两方面信息的采集,得到智能车 在轨道上相对黑线的位置及本身的运行状态,结合方向舵机和电机伺 服器,运用模糊控制原理综合对车体进行综合控制,达到快速且平稳 控制智能车运行的目的。2. 智能车模糊控制结构“飞思卡尔”智能车大赛要求赛车在不冲出跑道的情况下尽可能快地跑完整个赛道,选手不仅要结合车辆工程原理知识,调整车体的 机械结构,而且要结合自行设计制作的最小系统板和外围电路,良好 的编写合适的算法,好的算法能及时有效的对智能车的速度和方向进 行控制。对智能车的控制主要在于对电机伺服器和舵机的控制。由于 本次智能车采用双舵机的结构,

4、一舵机为转向控制舵机,调整智能车 摆向,另一舵机为激光传感器摆头舵机,随车身的转向而摆动,这样 的设计可以增加激光的探测范围,从而更好的反馈赛道信息,但是车 身转向舵机和激光传感器摆头舵机摆向之间存在非线性关系,这样的 设计加大了控制难度。智能车本身在赛道上状态极不确定,为了以最佳位置和速度在赛 道上运行,何时加减速、何时转弯、两舵机打角方位多少,都是控制 器来决策的,而高质量的控制才能把速度与转向良好的结合,达到最 快跑完赛道的目的。3. 智能车模糊控制规则模糊控制器的控制规律由单片机中的程序实现,单片机经过终端 采样获得被控制量的精确值,将测得的值与给定的标准值相比较,得 到一个误差 E

5、。将误差信号 E 模糊化编程,误差 E 用相应的模糊语言表 示 , 得到了一个输出 e 。由推理得出的模糊控制规则 R 与 e 合成进行模糊 决策,得到模糊控制量。在得到控制量后,经数模转换为模拟量送给执行机构,进行下一 步的控制。模糊控制器由 3部分组成,如果所示:4. 控制原理4.1 程序控制原理:我们主要运用芯片中的 pwm 模块, i/o模块, ect 模块来对小车进 行控制。其中 pwm 模块用于舵机的转向角控制和电机伺服器的速度控 制, i/o模块用于采集激光等信号进入单片机处理, ect 模块用于采集外 围中断,收集脉冲信号,从而转化为速度信号。4.2 车身控制原理我们采用激光管

6、排成一字形,激光管通过与摆头舵机相连。摆头 舵机通过单片机控制,使激光管可以随着黑线的位置变换而摆动,始基于激光传感器模糊控制的智能车控制系统朱明隆 于骁 苏旭磊(西南交通大学机械工程学院,四川成都 610031摘 要:自行设计的飞思卡尔智能车,其方向控制和速度控制存在非线性关系,运用模糊算法,在 Freescale 单片机 MC9S12XS128上编程实 现,经过实际跑道上的测试,可以实现对智能车转向和速度的优化控制与智能调节,并能良好的适应不同环境的比赛赛道,使智能车的稳定性大 大提高,具有很好的控制效果。关键词:模糊控制;自适应中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1003-9

7、767(201108-0065-02 终期望让激光管中间的激光照射在黑线上。由于本次智能车采用的车 体是后二驱结构,因此在车后传动轴上安装编码器测试小车速度。通 过各传感器传回单片机的信号综合分析,使输入信号与输出信号(摆 头舵机的偏移量和转向舵机所需要的偏移量能构成一个映射关系。 使智能车的激光管摆头舵机、转向舵机和电机伺服器速度输出值都趋 于理想。4.3 模糊控制算法概括 转向的模糊控制:我们将激光管摆头舵机的转向,结合实验计算出固定的标定量使 激光接收管接受的黑线的信息模糊化,再与小车的速度信号综合处理 后,计算出转向舵机期望的模糊量量和速度值期望值的模糊量。经过大量实验证明,存在公式,

8、满足把输入的黑线信息转换成最 适宜的转向角 V ,由于所有 15个激光管一字排开并间距相同,而赛道 黑线的宽度大于其之间的间距,所以存在两种情况,有可能只有单独 1个激光管发射的激光照射在黑线上,也有可能同时有相邻 2个激光管 发射的激光找到赛道黑线上。将激光管从左到右依次编号为 L 1-L 15, 由于单片机扫描激光接收管的数据是按灯的编号,从小到大依次进行 的,我们设最先照到黑线的激光管编号为 Li 。而单片机中设有智能判 断判断单或双灯的程序,并提供返回值。经过大量的实验数据修正,得到以下公式:(若判断出是单灯照到黑线 则=100 =0,若判断出是双灯照 到黑线 则=200 =1而 Ai

9、 的值经过大量实际经验计算有:A9A10A11A12A13A14A1570696569687061由以上公式可把计算出的模糊化的转向角 V 的值通过以下映射分 别对应为 Left1-4, Right1-4, Mid 九个输出期望。速度及激光管摆头角的模糊控制:安装在智能车后轮上的编码器实时传回速度数据,我们将数据送 入 MC9S12XS128单片机,通过与模糊化转向角 V 相同的方法,使编码 器传回的速度信号模糊化,经过公式变为 Vmax,Vb, Vm,Vs等四“档” 化的期望值,同理摆头角也变为 0,S,-S,-M,M,B,-B7,+MAX,-MAX一共 九“档”的期望值,具体过程就不再这里

10、赘述了。解模糊及综合控制:通过综合分析智能车在前一个时刻模糊化的偏转量和速度值,我们经过大量试验得出以下的对应表格,使激光管摆头舵机、转向舵机 和车身使输出的模糊量期望清晰化,使智能车在直道和弯道上的性能 大大增强,从而提高了运行速度。对激光摆头舵机、转向舵机和速度输出的清晰化的期望分别建立 表格如下:转向舵机的偏移量期望值0123456v_maxMid Left3Left4Left4Right3Right4Right4Vb Mid Left2Left2Left3Rigth2Right2Right3Vm Mid Left1Left2Left2Right1Right2Right2Vs mid L

11、eft1Left1Left2Right1Right1Right2速度控制的期望值Mid Left1Left2Left3Left4Right1Right2Right3Right4v_maxVmaxVb Vm Vm Vs Vb Vm Vm Vs Vb Vmax Vb Vm Vm Vm Vb Vm Vm Vm Vm Vmax Vb Vb Vb Vm Vb Vb Vb Vm VsVmaxVmaxVbVbVbVmaxVbVbVb激光管摆头舵机Mid Left1Left2Left3Left4Right1Right2Right3Right4 n-S-M-B-MAXSMBMAX5. 程序设计框图6. 结语在 Freescale 单片机 MC9S12XS128平台上,通过模糊控制指令,对 摆头舵机、偏转舵机和速度值进行修正,实时调整智能车的运行综合 状态。模糊化后的综合分型使三项修正有很高的正确性和稳定性,反 馈后的速度和车身信息,通过大量的实际实验修正使模糊化结果更符 合本车综合性能,使智能车在直道和弯道都能保持高速运行状态。在 “飞思卡尔智能车”比赛中取得良好的效果。参考文献:1 孙同景,陈桂友 Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发 技术,机械工业出版社,