毕业设计论文v

1、摘要智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人，航空航天等领域。作为21世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。因此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。随着汽车电子和机器人智能技术的发展,智能车已经成为自动控制领域内的一个研究热点。本文讲述了以意法半导体有限公司（ST）的STM32F103ZET6为微处理器,设计出一种能自动寻迹的智能小车。着重阐述了道路信息的获取,处理和识别过程,并设计出增量PID控制器对智能小车的速度进行闭环控制,使智能

2、小车能准确快速地对道路进行跟踪。该系统通过光电传感器获取当前道路信息；利用微处理器产生PWM脉冲控制小车的速度与舵机的转向；并采用霍尔传感器检测小车的当前速度，从而实现闭环控制。系统硬件包括电源模块，寻迹传感器模块，车速测量模块，电机驱动模块以及负责转向的舵机模块的设计。关键词：STM32F103ZET6 增量PID控制器 PWM调速 自动寻迹The Design of Intelligent trajectory Car based on PID control algorithmAbstractIntelligent vehicle，also is called as Wheeled ro

3、bot，most suits in the environment which these human beings are unable to work，the technology can be applied to unmanned vehicles，unmanned production lines，warehouses，service robots，aerospaceandotherfieldsAsthemajorachievementsinthefieldofautomationof the 21th century，robotics and human society has b

4、een inseparable in production and daily lifeTherefore，in order to let the intelligent vehicle in the best condition the furtherresearchandimproveitsspeedanddirection control is verynecessaryWith the developmentof automotive electronics and intelligent controltechnology，intelligent vehicle has become

5、 the research hotspots in the field ofautomatic controlThis article describes thedesign of an automatic tracing smart car based on the chip of ST STM32F103ZET6Focused on the road information acquisition， processing and identification process and to design an incremental PID controller to control the

6、 speed of smart car，smart car to the road quickly and accurately trackedThe system photoelectric sensor for current road information； PWM pulse generated using a microprocessor to control speed and steering car steering； and using Hall sensor car's current speed, in order to achieve closed-loop

7、controlThe system hardware， including power modules， tracing sensor module，measuring module speed，motor drive modules and is responsible for turning the steering gear moduleKeywords： STM32F103ZET6PID controller PWM control speed Path recognition目录摘要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1 选题背景11.2 智能小车的发展现状11.2.1

8、智能小车在国外的发展21.2.2 智能小车在国内的发展31.3 研究意义41.4 智能小车的关键技术41.5 本文所开展的研究工作5第二章 硬件电路的设计72.1 智能小车的总体设计方案72.2 微处理器的介绍82.2.1 中央处理器STM32F103ZET6的介绍82.2.2 STM32F103系列软件开发平台102.3 电源模块102.4寻迹传感器模块设计132.4.1 传感器设计方案132.4.2光电传感器的电路设计152.4.3光电传感器的安装与调试152.5车速检测电路的设计172.6减速电机驱动电路182.6.1直流PWM调速基本原理182.6.2 减速电机控制电路192.7转向舵

9、机模块设计202.7.1舵机的工作原理202.7.2舵机的控制212.8本章小结23第三章 PID控制算法的软件设计与实现243.1 PID控制原理与程序243.1.1 模拟PID调节器243.1.2 数字PID控制器253.2 减速电机的PID控制算法293.3 转向舵机的控制算法313.4 本章小结33第四章 智能小车的软件设计与调试344.1 系统软件的设计思想344.2 速度控制算法364.3 PID算法控制器参数设定364.4 调试总结与心得384.5本章小结40第五章 结论与展望41参考文献43附录1 智能小车外型图45致谢46第一章 绪论1.1 选题背景自20世纪50年代世界上第

10、一台机器人诞生以来，机器人技术经历了一个长期且缓慢的发展过程。在20世纪八、九十年代,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了突飞猛进的发展，机器人的应用也从制造领域向非制造领域发展1。本课题选题背景按照党中央、国务院的决策部署，“十一五”期间，高等教育要切实把重点放在提高质量上，特别要努力提高学生的创新精神和实践能力；2007年1月，经国务院批准， 启动“质量工程”，而今年则是“质量工程”实施的最后一年。同时，本课题来源于本专业的实验教学改革课题的其中一个内容。在导师的指导下，参与编写寻迹小车智能车的实验指导书；当今世界各国的大城市无不存在着交通拥挤问题，以上海为

11、例，外环线以内大部分车辆平均时速在 20 公里以下。在现有道路有限的情况下，发展智能交通系统（ITS）成为提高交通资源利用率和交通安全的一种有效手段。智能车作为ITS的组成部分，能够靠自己的智能在道路上行驶1。所以本课题的研究无论是从教学实验角度还是从生活实际的应用来看都具有较强的理论价值和实际意义。1.2 智能小车的发展现状美国物流学会自动导引车系统产品部把自动导引车（Automated Guided Vehicle，以下简称AGV）定义为装有电磁或光学自动导引装置的运输车2。该AGV能够沿规定的导引路径行驶，并配备有AGV编程与停车的选择装置，安全保护和其他系统所需要的特殊功能的装置。自动

12、导引车是计算机技术，自动控制技术，管理技术，加工制造技术等多学科技术的综合。1.2.1智能小车在国外的发展世界上第一台是AGV是由美国Barrett电子公司于20世纪50年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统，小车跟随一条钢丝引导的路径行驶，并具有一个以真空管技术为基础的控制器3。智能小车项目已经成为一个当今世界热门的研究题目，在国外高校中主要的智能小车研究主要有下几种最具有代表性：大谷机器人ASURO世界最具影响力的三大教育机器人教材生产厂家之一，ASURO被评2006美国中学生暑期电子课作业指定教材。风靡欧洲教育界的ASURO和两足机器人，用的是免费的AVR软件，可以把电脑上的C语言的源程

13、序转换成机器人可以识别的16进制代码，通过与电脑相联接的红外发射板，可以无线的把机器人可以识别的16进制代码发射到产品上面，就会展示新的动作，以实现可复编程，发射不同的程序，可实现不同的功能，如线性追踪（自动寻轨），追踪光源，设定路线来转弯，电脑遥控，唱歌，机器人走迷宫，感应人的身体后可后退等动作对ASURO来说，轻而易举4。韩国的飞思卡尔智能车大赛，早在2000年由韩国汉阳大学举办的，面向韩国各个大学。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的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径

14、的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用4。IEEE国际标准电脑鼠走迷宫竞赛所谓“电脑鼠”，英文名叫做MicroMouse，是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置的俗称。它可以在迷宫中自动搜索迷宫，记忆迷宫地图，智能分析选择路径，最终以最快时间完成比赛。迷宫的地图是在竞赛开始前几分钟随机设置的，所以竞赛难度较大。国际电工和电子工程学会（IEEE）每年都

15、要举办一次国际性的电脑鼠走迷宫竞赛，自举办以来参加国踊跃。1972年美机械杂志发起比赛，最初的电脑鼠是机械的，由弹簧驱动。1977年IEEE Spectrum杂志提出电脑鼠的概念：电脑鼠是一个小型的由微处理器控制的机器人车辆，在复杂迷宫中具有译码和导航的功能。真正的首场电脑鼠迷宫竞赛于1979年于纽约举行，1991年以来，每年都有世界级的比赛4 5。1.2.2 智能小车在国内的发展我国AGV发展历史较短。北京起重运输机械研究所、中国邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、清华大学、国防科技大学和华东工学院都在进行不同类型的AGV的研制并小批量投入生产。1975年北京起重

16、运输机械研究所完成我国第一台电磁引导定点通信的AGV，1989年北京邮政科学研究规划院完成我国第一台双向无线电通信的AGV，该院已能进行AGV的批量生产。沈阳自动化所在AGV技术方面已取得了多项研究开发成果和专利，解决了AGV车体设计、控制、导航和高度管理等一系列关键技术问题，成为国内唯一能够提供自主品牌AGV产品的单位。AGV自动导航车系统是伴随着柔性装配系统、计算机集成制造系统以及自动化立体仓库产业发展起来的，是物流系统中革命性的换代产品。为一种高效物流输送设备和工厂自动化的理想手段，随着经济的发展，在我国AGV领域必将越来越大6。近几年，智能小车的研究是我国的高校大学生热点研究的项目。2

17、006年，“飞思卡尔”杯智能车大赛登陆中国，经过教育部批准，由飞思卡尔半导体公司赞助，由清华大学协办，在清华大学举办了第一届“飞思卡尔”杯智能车大赛 。今年则是第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛，与往届不同，今年的第五届智能车竞赛新增了电磁组的竞赛单元，参赛者需要用电磁器件代替传统的光电和CCD，通过磁感应来进行赛道信息的获取渠道，以此控制智能车在赛道上行驶。IEEE国际标准电脑鼠走迷宫竞赛，2007年9月开始在广州周立功单片机发展有限公司的赞助下，中国嵌入式系统学会组织上海市、江苏省、浙江省30多所高校连续举办了两次联赛。2009全国“电脑鼠走迷宫”总决赛于11月8日在北京航空航天大学

18、首享科技大厦举行。此赛事由中国计算机学会指导、中国计算机学会嵌入式系统专业委员会主办、广州周立功单片机发展有限公司和台湾嵌入式暨单晶片系统发展协会协办、广州周立功单片机发展有限公司承办。1.3 研究意义路径识别技术是智能控制领域内一个重要的分支，智能车融合了嵌入式系统应用、光电检测、图像处理与路径识别、自动控制和电机控制等多种技术。其研究成果应用到很多领域中，例如拥有路径跟踪功能的自动导引车便广泛应用于自动仓库、柔性加工生产线、柔性转配线等领域。在一些恶劣的地面工作环境中，具有一定的危险的工作就可以利用智能车的路径跟踪功能来完成任务，基于机器视觉的智能车路径跟踪控制系统能够更全面地获取道路信息

19、。利用各种有效的图像处理算法对路径进行识别，提高了路径识别的准确性，拓宽智能车的视野，能对更远的路径提前做好判断，提高了智能车路径跟踪的平均速度和车身稳定。作为能够自动进行路径跟踪的智能车，车身与控制器本身就是一个自动控制系统，有些控制理论与算法已非常成熟，且在实际应用中效果非常好。一些新的控制算法在灵活性上也有很大的提高，因此对各种控制算法的灵活运用能够提高智能车路径跟踪系统的整体性能。所以，本课题的研究，对响应教育部的号召，实施“质量工程”，提高大学实践能手能力有很大的帮助；同时本课题也具有很强的实际应用性。1.4 智能小车的关键技术智能小车要想走向实用，必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导

20、航系统、精确的感知能力和具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。智能小车的智能指标为自主性、适应性和交互性。适应性是指小车具有适应复杂工作环境的能力(主要通过学习)，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力。自主性是指小车能根据工作任务和周围环境情况，自己确定工作步骤和工作方式；交互性是智能产生的基础，交互包括小车与环境、小车与人及小车之间三种，主要涉及信息的获取、处理和理解。智能小车是一个综合系统，包括以下关键技术。根据道路信息的完整程度、路径跟踪标志等因素，智能车的路径跟踪技术主要分为基于机器视觉的路径跟踪、基于地图路径跟踪、基于

21、特殊道路标志的路径跟踪以及基于感知器的路径跟踪等。本课题就是要设计一种智能车，能够实时检测白色跑道上宽18cm的黑线，将路径信息传送到单片机内进行各种算法处理，对小车的直流电机和转向舵机进行控制。因此，其中的路径检测识别系统和控制器就是最重要的两部分，本文也即是围绕这两部分展开。由于人体太复杂，人类的智能行为至今仍是一个谜，像生命科学中生物具有生命一样，今天我们知之甚少。而智能技术是用机器来模拟人的外在认识和思想行为的技术总称。目前，对于智能技术的研究，主要分为两大派：间接进化和直接进化。前者主要以符号主义的人工智能为代表；后者以计算智能技术为代表，包括神经网络技术、模糊技术、进化计算(遗传算

22、法、进化策略、进化规划等)和基于个体的复杂系统的研究。前者采用自顶向下的技术路线，后者采用自底向上的技术路线。其实，人在处理问题时，两者是混合使用的。因此，两者的有机结合更恰当。对于智能小车来说，关键智能技术是自动规划技术和基于传感的智能。小车的智能行为包括知识理解、推测、感觉、认识、推理、归纳、推断、计划、反应、学习和问题求解等。涉及的领域包括图像理解、语音和文字符号的处理与理解、知识的表达和获取、学习和运动67。1.5 本文所开展的研究工作本文是以ST意法半导体有限公司的STM32F103ZET6为微处理器为核心控制单元，配以红外光电传感器为道路检测方案进行检测路径信息，对智能车进行实时控

23、制。智能小车采用增量PID控制来实现小车的速度控制和转向舵机的控制。具体的研究内容主要包括：一、自动导引车的发展和研究情况。阐述了智能控制理论应用于智能机器系统的意义以及路径识别和控制器在智能车中的重要性。二、智能小车硬件系统的设计。详细介绍了智能小车硬件电路的设计与实现。智能小车选择STM32F103ZET6最小系统开发板为核心控制单元，完成了电源模块、传感器模块、直流电机驱动模块、转向舵机模块、路径识别模块等功能模块的设计。三、对PID控制、增量控制以及位置PID控制算法的原理和特点做了介绍，并给出了增量控制器的设计步骤。四、智能车软件结构设计。对道路识别模块的进行构思和设计，运用模糊控制

24、理论分别对智能小车的方向和速度进行控制。整车控制系统是研究内容的重点，其主要功能是完成对转向舵机及直流电机的控制，PID控制是一种非常成熟的控制方法，其在智能车辆控制领域有着很大的应用，但PID控制器的采样时间及各项系数对控制器调节能力影响很大，通过何种手段确定将是控制器研究的主要内容，经过大量试验最终确定了各个参数并通过了各类型路径的验证。五、进行整个智能小车进行调试，不断的测试完善。第二章 硬件电路的设计2.1 智能小车的总体设计方案硬件电路设计是智能小车的基础，其设计的好坏，不仅直接影响到小车功能的实现与否，而且对软件系统的设计也起着决定性的作用。一种好的硬件电路设计方案，可以说对整个装

25、置的设计有着事半功倍的效果8。作为能够自动识别道路运行的智能汽车，车模与控制器可以看成一个自动控制系统。它可分为传感器，信息处理，控制算法，执行机构四个部分。其中以微处理器为核心，配有传感器，执行机构及其驱动电路构成控制系统的硬件，信息处理与控制算法由运行在嵌入式处理器中的控制软件完成的。智能小车的硬件部分以车模为载体，功能模块主要包括:电源模块、直流电机驱动模块、路径识别模块、速度检测模块、微处理器模块以及调试辅助模块。其中，转向伺服电机一般由CPU直接驱动。智能车系统以STM32F103ZET6为核心，为了使智能车能够快速行驶，单片机必须把路径的迅速判断、相应的转向伺服电机控制以及直流驱动

26、电机的控制精密地结合在一起。智能小车系统结构框图如图2.1所示。 硬件电路设计包括以下五个部分： （1）电源电路。为各个模块提供电源。（2）路径识别模块。此模块的主要任务是通过传感器采集当前的道路信息，以方便智能小车根据道路情况做出实时处理。（3）直流电机驱动。对模型车上的后轮直流电机进行驱动，直流电机的驱动控制效果不好，也会造成直线路段速度上不去，弯曲路段速度过快等问题。（4）转向舵机驱动。对模型车上的舵机进行驱动，控制智能车车的方向和速度。转向伺服电机控制的失当，都会造成模型车严重抖动甚至偏离路径。（5）速度检测模块。由于实际路径存在多变性，为了使智能小车平稳地运行，智能小车采用速度闭环控

27、制系统，速度检测模块能够修正速度误差，提高智能小车路径跟踪的准确性和实时性。硬件系统电路框图如下： 图2.1智能小车系统结构框图以上模块是智能小车系统的核心模块，也是智能小车系统具备良好的性能的关键所在。而有些模块则对小车的行驶效果没有太大影响，它们只是为了增强系统功能而设计的模块，如电池监控模块，小车故障诊断模块，数据显示模块以及调试辅助模块，这些模块统称为小车系统的辅助模块，可在实际调试时选择使用。2.2 微处理器的介绍2.2.1 中央处理器STM32F103ZET6的介绍STM32F103ZET6是意法半导体有限公司（ST）生产的，相比而言STM32F103ZET6功能更完善，资源更丰富

28、，因此,我们使用STM32F103ZET6微控制器。STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核，该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Cortex-M3在系统结构上的增强，让STM32受益无穷；Thumb-2®指令集带来了更高的指令效率和更强的性能；通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速；所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。在Cortex-M3内核开发期间，意法半导体是ARM公司的一个主要合作伙伴，现在也是第一个领先的MCU供应商宣布基于这个核的产品面世。STM32

29、产品系列基于行业标准的ARM 32位精简指令结构ARM公司最新的内核Cortex-M3。Cortex-M3瞄准单片机领域和嵌入式应用，得益于其先进的结构特性，以减少的代码占用空间和行业领先的高超性能，为我们带来了一个小巧、低能耗的理想平台，将特性差异的不同应用从传统的平台引领到32位的微控制器世界。STM32的主要优点：（1）使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核；（2）优异的实时性能；（3）杰出的功耗控制；（4）出众及创新的外设；（5）最大程度的集成整合；（6）易于开发，可使产品快速进入市场；STM32F103是增强型系列，工作在72 MHz，带有片内RAM和丰富的外设。STM3

30、2F101是基本型系列， 工作在36 MHz。两个系列的产品拥有相同的片内闪存选项，在软件和引脚封装方面兼容。本文采用STM32F103是增强型系列STM32F103ZET6微处理器，完全能满足本系统的要求。它拥有3个12位模数转换器，1s转换时间(多达输入通道)；多达4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道，2个16位6通道高级控制定时器，多达6路PWM输出，带死区控制；还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C、3个SPI、2个I2S、1个SDIO、5个USART、一个USB和一个CAN；内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRA

31、M)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。这些丰富的外设配置，使得STM32F103ZET6微处理器增强型微控制器更适合于电机驱动和应用控制10。2.2.2 STM32F103系列软件开发平台意法半导体以及众多第三方为32位STM32微控制器提供了从低成本到高端的全套开发工具，包括简单易用的入门套件，完整的开发工具方案，编程工具以及嵌入式操作系统，所有这些都是为基于ARM Cortex-M3内核的STM32专门定制的。用户可从全系列开发方案中选择开发工具，它将帮助用户自始至终地在单一集成环境下完成应用开发。第三方的开发环境包含适合STM32和其它ARM内核产品的C/C+编译器和在

32、线仿真器10 11。在本系统的软件开发中采用了ARM公司于2007年推出的嵌入式开发工具MDK（Microcontroller Development Kit）,是用来开发基于ARM内核微控制器的嵌入式应用程序开发工具。MDK集ARM公司的RealView编译工具RVCT3.1和Keil公司的IDE环境uVision3两者的优势于一体，适合不同层次的开发者使用，包括专业的应用程序开发工程师和嵌入式软件开发的入门者。作为ARM嵌入式的主流开发工具，MDK也是目前为数不多的完全支持Cortex-M3处理器开发的企业级开发工具，并内含STM32F103x系列处理器片上外围接口固件库和完整的数据手册1

33、1。2.3 电源模块本小车的总电源采用两节3.7V锂电池供电，总共是7.4V的电源。小车需供电的模块包括:单片机最小系统、路径识别传感电路、车速检测传感电路、伺服转向电机电路、直流电机驱动电路。整个系统的电源供电方框图如下图2.2所示：图2.2电源模块结构图首先应该选择稳压芯片。因为电池的电压仅为7.2V而传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2V3V以上，否则就不能正常工作。 而此时若要稳压器输出+5V的电压，则输入输出的差值仅为2.2V。当电路会产生干扰波动时可能会不满足此类芯片的使用，可能会导致单片机的频繁复位，所以显然不能选用通常的78系列芯片。特别是在可

34、能会产生脉冲电流干扰的电路中，如驱动电机的干扰。我们知道电池的输出电压为U=E-IR，其中R为电池的内阻，当电机的H驱动桥电路刚接通的瞬间，会产生很大的瞬时电流。从而此时电池的输出在瞬间内会产生波动(变小)，因为当I增大，R不变，则输出U则会变小。从而可能会造成系统不能正常工作。故本系统必须选用一些LDO芯片。LDO即low dropout regulator，意为低压差线性稳压器。本小车中选定LM2576(低压差)芯片, LM2576系列的稳压器是单片的集成电路，能提供降压开关稳压器的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。本系统选定LM2576芯片的输出电压可调的型号LM2

35、576T-ADJ。由于控制器STM32采用的是3.3V的工作电压，因此，我们选择一片为控制器及其它外设供电，另一片调到6V为舵机供电，直流减速电机直接采用7.4V的电源供电。LM2576T-ADJ的封装管脚图如下图2.3所示，LM2576T-ADJ组成的可调电压输出的电路如下图2.4所示。图2.3 LM2576T-ADJ的封装管脚图图2.4 LM2576T-ADJ可调电压输出电路由图2.4所示，改变LM2576T-ADJ的4脚上的电压大小就可以改变输出电压Vout的大小,输出电压的公式如下： (式21)其中Vref=1.23V，即输出的电压Vout大于或等于1.23V，R2等于可调变阻器W1的

36、阻值，所以本电源电路的设计完全可以满足整个系统的供电要求。2.4寻迹传感器模块设计2.4.1 传感器设计方案路径识别模块是智能车控制系统的关键模块之一，它将路况的信息传送给主控制模块。路径识别方案的好坏，直接影响着小车的控制效果。在智能车控制系统中，小车有多种寻迹方案。包括光电传感器寻迹方案，单独采用摄像头寻迹方案以及摄像头寻迹与光电传感器寻迹结合在一起的寻迹方案。下面依次具体介绍前两种寻迹方案： 方案一：使用 CCD 传感器来采集路面信息。就是通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，来进行路径识别的一种寻迹方法。由于跑道只有黑白两种颜色，采用黑白图像传感器即可满足要求。使用 CCD

37、传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说，使用 CCD传感器也有其不足之处。首先使用 CCD传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为目的，实现起来工作量较大，相当繁琐12。方案二：使用光电传感器来采集路面信息。使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动

38、的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。在本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。经过综合两种方案比较，在本项目中采用红外光电传感器作为信息采集元件。，其外型如图2.5所示。其内部电路如图2.6所示。 图2.5 STl88的外观示意图 图2.6 STl88的内部电路示意图光电传感器由1个红外发射管(发射器)和1个光电二极管(接收器)构成。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体(表面为白色或近白色)后被折回，被光电二极管接收到，引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化转为电压信号，就可以被处理器接

39、受并处理，进而实现对反光性差别较大的两种颜色(如黑白两色)的识别。STl88反射式红外光电传感器具有以下特点：(1)采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。(2)检测距离可调整范围大，413ram可用。(3)采用非接触检测方式。2.4.2光电传感器的电路设计光电传感器的电路图如图2.7所示：图2.7 光电传感器的电路图采用LM339比较器电路采集光电传感器电信号并将此信号转为数字信号输出给CPU的I/O口输入。光电传感器电路中R0为红外发射管的限流电阻，当检测到黑线时，红外接收三极管处于截止的状态，从而LM339的正输入端为低电平；相反，当检测到白线时，红外接收三极管处于导通的状

40、态，从而LM339的正输入端为高电平。LM339的负输入端为基准的电压，一般调节为CPU的I/O口高电平的一半，将些基准电压与ST188采集输出的电压经LM339比较输出，从而可以识别出黑线与白线。通过调节W3可以调节光电传感器的灵敏度。2.4.3光电传感器的安装与调试寻迹传感器模块的设计是整个智能小车设计中的最重要的一部分，其作用相当于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并将其送入MCU微控制器进行数据处理，其能否正常工作直接影响着小车对路面的判断以及小车下一步的行动，因而其布局的合理性与有效性对小车稳定而又快速的行驶起着至关重要的作用。我们认为在传感器的布局中，要解决两个问题：信息检测的精确

41、度和信息检测的前瞻性。 一、寻迹传感器的布局常见的有以下几种方案：方案一：一字形布局反射式光电传感器在小车前方一字形简单排布。在一字形中传感器的间隔有均匀布局和非均匀布局两种方式，均匀布局不利于弯道信息的准确采集，通常采取的是非均匀布局。考虑到弧度信息采集的连贯性，非均匀布局的理论依据是等角度分布原则，即先确定一合适的定点，从顶点依次等角度画射线，射线与传感器水平线相交的位置即为传感器的位置。这种方案信息检测相对连贯，准确，使控制程序算法简单，小车运行连贯，稳定。方案二：M形布局 传感器呈M形排布。这种方案的优点在于拓宽了边沿传感器的检测范围，更适合于小车快速行进中的弯道检测，但相对一字形布局

42、来说，M形布局不利于信息检测的稳定，易于产生振荡，不利于小车行驶的稳定。方案三：活动式传感器布局 前面两种方案都是固定的布局方式，使传感器对赛道有一定的依赖。在这个方案中，传感器的位置是可以在一定范围内灵活排布的。这种方案的布局思路是传感器在安装板上的位置是可调的，先将传感器排布成为矩形点阵，根据不同的赛道情况而灵活地作出调整，就可以设计出不同的布局方式而适应不同的赛道。这样对不同赛道有更强的适应性。但这种方案可调性大，临时调节较难，其次机械设计中体积较大，增加了小车的重量，不利于加减速。 综上所述，本次设计采用单排共7个红外传感器等间距一字排列的方式。二、光电传感器的间距分析各个传感器的布局

43、间隔对智能车行车是有一定的影响的。道路中间黑色导引线的宽度为15mm，因此如果要求传感器不出现同时感应现象(即每次采集只出现一个传感器值为1)，那么传感器问隔就必须大于15mm。如果将间隔设计成小于15mm，从而产生更多的情况，有利于模型车与道路偏移距离的判断。此外，如果间隔过大，还会出现另一种情况，即在间隔之间出现空白。实验结果显示，传感器间隔对于过弯道的精确性以及防止飞车的能力有很大的关联。如果间隔较密，当路径有些许微小变化控制单元就能进行相应的反应(改变前轮转角)，从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性好；而对于传感器间隔较疏的小车来说灵敏性会受到一定影响，从而不能很好地跟随弯道的轨

44、迹通过。综上述分析，本系统设计光电传感器的间距为15mm。2.5车速检测电路的设计对车速进行闭环控制是至关重要的，这样才能让小车行驶在不同的路况上时准确地设定不同的速度。车速检测常用的有以下两种方案：方案一：光电对管进行测速。在车轮的内侧贴上一个光电码盘，用光电对管对码盘进行检测。光电对管照射到黑色和白色的边界时输出信号会有跳变。将跳变的输出信号经过整形后送给CPU进行检测就可以得到轮子的转速。方案二：霍尔传感器进行测速。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、

45、高精度和尽可能短的检测时间。本次小车的测速采用霍尔传感器加磁钢的方法。当霍尔传感器正对磁钢时，传感器输出低电平0.2V，否则输出高电平4.8V。注意磁钢的安装是有方向的，正确的安装磁钢才能得到所需的效果。在小车的后轮上等距间隔安装1个磁钢，由于减速电机的减速比为1:64，因此车轮每转一圈则会产生64个脉冲。若车轮的周长约为17cm，则一个脉冲到来车子所走过的距离约为17640.27cm。例如期望得到的速度为2.7m/s，CPU每间隔1秒钟读一次定时器捕获寄存器的脉冲数，则理论上对应的定时器捕获的份数应该为a=1000(这个就是系统的设定期望值)，如此时经霍尔传感捕获的时间间隔份数为1000，则

46、说明已达到设定的期望值，即偏差为0。如此时捕获的份数小于1000，说明此时电机的实际速度大于期望速度，此时就应该按照他们间的偏差来进行PID运算，得出一定PWM占空比(减小)。如此时捕获的份数大于1000，说明此时电机的实际速度小于期望速度，此时就应该按照他们问的偏差来进行PID运算，得出一定PWM占空比(增加。具体的比例关系需要在实践中调试设定。2.6减速电机驱动电路2.6.1直流PWM调速基本原理直流电机PWM调速的基本原理图如图2.8所示。可控开关S以固定的周期重复地接通和断开，当开关 S 接通时，直流供电电源 U 通过开关 S 施加到直流电机两端，电机在电源作用下转动，同时电机电枢电感

47、储存能量；当开关 S断开时，供电电源停止向电动机提供能量，但此时电枢电感所储存的能量将通过续流二极管 VD使电机电枢电流继续维持，电枢电流仍然产生电磁转矩使得电机继续旋转。开关 S 重复动作时，在电机电枢两端就形成了一系列的电压脉冲波形，如图 2.9所示。图 2.8简单直流 PWM控制 图2.9电压及电流波形电枢电压平均值的理论计算式为: (式22)其中：a为占空比，即导通时间与脉冲周期之比。 2.6.2 减速电机控制电路L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路；一种二相和四相电机的专用驱动器，内含个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2

48、A以下的电机。其引脚排列如图2.10所示，1脚和 15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。图2.10 L298N芯片L298可驱动2个减速电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。L298的逻辑功能如表1所示。表2.1 L298N的逻辑功能ENA(B)INl(IN3)IN2(IN4)电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2(IN4)同INl(IN3)快速停止LXX停止CPU输出二组PWM波，每一组PWM波用来控制一个电机的速度；另外二个IO口可以控制电机的正

49、反转，控制方法与控制电路都比较简单。减速电机驱动电路原理如图2.11所示：图中8个二极管为续流二极管，保护驱动芯片；J1为逻辑电压，接正5V；J3接控制信号输入端，与CPU的I/O口相连；J2接12V电源；J4、J5接减速电机。减速电机的控制方法如下：CPU分别输出两路PWM波送给L298N的使能端ENA和ENB用于调整电机的转速，同时采用CPU的I/O口按表2.1所示的方法控制电机的方向。在本系统中，由于采用舵机控制方向，所以只需用本电路控制电机的速度快图2.11 减速电机驱动电路慢，即让控制电机方向一直为前进方向，通过PWM控制电机速度就可以满足本系统要求。2.7转向舵机模块设计2.7.1

50、舵机的工作原理舵机也称微型伺服马达，一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速(减速)齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比越大，伺服马达的输出扭力也越大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。其原理如图2.12所示。图2.12 舵机原理图舵机工作原理：控制电路接受来自信号线的控制信号(具体信号待会再讲)，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号给控制电路，进行

51、反馈，然后控制电路根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。2.7.2舵机的控制舵机的输入线共有三条，电源、地及控制。红色在中间是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供的电源保证，主要是电机的转动消耗。电源电压通常介于4V-6V之间。舵机的控制信号为周期20ms的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0°-180°，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路

52、，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过+90°。表2.2列出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系。正常状态下舵机的工作电压范围是4.8V-6V，而我们使用的电池是7.4V的，实际上我们发现可以把电池直接接到舵机的电源接口上，即让舵机工作在7.4V的电压下，这样的话可以加快舵机的响应时间，而舵机的响应时间对于小车的控制是至关重要的。但在此工作方式下发现，电源的电压下降对舵机的正常工作的影响比较大，但电池的电

53、压下降的比较厉害之后，舵机就不能正常工作了，出现的现象是舵机转向不足。这种情况在调试过程中曾经多次出现，每次更换新电池后小车就能正常工作了。通常给舵机的调制信号是50Hz的，即周期为20ms，实际上为了加快舵机的响应时间，我们可以把舵机调制信号的频率提高到100Hz，即周期为10ms。查阅舵机的资料我们知道，当给的调制信号的高电平时间是1.5ms时，舵机输出0°。特别要注意的是，在程序中把舵机的频率提高以后，舵机的输出角度仅与高电平的表2.2舵机转角控制输入正脉冲宽度(周期为20ms)伺服马达输出臂位置0.5ms 90° 1.0ms 45° 1.5ms 0

54、6; 2.0ms 45° 2.5ms 90° 持续时间有关，而与占空比无关。即当采用100Hz，的调制信号时，只要把此时的高电平持续时间响应的设定为1.5ms，则舵机就可以正确的输出0°。2.8本章小结本章制定了智能车开发的总体方案，并分别设计了电源模块、传感器模块、舵机和直流电机驱动以及其他零部件和模型车平台。主要包括以下内容：(1)STM32系统板、光电传感器电路、车速测量电路采用LM2576提供3.3V电压，舵机电源采用LM2576提供6V电压，减速电机驱动模块直接电池与连接获得7.4V电压；(2)采用单排共7个红外传感器等间距排列的方式进行循迹和检测模型车

55、相对于引导线的偏移量；(3)经过精确测量和计算，最终确定了各硬件的结构尺寸，确定了可使用的寻线传感器和测速传感器及其附属的电路板卡和相关的连接部件。至此，智能车的硬件平台完全搭建完毕。第三章 PID控制算法的软件设计与实现3.1 PID控制原理与程序PID控制器分为模拟PID控制器与数字PID控制器，而数字PID控制器又分为位置式与增量式；PID(比例、积分、微分)控制器是建立在经典的控制理论基础上的一种控制策略。PID控制器作为最早实用化的控制器，已经有70多年的历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便、不需要精确的系统模型等先决条而成为应用最广泛的控制器22。3.1.1 模拟PI

56、D调节器模拟PID控制系统原理框图如图3.1所示。 图3.1模拟PID控制系统原理框图e(t)代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到PID控制器，控制器对误差信号e(t)分别进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算，其结果的加权和构成系统的控制信号u(t)。PID控制器的数学模型为 （式31） 式中 PID调节器的传输函数为： （式32）在本系统中，小车位置信号为y(t)，由传感器采集得到；其期望的运行位置r(t)为预先设定好的定值；输出信号u(t)可作为舵机的控制信号。PID调节器各校正环节的作用：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。控制作用的强弱取决于比例系数Kp的大小。增大比例系数将加快系统的响应速度，在有静态误差的系统中有利于减小静差，加大比例系数则能减小静差，却不能从根本上消除静差23。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。增