一種比例調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速差的Arduino小車設(shè)計(jì)

王慧+華成

摘要：針對小車運(yùn)行中因路面摩擦、機(jī)械結(jié)構(gòu)等外界因素影響，運(yùn)動(dòng)路線出現(xiàn)偏移的問題，提出了閉環(huán)調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)使用Arduino控制板采集左右車輪轉(zhuǎn)速，經(jīng)過比例調(diào)節(jié)計(jì)算后對一側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)進(jìn)行修正，小車能實(shí)現(xiàn)兩側(cè)車輪同速運(yùn)行，結(jié)果表明：基于Arduino控制的車速采集與反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)開發(fā)靈活，成本低，對基于算法的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究有一定推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Arduino；直流電機(jī)；PWM；PID

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0196-02

An Arduino Car Design by Proportional Adjustable Speed Difference

Wang Hui，Hua Cheng

（JiangYin Polytechnic College，JiangSu JiangYin 214400）

Abstract：For the problem of the movement route offset which because of road friction、mechanical structure and other external factors during the car running，the design method of closed - loop wheel speed is proposed. The system uses Arduino to collect the left and right wheel speeds，after the proportional adjustment calculation， one side wheel drive is modified，car can achieve both sides of the wheel at the same speed，the results show that the speed acquisition and feedback control system based on Arduino control is flexible and the cost is low，It is of great value to study the motion control system based on algorithm.

Key Words：Arduino；DC motor；PWM；PID；

開環(huán)控制是簡易小車常采用的運(yùn)動(dòng)控制模式，其優(yōu)點(diǎn)是軟件與硬件設(shè)計(jì)都較為簡單，只需要由單片機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號，再經(jīng)H橋驅(qū)動(dòng)電路即可實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行，但缺點(diǎn)是在實(shí)際運(yùn)行過程中小車不能根據(jù)外在因素變化及時(shí)對小車的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。如兩側(cè)電機(jī)傳動(dòng)差異性、車輪摩擦阻力、路面平整度等因素都會(huì)影響小車的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，小車不能及時(shí)修正偏差導(dǎo)致偏離預(yù)定軌道。

閉環(huán)控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)中另一種控制方式，是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)、參與控制的控制方式，系統(tǒng)利用負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。無需人工干預(yù)便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的目標(biāo)，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)[1-4]。

本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制方式，在傳統(tǒng)小車驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)上增加了測速反饋裝置，采用比例調(diào)節(jié)算法對小車驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使小車左右輪的轉(zhuǎn)速一致，實(shí)現(xiàn)小車受外部因素影響產(chǎn)生的偏差能實(shí)時(shí)被修正，小車能有效的減少外部環(huán)境因素的干擾[5-6]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于Arduino核心控制，通過外部中斷方式對編碼器脈沖計(jì)數(shù)并計(jì)算出左右兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速，單片機(jī)根據(jù)兩側(cè)轉(zhuǎn)速差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速控制信號。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括核心控制電路Arduino板、小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、車輪測速傳感器模塊。系統(tǒng)由7.2V大容量鋰電池經(jīng)各穩(wěn)壓模塊向相應(yīng)電路提供電源。

2.1 核心控制電路

Arduino是源自意大利的一個(gè)人機(jī)互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，它的出現(xiàn)大大降低了交互設(shè)計(jì)的門檻。Arduino的硬件平臺(tái)包括基于AVR單片機(jī)的主控板及各種功能擴(kuò)展板，擴(kuò)展板利用主控板的I/O口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取及輸出。功能擴(kuò)展模塊包括按鍵模塊、超聲測距傳感器模塊、溫度濕度傳感器模塊、RF無線傳輸模塊及各類顯示輸出模塊等[7]，本設(shè)計(jì)中使用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及測速模塊。

Arduino較傳統(tǒng)單片機(jī)開發(fā)優(yōu)勢明顯，如本小車轉(zhuǎn)速控制使用的PWM信號可由帶有模擬輸出功能的特殊數(shù)字口直接輸出、車輪轉(zhuǎn)速編碼器脈沖易于采集等。本設(shè)計(jì)采用的是Arduino家族中性價(jià)比最高的UNO版本，該控制板數(shù)字口2、3腳是外部中斷口，數(shù)字口5、6腳可直接輸出占空比可調(diào)的PWM信號。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于電機(jī)工作時(shí)電流遠(yuǎn)高于Arduino開發(fā)板I/O口輸出電流，設(shè)計(jì)中采用驅(qū)動(dòng)芯片L298N的雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊，該模塊驅(qū)動(dòng)電壓范圍為：+5V～+35V，驅(qū)動(dòng)電流峰值可達(dá)2A。L298N驅(qū)動(dòng)模塊既可以用來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速功能，還可以用來控制步進(jìn)電機(jī)[8]。本設(shè)計(jì)用L298N驅(qū)動(dòng)小車左右兩個(gè)輪子的直流電機(jī)，通過小車左右直流電機(jī)狀態(tài)組合實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、停止及左右轉(zhuǎn)彎。L298N用于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的引腳邏輯關(guān)系如表1所示。

2.3 光電編碼測速電路

為了實(shí)現(xiàn)小車的閉環(huán)控制，需要對小車左右兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)跟蹤檢測，光電脈沖編碼器憑借其在價(jià)格和性能方面的優(yōu)勢一直是轉(zhuǎn)速檢測電路的常用器件[9]。光電脈沖編碼器主要由碼盤和光電檢測裝置構(gòu)成，測速時(shí)碼盤的透光區(qū)、不透光區(qū)分別用1和0表示。設(shè)定測量時(shí)間為1S，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生的脈沖個(gè)數(shù)M（即頻率），脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出P個(gè)脈沖，被測電機(jī)轉(zhuǎn)速為V（r/min），則電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值V=60M/P，由此可見電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢和脈沖的頻率成線性關(guān)系。設(shè)計(jì)中采用的單路槽型光電編碼測速模塊如下圖2所示，測速模塊的輸出信號OUT經(jīng)調(diào)整電路后輸出至Arduino開發(fā)板，形成閉環(huán)系統(tǒng)。endprint

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)的任務(wù)是按下小車前進(jìn)、后退、停止鍵，使小車通過L298P直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)按照設(shè)定的PWM值運(yùn)行。Arduino采集左右兩車輪電機(jī)內(nèi)側(cè)編碼器脈沖信號，并處理成電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，計(jì)算出兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差，根據(jù)轉(zhuǎn)速差，進(jìn)行PID比例調(diào)節(jié)以增大或減小右車輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM值，從而達(dá)到左右車輪轉(zhuǎn)速一致，左右兩車輪轉(zhuǎn)速值通過小車上數(shù)碼管顯示。

3.1 外部中斷測量轉(zhuǎn)速

為程序編寫方便，且不占用CPU資源，設(shè)計(jì)時(shí)將左右兩側(cè)車輪的光電編碼脈沖作為外部中斷輸入。在中斷函數(shù)編寫時(shí)，考慮到光電信號有可能受到外界干擾，因此在當(dāng)2次中斷之間的時(shí)間大于5ms時(shí)，才認(rèn)為是一次有效計(jì)數(shù)，而當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到1s時(shí)，暫時(shí)關(guān)閉中斷計(jì)數(shù)。本小車使用的光電編碼盤是12個(gè)光柵，以左輪為例，計(jì)算速度及送數(shù)碼管顯示程序如下。

rpm1 =（float）count1*60/12；//小車左車輪電機(jī)轉(zhuǎn)速

rpm1_HIGH=rpm1/256；//把轉(zhuǎn)速值分解為高字節(jié)和低字節(jié)送顯示

rpm1_LOW=rpm1%256；

3.2 比例調(diào)節(jié)算法

程序設(shè)計(jì)中的核心部分就是小車車速的PID比例調(diào)節(jié)算法，設(shè)左輪轉(zhuǎn)速為rpm1，右輪轉(zhuǎn)速為rpm2，右輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM值為PWM_right，經(jīng)過多次測試，比例系數(shù)在0.4較為合適，調(diào)節(jié)公式如表達(dá)式1所示。

PWM_right=（float）PWM_right+（rpm1-rpm2）*0.4 （1）

左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速差乘以比例因子0.4疊加到上一次PID計(jì)算得到的PWM_right，就得到了當(dāng)前右電機(jī)PWM功率值PWM_right。如果左電機(jī)轉(zhuǎn)速rpm1比右電機(jī)轉(zhuǎn)速rpm2要低，則從算式中可以看到，會(huì)自動(dòng)減小右電機(jī)功率值PWM_right，通過循環(huán)執(zhí)行Arduino程序中PID調(diào)節(jié)，可以使兩電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一致。

4 小車運(yùn)行分析

實(shí)驗(yàn)用的是5V的直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路L298n采用7.5V電源供電，當(dāng)PWM=255（占空比=100%）時(shí)，測得電機(jī)轉(zhuǎn)速（最大值）為264R/S，其他PWM參數(shù)條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

通過對小車的調(diào)試運(yùn)行，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的比例調(diào)節(jié)控制算法運(yùn)行達(dá)到預(yù)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)速功能。

參考文獻(xiàn)

[1]張傳真.Arduino無線視頻監(jiān)控小車設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2013，36（10）：19-22.

[2]周賽賽.基于Wifi的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014：79-85.

[3]徐璐.智能小車設(shè)計(jì)[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，29（6）：43-46.

[4]Richard Blum.Arduino 程序設(shè)計(jì)指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：203-208.

[5]姚漢.Arduino 開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南--STM32篇[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：99-102.

[6]黃文凱.Arduino 開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南--機(jī)卷器人[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：222-229.

[7]左義海創(chuàng)客從0到--基于Arduino設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016：93-98.

[8]朱志強(qiáng).基于MATLAB_Simulink閉環(huán)小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2016，（28）；49-52.

[9]呂云芳，等.基于C51高級語言程序控制的智能循跡小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（3）；142-145.endprint