基于單片機的智能車速度控制系統

陶佳

摘要：本文重點介紹了基于光電自動尋線智能車的速度控制系統的設計，包含直流電機的驅動模塊、速度檢測模塊、速度控制策略、速度控制周期等部分。采用兩片MC33886芯片來驅動電機運行，用反射式紅外對管檢測電機速度，實現對電機的閉環控制，通過大量的試驗，最終速度控制策略采用了增量式PID控制和BangBang控制相結合的方法，并創新性地使用兩個中斷相結合的方法使得速度控制周期為等時的，從而對智能車過彎速度達到良好的控制。

關鍵詞：速度控制；增量式PID控制；BangBang控制；控制周期

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.010

引言

在智能車制作中，利用ATmega16單片機作為核心控制單元，以攝像頭為路徑識別傳感器，分別設計控制系統，使得模型汽車能夠自動準確地按照規定的橢圓路線行駛，速度控制是智能車控制系統最核心的部分之一，本文就如何設計智能車速度控制系統做了詳細介紹。

智能車速度控制系統包含電機驅動模塊，速度檢測模塊，速度控制策略，速度控制周期等，如圖1所示：

1 電機驅動模塊

系統所用電機是RS-380型號的直流電動機，其額定工作電壓為7.2V，能輸出0.9-40W的功率。使用兩片MC33886芯片并聯來驅動電機，其中MC33886為H橋式電源開關IC，該IC結合內部控制邏輯、電荷泵、柵極驅動器、MOSFET輸出電路，可工作在5-40V電壓范圍內。通過PWM信號調節輸出，進而調節電機轉速，PWM的控制頻率為1KHz，PWM23可用于正轉控制，PWM45可用于反轉控制，OUT1和OUT2接于直流電機上，用來實現在直道時快速加速，彎道實現反轉剎車來快速減速。電路圖如圖2所示。

2 速度檢測模塊

2.1 速度檢測硬件

直流電機的速度的檢測方案是：用MATLAB自制黑白相間且均勻等分的編碼盤，如圖3（a）所示。將編碼盤黏貼于圓盤上，當圓盤隨著齒輪轉動時，利用反射式紅外對管ST188接收強弱交替變化的反射光，再通過I/O口將高低脈沖電平傳給單片機的輸入捕捉中斷中進行計算。自制測速裝配圖和速度檢測模塊原理圖分別如圖3（b）和如圖3（c）所示。

該方案具有成本低廉、制作容易、負荷小的優點，配合單片機的輸入捕捉功能可以實現高精度的速度采集。

2.2 速度的計算

方案中的數字測速的計算方法是采用T法。T法是指在兩個相鄰的輸入脈沖的間隔時間T內，用一個計數器對高頻基準信號的脈沖數進行計數，由計數值來計算轉速，原理圖如圖4所示。

計算公式推導：設計碼盤格數為40，旋轉一周能產生20個脈沖。高頻基準信號是通過對系統時鐘1 28分頻獲得，實際頻率f0=24M/128=187.5KHz。在T法測速中，測速時間T是用計數器所得的基準信號脈沖個數M2來計算的，即T= M2/f0，對應后輪轉速為：n=2/ZT=2fO/ZM2，經測量小車的后輪周長為17cm，所以小車速度的計算公式如式（1）所示：

3 速度控制策略

3.1 增量式PID控制，2l

本方案采用增量式PID來使智能車能夠勻速穩定地行駛，增量式PID的速度檢測信號M2高頻基準信號T計算公式如式（2）所示：

3.2 BangBang控制

BangBang控制的思想是：定義速度誤差e_n為給定速度減去反饋速度，當e_n大于設定值e_k時，就強制輸出一個最大值Um。，；反之，如果速度誤差e_n小于設定值（-e_k）時，就強制輸出一個最小值Umax 在速度誤差較大時，Bang_Bang調節比PID調節響應速度更快、更及時。計算公式如式3所示。式中e_n為給定速度減去反饋速度的差值。

3.3 增量式PID控制配合BangBang控制

為了實現，在賽道曲率變化不大時且智能車高速勻速穩定行駛，采用增量式PID控制。在從直道行駛入彎道時，智能車能夠很快地反轉剎車，降低速度，從而良好通過彎道：在彎道進入直道時，智能車能夠很快地提高速度，以高速在直道上行駛。我們采用的速度控制策略是增量式PID控制配合Bang_Bang控制，當給定速度與反饋速度相差不大時，采用增量式PID控制，當給定速度與反饋速度相差較大時， 采用Bang_Bang控制，計算公式如式4所示：

4 速度控制周期

采用的控制周期方案是：

測速程序是通過單片機的輸入捕捉中斷來完成的，即車輪每轉一周（0.17m），將產生20次中斷，在這20次中斷過程中，能運行20次的速度檢測，如果按照平均車速1 .8m/s計算的話，那么每一次輸入捕捉中斷的時間為：0.17/（18×20）=4.7ms，也就是每隔4.7ms得到一個反饋速度。

速度控制程序是指單片機每隔一定時間（如lOms）根據給定的速度和反饋速度進行速度的閉環控制。反饋速度是通過上面的輸入捕捉中斷方式讀取，給定速度通過查詢方式獲得。速度控制程序在定時中斷程序中執行，而定時中斷是通過模數遞減計數器來實現的。

這樣程序在運行中存在兩個中斷，并且輸入捕捉中斷優先級高于模數遞減計數器的定時中斷。輸入捕捉的頻率為定時中斷的兩倍，這樣，每執行一次定時中斷，反饋速度有兩個值，由于兩個值的時間間隔比較短，取前一次的值代表當前速度，并且測速程序執行所占有的時間極短，因此輸入捕捉中斷對速度控制程序的影響不大。

等時控制是指控制程序每隔一定時間執行一次，等距控制是指控制程序每隔一定的距離執行一次，由于控制周期不受車速控制，所以等時控制優于等距控制。方案一采用自制的用反射式紅外對管測速，價格便宜，但控制周期是等時的：方案二采用旋轉編碼器測速，價格昂貴，但測速精度相對高，控制周期是等時的。我們的方案用反射式紅外對管測速，價格便宜，控制周期是等時的。電機速度控制的流程圖如圖5所示。

5 仿真結果

圖6為己制作完成的智能車實物照片，我們在自制的跑道上進行了實際測試，得出以下試驗結果：獲取了一組比較好的PID參數，Kp=50，K1=3，KD=4，在該參數下，智能車能夠得到較快、較好且平穩的速度。當速度誤差e。（給定速度減去反饋速度的差值）大于70cm/s時，電機驅動輸出U_n為90%的占空比；當速度誤差e。（給定速度減去反饋速度的差值）小于-70cm/s時，電機驅動輸出U_n為10%的占空比。在PID和BangBang控制下速度變化范圍較大，實現了快速加速，快速剎車。

6 結論

經過大量的實驗調試，智能車在基于兩片MC33886并聯組成的驅動上，能夠實現良好的電機正轉和反轉控制。通過使用反射式紅外管能夠比較穩定和精確地檢測速度，計算速度。用于測速的輸入捕捉中斷和用于速度控制定時中斷兩個相結合能夠很好地實現控制周期等時。使用的PID和BangBang的結合的控制策略，通過不斷調試，選擇合理的參數，實現了智能車根據路徑識別來閉環調節速度，在賽道曲率變化不大時的勻速行駛，在賽道曲率突變時的速度急增急減的效果，并且智能夠使智能車長時間的良好運行，印證了該方法的可靠和有效。

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