基于PID算法的智能競速小車設計與實現*

陶玉貴 ，胡 飛

（蕪湖職業技術學院信息與人工智能學院，安徽 蕪湖 241006）

全國大學生智能汽車競賽是教育部倡導的課外學術科技A類競賽，其被列入國家教學質量與教學改革工程資助項目，是涉及機械、電子、計算機、自動控制等多學科知識的綜合性專業競賽，已成為培養學生工程實踐能力的重要平臺[1]。課題組以STC8A8K64S4A12作為主控制單元，運用PID控制理論進行智能控制策略研究，設計了一種能夠自主識別道路的智能競速小車，可以完成對車模平衡、速度、方向的控制。測試結果證明，該小車具有控制精確、轉向靈敏等優點，提高了車速和車速控制的穩定性。

1 系統總體設計

課題組設計的智能競速小車主要由傳感檢測、控制決策和動力驅動三部分組成，自主設計的六路電磁傳感器模塊負責采集賽道信息，控制決策系統使用搭載STC8A8K64S4A12的最小核心板，控制動力系統驅動舵機轉角和直流電機轉速[2]。電磁傳感器檢測賽道信息并發送給單片機，通過計算左右電感的偏差值來計算PID，輸出量分別發送給舵機和電機，編碼器采集并輸出速度信息反饋給主控單片機，主控單片機根據所獲得的賽道信息和車體當前速度信息做出決策，通過PWM信號控制直流電機和舵機進行相應調整，從而實現車體的轉向控制和速度控制，控制小車平穩行駛。智能競速小車系統總體結構框架如圖1所示。

圖1 小車總體結構框架圖

2 硬件系統設計

2.1 單片機核心板模塊

選用STC8A8K64S4A12為主控的核心板，該核心板結構簡單，調試方便，支持串口ISP調試方式，能夠應對復雜的控制需求，板載USB-TTL232，可使用USB供電及下載程序。核心板采集賽道電磁信號和編碼器檢測到的速度信息，通過PID算法處理后輸出合適的控制量，再對舵機與直流電機模塊進行精準控制，實現小車快速平穩運行。

2.2 電感的排布與安裝

電感采集賽道信息，排布位置主要考慮檢測范圍能否覆蓋到整個賽道，同時將賽道的各類元素進行準確劃分，考慮到賽道元素的多樣性，對于特殊元素的判斷要聯合使用多個電感。水平電感有助于直道循跡，八字電感有助于過彎，豎直電感在普通賽道上的電感值很小，但在環島部分會突增。根據右手螺旋定則，因三岔口中間部分有斷層，當電感垂直向下時更利于小車判斷三岔口。次外側兩個水平電感用于判斷直道，最外面兩端的豎直電感用于判斷入環和出環，在電磁桿的中心位置放置兩個垂直向下電感用于三岔路口判斷[3]。電感排布檢測方案圖如圖2所示。

圖2 電感排布方案圖

2.3 電源模塊

電源模塊所采用的是主供電電壓7.2 V的鎳鉻電池，針對各部分傳感器及驅動板分別設計穩壓電路。對于單片機和傳感器模塊，選用AMS1117轉5 V后對其供電，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 5 V穩壓電路原理圖

舵機的供電選用LM2596S芯片，在6 V供電的情況下輸出1 A以上的電流，使舵機的反應更靈敏。6 V穩壓電路原理圖如圖4所示。

圖4 6 V穩壓電路原理圖

2.4 電機驅動模塊

電機驅動電路采用雙BTN7971B大電流H橋雙路電機驅動[4]，電機選用耐久度高、驅動力強勁的RS380直流電機，緩沖器選用三態輸出的8通道的SN74HC244。電機驅動電路原理圖如圖5所示。

圖5 BTN7971B驅動電路原理圖

2.5 運放模塊

運放模塊選用集成運放LMV358芯片，其具有失真小、范圍大、性價比高等特點。LMV358運放電路對電磁傳感器檢測的信號進行濾波、放大、檢波，得到直流電壓信號，經單片機AD采集獲得正比于感應電壓幅值的數值，輸出信號穩定。運放模塊電路原理圖如圖6所示，運放模塊實物圖如圖7所示。

圖6 運放模塊電路原理圖

圖7 運放模塊實物圖

2.6 速度檢測模塊

小車通過加裝編碼器來檢測速度實現閉環控制，通過對小車電路性能和機械結構的考量，選用龍邱科技512線mini編碼器[5]。這是一款512線增量式編碼器，具有質量輕、體積小等特點，工作電壓為3.3 V～5.0 V，CMOS輸出。工作時，單片機讀取編碼器輸出一定周期的脈沖數，實現速度的檢測，為閉環反饋控制提供數據。

2.7 舵機驅動電路

舵機驅動模塊控制舵機的轉向，舵機型號選用Futaba S3010，其具有精度高、壽命長、扭矩大等特點。舵機安裝直接關系到轉向問題，若調整不到位，將極大地限制轉向角度和轉向響應速度。智能競速小車整車圖如圖8所示。

圖8 智能競速小車整車圖

3 系統軟件設計

3.1 程序結構流程圖

程序設計主要采用順序結構，減小任務之間的相互影響以提高智能競速小車的穩定性和執行效率[6]。一方面，完成傳感器信號的采集與處理、舵機PWM輸出、電機PWM輸出，這三項在一個周期定時中斷，設置一個標志變量作為執行周期的標志。另一方面，完成賽道各元素識別、小車運行時的方向控制與速度控制、小車運行流程控制（包括程序初始化、啟動與結束、狀態監控等），在主程序中完成。程序結構流程圖如圖9所示。

圖9 程序結構流程圖

3.2 電磁信號采樣處理

電感值的處理采用限幅法，減少突變，用左右兩個電感進行循跡。濾波算法采用限幅、算術平均值濾波、歸一化相結合的方法，對電磁信號進行穩定性處理，以保證采集到的信號的實時性和可靠性。

3.3 增量式PID算法

PID控制是應用最為廣泛的一種自動控制器，智能車中常用增量式和位置式兩種算法對車身進行控制，此處選擇增量式PID算法，輸出控制量的相對增量Δuk，其算法公式如下：

在運用增量式PID算法進行控制時，使用前中后3次測量的偏差得出控制量，通過調節Kp、Ki、Kd這3個參數來改善控制效果[7]。PID閉環控制流程圖如圖10所示。

圖10 PID控制流程圖

3.4 舵機控制算法

智能車轉向具有較高的實時性要求，通常采用舵機控制。舵機是一種由不同脈寬的PWM信號來控制的位置伺服系統[8]，在控制策略上采用增量式PID算法。但引入積分環節會使舵機轉向系統產生遲滯性，方向控制不需要消除系統靜態誤差，為了使舵機轉向系統不產生遲滯性，需要將PID算法中的積分環節略去，只用PD控制，舵機控制整體流程圖如圖11所示。若PWM脈寬過大會導致舵盤旋轉角度超出其機械限位，因此要對PD控制器的輸出進行限幅處理[9]。

圖11 舵機控制流程圖

3.5 電機控制算法

有效控制智能小車速度的一種方法是利用負反饋產生的偏差信號，通過控制器對被控對象進行實時修正，使系統的輸出量與給定量保持一致，實現速度閉環控制[10]。因此，電機控制也采用增量式PID算法作為閉環控制，將其放入定時器中斷，在中斷中用左右兩個編碼器分別測出實時速度，使速度控制更加精確。電機速度閉環控制流程圖如圖12所示。

僅僅靠舵機并不能很好地使小車精確轉彎，在調試過程中還需要分別控制兩個電機的目標速度，通過左右電機的差速輔助競速小車轉彎。

4 結語

課題組設計了一種基于PID算法的智能競速小車，并從系統軟硬件兩方面詳細闡述了該設計方案，有效實現了對智能競速小車運行平穩、精確控制的目的。在軟件算法上大膽創新，在保證其穩定的同時，力求突破智能車速度的極限，總體提高了車速和車速控制的穩定性，可以應用于學生日常實驗教學和其他研究領域。