基于串級PID控制的三輪電磁循跡小車

程家駒　孔凡斌　王穎熙　李偉偉

關鍵詞：智能車；串級PID控制；電磁循跡；三輪車

中圖分類號：TP23；TP273+.4 文獻標識碼：A

0引言

本文以第十八屆全國大學生智能汽車競賽為背景，基于負壓電磁組設計一款快速、穩(wěn)定的三輪電磁尋跡小車。電磁組競賽的軌道中心是通有20kH／100 mA可變交流電源的漆包線，小車通過電磁感應原理，檢測漆包線產(chǎn)生的交變磁場強度，利用控制器計算實際路徑偏差以實現(xiàn)小車自動循跡。本文提出一款基于串級PID控制的三輪電磁循跡小車，利用串級控制內(nèi)外環(huán)相互配合，有效克服二次擾動，改善動態(tài)特性，提高系統(tǒng)自適應能力。

1硬件系統(tǒng)設計

1.1硬件總體結(jié)構(gòu)設計

電磁循跡小車系統(tǒng)分為九大模塊：主控制器模塊、陀螺儀模塊、運算放大器模塊、電源模塊、電感檢測模塊、編碼測速模塊、電機驅(qū)動模塊、降壓模塊、電機模塊。系統(tǒng)硬件如圖1所示。

1.2信號采集與處理模塊

為實現(xiàn)小車自動循跡功能，系統(tǒng)需要實時獲取賽道信息并進行濾波放大以及AD/DA轉(zhuǎn)換（模數(shù)／數(shù)模轉(zhuǎn)換）。賽道中心鋪設有電磁引導線。引導線是一條直徑為0.1～1.0 mm的漆包線，其中通有20 kHz、100 mA的交變電流。根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可知，與電磁引導線距離為r處的磁場強度為：

1.2.1電感排布方案

針對復雜賽道元素的特殊情況，電感的排布方案直接決定了賽道元素識別的精度。本系統(tǒng)采用如圖2所示的電感陣列，該方案無元素判斷死區(qū)，可提前判斷十字賽道元素，也較易判斷圓環(huán)賽道元素。

2軟件部分設計方案

2.1電感偏差處理策略

2.1.1軟件濾波與歸一化

車模工作時，電磁干擾、線間串擾等會對單片機采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，導致所采集電磁強度出現(xiàn)異常。為了避免信號干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響，提高系統(tǒng)魯棒性，需要進行濾波和賽道歸一化處理。

1.2.2運算放大電路

由于諧振回路輸出信號的幅值特性，本系統(tǒng)所選用的STC32G芯片無法直接對此類信號進行運算處理。因此選取德州儀器公司生產(chǎn)的OPA4377——低噪聲、低靜態(tài)電流、精密汽車級別四運放，對該信號進行運算放大與濾波處理。

1.3電機驅(qū)動模塊

驅(qū)動電路的主要作用是給小車驅(qū)動電機提供控制和動力，本文采用兩片DRV8701E組成一個H全橋電動機來驅(qū)動電路，驅(qū)動電路原理如圖3所示。

本系統(tǒng)采取軟件濾波，即對一路電感值采集5次，并對采集數(shù)據(jù)進行冒泡排序，去除最大值和最小值后取均值，均值即電感最終代入處理的有效值。此種濾波算法結(jié)合了中值濾波與均值濾波的優(yōu)點，同時節(jié)省RAM（隨機存取存儲器）資源，有效提高單片機運行速率。通過歸一化的方式，將不同賽道的電感值進行無量綱化，使有效值保持在0～100，最大限度地提高系統(tǒng)的適應能力。

2.1.2差比和差算法

經(jīng)過軟件濾波與歸一化處理得到電感值，采用差比和差算法對小車與賽道中心的偏差進行擬合，以此計算出小車位置。差比和差公式如下：

其中，LM、RM分別為左中、右中兩個電感值，L、R分別為左、右兩個電感值，A、B、C為加權(quán)參數(shù)，P為比例系數(shù)。

2.2電機控制策略

2.2.1模糊PD算法

PID控制器是一種包含比例、積分和微分3個控制單元的線性控制器，PID參數(shù)是否精準直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)。模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制方法，模糊控制器原理如圖4所示，圖中R為輸入量，e為輸入量偏差，Δε為偏差變化率，u為輸出量。模糊PD算法主要原理：根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)，計算出系統(tǒng)當前與賽道實際偏差以及偏差的變化率，將偏差與偏差率進行模糊化處理，根據(jù)提前制定的模糊規(guī)則進行參數(shù)調(diào)整，最后通過反模糊化處理輸出PID參數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)PID參數(shù)修正，最大限度地減少靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。故采取模糊PD對方向環(huán)進行控制。

2.2.2串級PID控制

由于系統(tǒng)采用三輪車模，方向控制與速度控制均通過左右兩個電機實現(xiàn)，即通過輸出不同PWM（脈寬調(diào)制）實現(xiàn)左右輪差速，進而實現(xiàn)前進、轉(zhuǎn)向等功能。故將模糊PD算法以及增量式PI算法通過串級PID控制相耦合，即將兩個控制器進行線性疊加，速度控制在方向控制的基礎上進行，速度環(huán)作為串級PID控制系統(tǒng)外環(huán)，方向環(huán)作為內(nèi)環(huán)。在定時器中將外環(huán)速度環(huán)設定為15 ms進行一次處理，將內(nèi)環(huán)方向環(huán)設定為5 ms進行一次方向處理，內(nèi)外環(huán)參數(shù)相互配合。串級PID控制如圖5所示。

3結(jié)語

本文以三輪電磁尋跡小車為研究對象，對小車的整體系統(tǒng)進行介紹。改進傳統(tǒng)PID算法，將模糊PD算法和增量式PI算法通過串級PID控制相耦合，有效提高三輪車的控制穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)魯棒性。經(jīng)過硬件設計、車模搭建、算法設計、程序編寫實現(xiàn)了小車預期功能，驗證了該方案可行性。