基于S12的光電式自動(dòng)尋跡車的設(shè)計(jì)

如圖2所示，賽車的偏距大小為e，當(dāng)檢測(cè)到黑線點(diǎn)數(shù)0＜Point≤2時(shí)，如式1所示：
式1
智能車的方向控制

智能車的前進(jìn)方向主要取決于賽道與賽車的偏距大小e，由圖2可知，為前輪轉(zhuǎn)角；y為傳感器距賽車前軸間距。則賽車的前進(jìn)方向轉(zhuǎn)角應(yīng)為。舵機(jī)安裝在前軸中心上方，通過轉(zhuǎn)向連桿帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向。由于舵機(jī)采用位置伺服電動(dòng)機(jī)，其輸出轉(zhuǎn)角與給定的PWM脈寬成線性關(guān)系，PWM控制信號(hào)高電平的寬度決定舵機(jī)輸出舵盤的角度。

由于舵機(jī)是一個(gè)大的延遲環(huán)節(jié)，不需要加控制算法。為了提高響應(yīng)速度，采用直接查表法控制轉(zhuǎn)角，即對(duì)應(yīng)不同偏距e按比例關(guān)系設(shè)定一個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)向表，行駛中直接查表得到需要的轉(zhuǎn)角值，盡量消除了舵機(jī)執(zhí)行延遲造成的影響。當(dāng)Point＞2時(shí)（路徑交叉線），保持原有轉(zhuǎn)角值。

速度控制

智能車的速度控制比較復(fù)雜，在行駛中，不僅要求驅(qū)動(dòng)車輪有合理的瞬時(shí)速度，還要求速度變化細(xì)致平滑，“出彎立刻加速，入彎立刻減速”。即賽車位于直道時(shí)設(shè)置較高的車速，保證賽車有充足的加速空間；賽車在彎道時(shí)，應(yīng)該隨著賽道曲率半徑的不同改變車速，避免沖出賽道。車速控制一般采用PID閉環(huán)控制，輸出量u(t)和偏差 e(t)如式2所示：
式2

其中kp，ki ，kd 分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。 kp的作用是對(duì)偏差做出的影響，使系統(tǒng)向減少偏差的方向變化。 ki的作用是消除系統(tǒng)靜差，但ki 增加太大不利于減少超調(diào)、減少震蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，系統(tǒng)靜差的消除反而減慢。 kd的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)，但是對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。

運(yùn)用PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整三個(gè)比例系數(shù)，即參數(shù)整定。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。
為使問題簡化，根據(jù)齊格勒—尼柯爾斯經(jīng)驗(yàn)公式，可將PID控制算法簡化為關(guān)于kp的歸一參數(shù)公式。所以賽車車速計(jì)算公式設(shè)計(jì)如式3所示：

Sst_speed=high_speed-e×kp式3
式3中：Set_speed——賽車車速，high_speed——直道設(shè)定最高車速， kp——比例系數(shù)。考慮到賽場(chǎng)環(huán)境的不同，在單片機(jī)中預(yù)存一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)kp，通過撥碼開關(guān)進(jìn)行選擇。

結(jié)束語

本文提出了一種基于紅外線光電傳感器尋跡的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)采用MC9S12XSl28單片機(jī)做主控制器，直流電機(jī)作執(zhí)行元件，對(duì)智能車進(jìn)行了關(guān)鍵設(shè)計(jì)與分析，提出了連續(xù)檢測(cè)濾波處理的消除干擾方式。通過編寫程序先對(duì)所用到的模塊進(jìn)行初始化，并通過對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器或狀態(tài)寄存器的讀寫，實(shí)現(xiàn)期望的功能。
完成后在中間粘貼黑色引導(dǎo)線的白色KT板制成的車道上對(duì)智能車進(jìn)行了測(cè)試,表明智能車在直道上可以達(dá)到很高的速度和穩(wěn)定性，在彎道上控制好車速，智能車也能平穩(wěn)地運(yùn)行。