一種比例調節(jié)轉速差的Arduino小車設計

王慧+華成

摘要：針對小車運行中因路面摩擦、機械結構等外界因素影響，運動路線出現偏移的問題，提出了閉環(huán)調節(jié)車輪轉速的設計方法。系統使用Arduino控制板采集左右車輪轉速，經過比例調節(jié)計算后對一側車輪驅動進行修正，小車能實現兩側車輪同速運行，結果表明：基于Arduino控制的車速采集與反饋調節(jié)系統開發(fā)靈活，成本低，對基于算法的運動控制系統研究有一定推廣價值。

關鍵詞：Arduino；直流電機；PWM；PID

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：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動控制模式，其優(yōu)點是軟件與硬件設計都較為簡單，只需要由單片機產生驅動信號，再經H橋驅動電路即可實現小車運行，但缺點是在實際運行過程中小車不能根據外在因素變化及時對小車的運行姿態(tài)進行調整。如兩側電機傳動差異性、車輪摩擦阻力、路面平整度等因素都會影響小車的運動姿態(tài)，小車不能及時修正偏差導致偏離預定軌道。

閉環(huán)控制是自動控制系統中另一種控制方式，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，系統利用負反饋產生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，具有較強的抗干擾能力。無需人工干預便可以完成預期所要達到的目標，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統[1-4]。

本設計采用閉環(huán)控制方式，在傳統小車驅動基礎上增加了測速反饋裝置，采用比例調節(jié)算法對小車驅動信號進行PID調節(jié)，使小車左右輪的轉速一致，實現小車受外部因素影響產生的偏差能實時被修正，小車能有效的減少外部環(huán)境因素的干擾[5-6]。

1 系統整體設計

本系統設計基于Arduino核心控制，通過外部中斷方式對編碼器脈沖計數并計算出左右兩側車輪轉速，單片機根據兩側轉速差實時調節(jié)輸出轉速控制信號。系統設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計

系統硬件主要包括核心控制電路Arduino板、小車電機驅動電路、車輪測速傳感器模塊。系統由7.2V大容量鋰電池經各穩(wěn)壓模塊向相應電路提供電源。

2.1 核心控制電路

Arduino是源自意大利的一個人機互動產品開發(fā)平臺，它的出現大大降低了交互設計的門檻。Arduino的硬件平臺包括基于AVR單片機的主控板及各種功能擴展板，擴展板利用主控板的I/O口實現數據的獲取及輸出。功能擴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]，本設計中使用了電機驅動模塊及測速模塊。

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

2.2 電機驅動電路

由于電機工作時電流遠高于Arduino開發(fā)板I/O口輸出電流，設計中采用驅動芯片L298N的雙H橋電機驅動控制模塊，該模塊驅動電壓范圍為：+5V～+35V，驅動電流峰值可達2A。L298N驅動模塊既可以用來驅動直流電機，實現直流電機的正反轉控制及調速功能，還可以用來控制步進電機[8]。本設計用L298N驅動小車左右兩個輪子的直流電機，通過小車左右直流電機狀態(tài)組合實現小車的前進、后退、停止及左右轉彎。L298N用于直流電機驅動的引腳邏輯關系如表1所示。

2.3 光電編碼測速電路

為了實現小車的閉環(huán)控制，需要對小車左右兩側車輪的轉速實時跟蹤檢測，光電脈沖編碼器憑借其在價格和性能方面的優(yōu)勢一直是轉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成，測速時碼盤的透光區(qū)、不透光區(qū)分別用1和0表示。設定測量時間為1S，計取轉速傳感器發(fā)生的脈沖個數M（即頻率），脈沖發(fā)生器每轉輸出P個脈沖，被測電機轉速為V（r/min），則電機的實際轉速值V=60M/P，由此可見電機轉速的快慢和脈沖的頻率成線性關系。設計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經調整電路后輸出至Arduino開發(fā)板，形成閉環(huán)系統。endprint

3 程序設計

程序設計的任務是按下小車前進、后退、停止鍵，使小車通過L298P直流電機驅動板驅動直流減速電機按照設定的PWM值運行。Arduino采集左右兩車輪電機內側編碼器脈沖信號，并處理成電機轉速信息，計算出兩電機的轉速差，根據轉速差，進行PID比例調節(jié)以增大或減小右車輪電機驅動PWM值，從而達到左右車輪轉速一致，左右兩車輪轉速值通過小車上數碼管顯示。

3.1 外部中斷測量轉速

為程序編寫方便，且不占用CPU資源，設計時將左右兩側車輪的光電編碼脈沖作為外部中斷輸入。在中斷函數編寫時，考慮到光電信號有可能受到外界干擾，因此在當2次中斷之間的時間大于5ms時，才認為是一次有效計數，而當計時時間達到1s時，暫時關閉中斷計數。本小車使用的光電編碼盤是12個光柵，以左輪為例，計算速度及送數碼管顯示程序如下。

rpm1 =（float）count1*60/12；//小車左車輪電機轉速

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

rpm1_LOW=rpm1%256；

3.2 比例調節(jié)算法

程序設計中的核心部分就是小車車速的PID比例調節(jié)算法，設左輪轉速為rpm1，右輪轉速為rpm2，右輪電機驅動PWM值為PWM_right，經過多次測試，比例系數在0.4較為合適，調節(jié)公式如表達式1所示。

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

左右電機的轉速差乘以比例因子0.4疊加到上一次PID計算得到的PWM_right，就得到了當前右電機PWM功率值PWM_right。如果左電機轉速rpm1比右電機轉速rpm2要低，則從算式中可以看到，會自動減小右電機功率值PWM_right，通過循環(huán)執(zhí)行Arduino程序中PID調節(jié)，可以使兩電機轉速達到一致。

4 小車運行分析

實驗用的是5V的直流電機，驅動電路L298n采用7.5V電源供電，當PWM=255（占空比=100%）時，測得電機轉速（最大值）為264R/S，其他PWM參數條件下實驗數據如表2所示。

通過對小車的調試運行，驗證了本設計的比例調節(jié)控制算法運行達到預計要求，實現了自動調速功能。

參考文獻

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[9]呂云芳，等.基于C51高級語言程序控制的智能循跡小車設計與實現[J]實驗室研究與探索，2015，34（3）；142-145.endprint