智能小車控制系統的設計與實現

郭勤，蔡亞永

（新疆工程學院，新疆烏魯木齊，830023 ）

1 智能小車控制系統概述

智能小車控制系統是一個綜合、復雜的系統，其既有多種技術，也含有嵌入式的軟件設備和硬件設備、圖像識別、自動控制和電力傳動、機械結構等技術知識，智能小車的控制系統主要是圍繞嵌入式控制系統進行的，將其作為操控的中心，并借助計算機系統，最終完成自動造作和控制的過程[1]。智能小車的控制系統流程圖見圖1所示。

圖1 智能小車的控制系統流程圖

2 智能小車的設計和實現

2.1 智能小車的硬件設計

硬件設計是保證智能小車平穩運行的必要條件，它關系著控制系統的精度和穩定性，因此在設計時需要用在模塊化設計思想，該研究是通過采取硬件系統K60芯片作為核心控制器，并通過圖像采集模塊和電機、舵機驅動模塊、測速模塊、電源模塊等組成硬件設計系統圖，見圖2。

圖2 硬件設計系統圖

首先，電源電路設計，該設計時智能小車的動力來源，為小車運行提供不斷的電力，一般采取7.3V、容量為2000mAh的可充電型的鎳鉻電池作為電源，但是其不能直接為控制器傳輸電力，需要在轉變電路后才可以進行傳輸。轉變電路可以保證控制器直接對電池內的電壓進行調節，保證不同模塊可以正常工作和運行，智能小車主要是依靠控制電力和電機驅動進行轉變的。

其次是K60最小系統板，在設計時需要將K60的管腳部分做成最小系統的單獨電路板，這樣可以簡化電路板的設計，促使調試更加順利，K60系統板主要由K60芯片、復位電路、時鐘電路、JTAG下載電路、電源濾波電路組成。再其次是電機驅動電路，該電路是在集成芯片的驅動下進行的，可以為控制器更其他模塊提供較大的電流最終集成電機驅動芯片，但是要特別注意這部分因為在電機驅動過程中有較大的分功率，會導致小車在進行調試時因為過大的電流導致小車電路發生堵塞現象，而使小車電路被燒毀，因此需要設計者避免這種現象，可以將驅動電路做成驅動板[2]。最后是舵機接口電路。在智能小車設計中，舵機主要保證小車可以順利轉向，因此舵機的運行電壓、轉向動作、轉向速度都是需要考慮的因素，一般選擇舵機時主要選擇Futaba3010，選擇供電電壓為6V。

2.2 智能小車的軟件設計

軟件設計主要是指小車的控制系統內的編寫和算法，其需要科學的設計程序，確?？刂葡到y可以實現及時、維護性、可調試的作用，對于軟件設計可以采取模塊化程序編寫的方式，可以將復雜的控制系統劃分為不同的簡單模塊進行。第一，是對小車進行總體軟件設計，主程序在設計時需要對不同的模塊先進行數據參數的初始化、圖像處理、路徑識別算法計算、電機控制算法計算、舵機控制算法計算等。第二，是圖像數據信息采集和處理，這需要用到攝像頭的使用原理和道路圖像的信息獲取、圖像信息的除噪音和濾波、黑線獲取、特殊路段環境的解決等功能。第三，是速度檢測模塊的軟件設計，對于智能小車，一般采取閉環控制，通過速度檢測器將小車的運行速度傳輸給控制器，促使對小車進行閉環控制，本文設計采取光電式的編碼其，確保編碼器的脈沖可以逐漸增加來提高電機的轉速，并通過設計科學的測量單位對小車的運行速度進行檢測。第四，是電機和舵機控制，該部分是智能小車軟件設計的關鍵部分，智能小車因為具有高速度，所以需要采用閉環控制提要電機和舵機的穩定性和堅固性，因此一般選擇控制算法中常用的PID控制算法。對于PID控制算法主要是運用計算機控制系統中的PID核心控制器，將其轉變為數字方程式從而進行精準計算，該算法有兩種。第五，是速度控制模型，該技術是為了縮小智能小車在設計時基本控制理念和中心擬合線之間較大的偏差，從而對速度進行控制，在反復的調整后發現，一般選擇的二次曲線模型控制效果不夠精準，因此需要對中線的偏差值進行計算，通過不同時期的速度控制來提高控制效果。第六，是電機控制算法，此算法是為了控制小車的運行速度慣性而設計的，確保小車在行駛的過程中因為自身重量或者道路環境導致車身不穩或者其它問題等，該算法也是一種閉環控制，在此過程中一般選擇遞進式的PID控制算法，并對參數進行調整后，達到最優控制效果。第七，舵機控制算法，該算法不同于電機控制算法，舵機因為內部具有反饋系統，可以確保執行有力，但是在實際中，因為計分項系數的不穩定，所以需要通過調節比例項系數和微分項系數，運用PD控制算法進行調試，保證智能小車可以穩定形勢。

2.3 控制系統的調試

此研究運用了一些硬件和軟件工具，并對設計進行了調式，促使設計者及時發現問題，為智能小車設計的真正實現奠定基礎。首先，本研究先對硬件設計進行了測試，根據硬件的設計原理和制作電路板，運用PCB繪制工具對設計圖進行還原和仿真，該繪制工具可以實現人機界面，此PCB設計是為了檢查小車的硬件設計的結構是否和小車內部的機械部分全面吻合，并確定電路板是否穩定，并檢查了芯片問題，確保不同模塊的功能完整。其次，對軟件進行了調試，主要確保軟件開發的環境可以為智能小車的開發提供程序編碼，幫助開發人員將調試技術和開發環境結合在一起，確保提高開發效率。最后也會上機位進行了調試，確保小車在運行過程中黑線數據和行駛軌跡信息可以準確獲取，一般選擇PC端離線和PC端仿真，來提高調試效率，對圖像數據信息進行采集[3]。該模式可以用來調節電機和舵機控制算法，促使其功能達到要求后，讓設計人員在調試之前時對控制算法進行了解。

3 結束語

智能小車的設計與實現，是智能交通重點研究的問題，它具有很大的市場前景，可以被廣泛應用在工程建設中和人們的日常生活中，本文研究對智能小車的內涵、智能小車的控制系統的設計和實現進行了設計，詳細的闡述了硬件設計和軟件設計，并對圖像處理算法和系統控制算法也進行了詳細的陳述。旨在為智能小車設計者提供相關的技術研究，讓智能小車在市場上被廣泛研究和實際應用，為我國汽車工業發展提供技術支持。