智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

郭勤，蔡亞永

（新疆工程學(xué)院，新疆烏魯木齊，830023 ）

1 智能小車控制系統(tǒng)概述

智能小車控制系統(tǒng)是一個綜合、復(fù)雜的系統(tǒng)，其既有多種技術(shù)，也含有嵌入式的軟件設(shè)備和硬件設(shè)備、圖像識別、自動控制和電力傳動、機(jī)械結(jié)構(gòu)等技術(shù)知識，智能小車的控制系統(tǒng)主要是圍繞嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行的，將其作為操控的中心，并借助計算機(jī)系統(tǒng)，最終完成自動造作和控制的過程[1]。智能小車的控制系統(tǒng)流程圖見圖1所示。

圖1 智能小車的控制系統(tǒng)流程圖

2 智能小車的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

2.1 智能小車的硬件設(shè)計

硬件設(shè)計是保證智能小車平穩(wěn)運(yùn)行的必要條件，它關(guān)系著控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，因此在設(shè)計時需要用在模塊化設(shè)計思想，該研究是通過采取硬件系統(tǒng)K60芯片作為核心控制器，并通過圖像采集模塊和電機(jī)、舵機(jī)驅(qū)動模塊、測速模塊、電源模塊等組成硬件設(shè)計系統(tǒng)圖，見圖2。

圖2 硬件設(shè)計系統(tǒng)圖

首先，電源電路設(shè)計，該設(shè)計時智能小車的動力來源，為小車運(yùn)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(zhuǎn)變電路后才可以進(jìn)行傳輸。轉(zhuǎn)變電路可以保證控制器直接對電池內(nèi)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證不同模塊可以正常工作和運(yùn)行，智能小車主要是依靠控制電力和電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行轉(zhuǎn)變的。

其次是K60最小系統(tǒng)板，在設(shè)計時需要將K60的管腳部分做成最小系統(tǒng)的單獨(dú)電路板，這樣可以簡化電路板的設(shè)計，促使調(diào)試更加順利，K60系統(tǒng)板主要由K60芯片、復(fù)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(jī)驅(qū)動電路，該電路是在集成芯片的驅(qū)動下進(jìn)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(jī)驅(qū)動芯片，但是要特別注意這部分因?yàn)樵陔姍C(jī)驅(qū)動過程中有較大的分功率，會導(dǎo)致小車在進(jìn)行調(diào)試時因?yàn)檫^大的電流導(dǎo)致小車電路發(fā)生堵塞現(xiàn)象，而使小車電路被燒毀，因此需要設(shè)計者避免這種現(xiàn)象，可以將驅(qū)動電路做成驅(qū)動板[2]。最后是舵機(jī)接口電路。在智能小車設(shè)計中，舵機(jī)主要保證小車可以順利轉(zhuǎn)向，因此舵機(jī)的運(yùn)行電壓、轉(zhuǎn)向動作、轉(zhuǎn)向速度都是需要考慮的因素，一般選擇舵機(jī)時主要選擇Futaba3010，選擇供電電壓為6V。

2.2 智能小車的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是指小車的控制系統(tǒng)內(nèi)的編寫和算法，其需要科學(xué)的設(shè)計程序，確保控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)及時、維護(hù)性、可調(diào)試的作用，對于軟件設(shè)計可以采取模塊化程序編寫的方式，可以將復(fù)雜的控制系統(tǒng)劃分為不同的簡單模塊進(jìn)行。第一，是對小車進(jìn)行總體軟件設(shè)計，主程序在設(shè)計時需要對不同的模塊先進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)的初始化、圖像處理、路徑識別算法計算、電機(jī)控制算法計算、舵機(jī)控制算法計算等。第二，是圖像數(shù)據(jù)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(huán)境的解決等功能。第三，是速度檢測模塊的軟件設(shè)計，對于智能小車，一般采取閉環(huán)控制，通過速度檢測器將小車的運(yùn)行速度傳輸給控制器，促使對小車進(jìn)行閉環(huán)控制，本文設(shè)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(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過設(shè)計科學(xué)的測量單位對小車的運(yùn)行速度進(jìn)行檢測。第四，是電機(jī)和舵機(jī)控制，該部分是智能小車軟件設(shè)計的關(guān)鍵部分，智能小車因?yàn)榫哂懈咚俣?，所以需要采用閉環(huán)控制提要電機(jī)和舵機(jī)的穩(wěn)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(yùn)用計算機(jī)控制系統(tǒng)中的PID核心控制器，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字方程式從而進(jìn)行精準(zhǔn)計算，該算法有兩種。第五，是速度控制模型，該技術(shù)是為了縮小智能小車在設(shè)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(jìn)行控制，在反復(fù)的調(diào)整后發(fā)現(xiàn)，一般選擇的二次曲線模型控制效果不夠精準(zhǔn)，因此需要對中線的偏差值進(jìn)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(jī)控制算法，此算法是為了控制小車的運(yùn)行速度慣性而設(shè)計的，確保小車在行駛的過程中因?yàn)樽陨碇亓炕蛘叩缆翻h(huán)境導(dǎo)致車身不穩(wěn)或者其它問題等，該算法也是一種閉環(huán)控制，在此過程中一般選擇遞進(jìn)式的PID控制算法，并對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，達(dá)到最優(yōu)控制效果。第七，舵機(jī)控制算法，該算法不同于電機(jī)控制算法，舵機(jī)因?yàn)閮?nèi)部具有反饋系統(tǒng)，可以確保執(zhí)行有力，但是在實(shí)際中，因?yàn)橛嫹猪?xiàng)系數(shù)的不穩(wěn)定，所以需要通過調(diào)節(jié)比例項(xiàng)系數(shù)和微分項(xiàng)系數(shù)，運(yùn)用PD控制算法進(jìn)行調(diào)試，保證智能小車可以穩(wěn)定形勢。

2.3 控制系統(tǒng)的調(diào)試

此研究運(yùn)用了一些硬件和軟件工具，并對設(shè)計進(jìn)行了調(diào)式，促使設(shè)計者及時發(fā)現(xiàn)問題，為智能小車設(shè)計的真正實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。首先，本研究先對硬件設(shè)計進(jìn)行了測試，根據(jù)硬件的設(shè)計原理和制作電路板，運(yùn)用PCB繪制工具對設(shè)計圖進(jìn)行還原和仿真，該繪制工具可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，此PCB設(shè)計是為了檢查小車的硬件設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否和小車內(nèi)部的機(jī)械部分全面吻合，并確定電路板是否穩(wěn)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(jìn)行了調(diào)試，主要確保軟件開發(fā)的環(huán)境可以為智能小車的開發(fā)提供程序編碼，幫助開發(fā)人員將調(diào)試技術(shù)和開發(fā)環(huán)境結(jié)合在一起，確保提高開發(fā)效率。最后也會上機(jī)位進(jìn)行了調(diào)試，確保小車在運(yùn)行過程中黑線數(shù)據(jù)和行駛軌跡信息可以準(zhǔn)確獲取，一般選擇PC端離線和PC端仿真，來提高調(diào)試效率，對圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集[3]。該模式可以用來調(diào)節(jié)電機(jī)和舵機(jī)控制算法，促使其功能達(dá)到要求后，讓設(shè)計人員在調(diào)試之前時對控制算法進(jìn)行了解。

3 結(jié)束語

智能小車的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，是智能交通重點(diǎn)研究的問題，它具有很大的市場前景，可以被廣泛應(yīng)用在工程建設(shè)中和人們的日常生活中，本文研究對智能小車的內(nèi)涵、智能小車的控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計，詳細(xì)的闡述了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并對圖像處理算法和系統(tǒng)控制算法也進(jìn)行了詳細(xì)的陳述。旨在為智能小車設(shè)計者提供相關(guān)的技術(shù)研究，讓智能小車在市場上被廣泛研究和實(shí)際應(yīng)用，為我國汽車工業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。