星空·综合体育官网入口 基于PID控制算法的智能小车设计方案

0 简介

轮式小车是智能小车机械结构的主要部分，由车体、车轮、速度传感器、转轴等结构部件组成。它还包括提供动力的驱动器、收集环境信息的摄像头等模块，综合收集汽车自身的状态信息或外部环境信息，分析融合传感器数据，动态调整汽车的运动状态，以实现某些条件。自动跟踪驾驶。

该智能小车采用PID控制算法，并使用CCD线阵相机作为黑色引导线的检测装置。与LM393比较后，供单片机进行数据采集和图像识别，从而可以进行路径识别。电机驱动器采用PC33886。它采用直接光电传感器测量速度并在液晶显示屏上显示相关信息。它还采用4个按钮进行参数设置，为现场调试提供友好的人机交互界面。 。

1 系统框架设计

整个车模系统可分为三部分：环境图像采集部分、电机及舵机驱动部分、中央数据处理部分。采用16位单片机MC9S12DGl28B作为核心控制单元。系统框图如图1所示。

智能车的动力部分采用常见的小型永磁直流电机。这种电机的驱动电路已经非常成熟。有分立元件组成的驱动器和集成功率集成驱动芯片两种。

智能汽车最重要的组成部分是中央处理系统，是智能汽车的大脑。它不仅负责处理环境图像采集部分发送来的图像数据，还将这些信息转换成电机的驱动控制信号，使车辆按照预定规则前进。这就要求系统具有庞大的数据处理能力。 。

2 道路检测模块

2.1 道路检测方案对比及可行性分析

环境图像采集部分可以采用阵列红外探头和CCD或CMOS图像传感器来实现。前者的特点是价格低廉、电路简单、应用方便。缺点是性能有限，对复杂环境的适应能力弱，效果较差。 CCD或COMS图像传感器（摄像头）可以弥补阵列红外探头的各种缺点。

为了快速采集图像数据并考虑到开发的方便性，本设计中将采用输出标准电视视频信号的黑白监控摄像机。这种相机可以配合单片机本身的水​​平和垂直同步信号分离电路以及A/D转换电路，可以轻松地采集图像，从而避免了数码相机复杂的总线协议和数据处理过程。

2.2 硬件设计

LM1881视频同步信号分离芯片可以从摄像头信号中提取信号的时序信息。 LM1881的同步分离电路如图2所示。

2脚是视频信号输入端，摄像头信号输入到LM1881。 3脚为场同步信号输出端。当摄像机信号的场同步脉冲到来时，该端变为低电平，一般维持230μs。然后又变回高电平，7脚为奇偶场同步信号输出端。当摄像机信号为奇数场时，该端子为高电平，当摄像机信号为偶数场时，该端子为低电平。奇数场和偶数场的交替与场同步信号的下降沿同步，即与场同步脉冲之后的上升沿同步。

3个速度传感器

3.1 方案选择

(1) 稀土磁体霍尔传感器

优点：信息获取准确、体积小、不增加后轮负载。

缺点：齿轮位置靠近主驱动电机，容易受到磁场干扰。在齿轮上钻孔很容易损坏齿轮。

(2)光电传感器

优点：体积小，不增加后轮负载，反光方案不需要对原有器件进行再加工。

缺点：精度受到光电管尺寸的限制。

(3)光电编码器

优点：获取信息准确，精度高。

缺点：后轮负载增大，尺寸较大。

对比以上三种方案，考虑到系统的可靠性，后轮主旋转齿轮采用塑料材质，钻孔危险，而且车重的任何增加都可能影响车速，所以最终决定采用直接型光电传感器。

3.2 硬件电路设计

传感器电路结构图如图3所示。

4 驱动部分

4.1 电机驱动器选择

根据机电和电驱动理论，电机驱动器必须具有足够的电流输出能力，才能保证足够的驱动力。综合考虑，电机驱动器采用集成专用功率驱动集成电路，设计由独立元件（场效应晶体管）组成的驱动器。

根据机电学，直流电机转速与n的表达式为：

式中：U为电枢端电压； I为电枢电流； R为电枢回路中的电阻； φ为各级磁通量； K为电机的结构参数。

从式（1）可以看出星空·体育中国官方网，直流电机的速度控制方法可分为两类：控制励磁磁通的励磁控制方法和控制电枢电压的电枢控制方法。目前，大多数应用都采用电枢电压控制方法。本设计采用PWM在保证恒励磁的同时实现直流电机的调速方式。

电机电枢绕组的平均电压U。为了：

式中：占空比D表示开关导通时间与周期T内周期的比值，D的变化范围为0≤D≤1。由式（2）可知，当电源电压Us不变时，电枢两端电压的平均值Uo取决于占空比D，改变D的值也会改变电压的平均值穿过电枢。 ，从而达到控制电机转速的目的，即实现PWM调制。

为了方便选材和设计，本设计选用了飞思卡尔半导体的PC33886。当以 PWM 调速模式驱动时，PC33886 可接受 20 kHz 的工作频率；具有过热、过流、短路保护，并通过反馈线将器件的工作状态反馈给单片机。

4.2 舵机控制

舵机控制程序流程图如图4所示。

汽车模型在行驶过程中不断采样路况信息，通过分析汽车模型与轨道的相对位置来确定汽车模型的路况，并计算转弯半径。所有舵机的标准PWM周期为20ms，最大旋转角度为90°。当脉宽为0.5ms，即占空比为O.5/20=2.5%的调制波输入舵机时，舵机右转。 90°。由此可见，旋转角度与脉冲宽度关系的计算公式为：

t=1.5±θ/90

式中：t为正脉冲宽度，单位：ms； θ为旋转角度；左转时进行加法计算，右转时进行减法计算。

具体操作时，可以在一定范围内将PWM调制波的周期设置为20ms左右，以使舵机正常转动。经过反复测试，最终将输出PWM调制波周期设置为13 ms。

通过软件中设置PWM波占空比来控制行走电机的转速和舵机的转向角。

5 电源模块

电机驱动系统需要大功率电源：内阻低、电流大、对电源纹波不敏感；单片机和图像采集系统对供电质量有更高的要求：内阻低、纹波小、功耗低。但运行时要注意不要干扰电机。电源系统框图如图5所示。

由于相机需要9至12V的电压才能正常工作，而充电电池的电压仅为6至7.2V。因此，需要一个DC-DC升压电路。

DC-DC电压转换采用MC34063A集成电路，该集成电路集成了温度补偿器、比较器、动态电流限带占空比控制振荡器和大电流输出驱动器。输出电压由两个外部电阻直接控制，误差为2%。该电路可轻松用于升压和降压应用。电路原理图如图6所示。

6 软件设计

软件结构图如图7所示。

小车的整个自动识别和控制过程都是由主控单片机芯片上的程序控制，完成整个智能控制过程。小车开机后会自动沿着一定宽度的黑线轨道行驶。行驶过程中，不断检测到的黑线位置信息将反馈给主控芯片。经过主控芯片处理后，执行结果将反馈给控制器，从而控制小车。前进方向，并使用软件检测汽车的速度和按钮的变化信息星空综合体育app下载，最后将结果显示在液晶显示屏上。

7 结论

智能汽车设计涉及控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等专业领域。整个设计没有采用过于复杂的检测方法或控制算法星空体育app官方下载，而是采用了相机图像处理技术和经典的PID控制算法。这样既保证了系统的可靠性、稳定性和速度，又节省了成本和工作量。控制算法方面，PID控制保证了系统的速度和稳定性；在检测方式上，摄像头连续检测的设计保证了高速直行无抖动，光电管测速方式的应用保证了测速系统的简单可靠。 。