智能車速度控制系統設計與實現

在智能車競賽中，速度控制不能采用單純的PID，而要采用能夠在全加速、緊急制動和閉環控制等多種模式中平穩切換的“多模式”速度控制算法，才能根據不同的道路狀況迅速準確地改變車速，實現穩定過彎。

　　系統硬件設計

　　按照競賽要求，本文設計的智能車速度控制系統，以飛思卡爾MC9S12DG128 單片機為核心[1]，與車速檢測模塊、直流電機驅動模塊、電源模塊等一起構成了智能車速度閉環控制系統。單片機根據賽道信息采用合理的控制算法實現對車速的控制，車速檢測采用安裝于車模后軸上的光電編碼器，直流電機驅動采用了由四個MOS管構成的H橋電路如圖1所示，電源模塊給單片機、光電編碼器和驅動電機等供電。

系統建模

　　一個針對實際對象的控制系統設計，首先要做的就是對執行器及系統進行建模，并標定系統的輸入和輸出。為了對車速控制系統設計合適的控制器，就要對速度系統進行定階和歸一化[2]。對此，分別設計了加速和減速模型測定實驗。通過加裝在車模后輪軸上的光電編碼器測量電機轉速。編碼器齒輪與驅動輪的齒數比為33/76，編碼器每輸出一個脈沖對應智能車運動1.205mm。車模可以通過調節加給電機的PWM波的占空比進行調速。單片機上的PWM模塊可以是8位或16位的，為了提高調速的精度，電機調速模塊選用16位PWM，其占空比調節范圍從0到65535，對應電機電樞電壓從0%到100%的電池電壓。

　　將車模放置在一段長直跑道上，采用開環方式給驅動電機加上不同的電壓，記錄車模在速度進入穩定后的速度值。然后將所測得的電樞電壓與車速進行擬合的曲線如圖2所示，由圖1可將智能車加速模型近似為線性模型。

根據實驗數據可以確定車速執行器系統的零點和增益。車速V與占空比PWM_Ratio的關系見公式1：

　　V = PWM_Ratio×402 + 22000 (1)

　　其中：PWM_Ratio的取值范圍為0-65535

　　車模減速有三種方法：自由減速、能耗制動和反接制動。自由減速動力來自摩擦阻力，基本認為恒定。能耗制動是將能量消耗到電機內阻上，制動力隨著車速的降低而降低，也可通過控制使加速度減小得更快。反接制動通過反加電壓實現，制動力與所加的反向電壓有關。

　　由于輪胎抓地力有限，制動力超過一定值后會發生輪胎打滑的情況。一旦發生打滑，會使剎車距離變長，過彎半徑變大。如果能使剎車力始終控制在臨界打滑點上，則可以獲得最短的剎車距離。在這三種減速方法中，只有反接制動可以根據不同的車速給出不同的反接剎車力，讓車速以最大斜率下降。因此，通過大量實驗測定出不打滑的最高剎車電壓，最高不打滑劃占空比約為55000。因為不同賽道會有差異，在編程時留有了余量。以震蕩作為識別車模在剎車時是否打滑的標志。可以分取幾個典型的車速，讓車模在直道上加到預設的速度，然后分別用一組反接電壓進行反接制動，觀察并記錄最高不打滑的剎車電壓。這樣，每個典型車速都得到一個對應的最大剎車電壓。將最大不打滑反接電壓與車速對比后，發現最大不打滑反接電壓與車速成比例關系。考慮直流電機的模型，外部電壓加到電機電樞上時，電機轉子開始轉動，產生反電勢，此電壓與車速成正比例關系。當轉子上產生的反電勢等于外加電壓后，電機速度達到穩態。因此，反接制動電壓減去電機產生的反電勢之后剩下的電壓部分才是用于減速的。在車模要減速的時候，可以先通過當前車速計算出轉子的反電勢，然后在這個基礎上再疊加一個反接制動電壓，送到執行器上。

　　車模前進的阻力主要分為地面滑動摩擦力和風阻，車模在行駛過程中質量保持恒定不變。在車速較低的情況下，風阻也可認為是恒值。結合以上實驗數據和推理可知，車速模型的主要部分為一階慣性環節。

　　速度控制策略

　　經分析，賽道大致分為直道，90度和90度以上的彎道和S形彎道等類型，要想在不同道路上發揮出最大速度，關鍵問題是如何判斷出道路的情況，以下是幾種道路的判斷條件和通過策略。

　　a. 直道的判斷條件和通過策略

　　當小車在中間三個光電管的檢測范圍內檢測到黑線，則認為小車行駛在直道上，滿足直道的條件就使小車加速，直至加到某個較大的值時滿足剎車的條件。如果連續幾十個周期都檢測到了黑線，說明小車行駛在長直道上，而轉彎時需要剎車。

　　直道最高限速度是賽車從長直道入彎時不沖出彎道的最高速度，小車行駛時不能高于這個速度。當然，剎車越及時，越靈敏，則直道上速度就可以越大。實驗得到約為55000(對應PWM的占空比)。

需要剎車的最小速度是讓小車從長直道入彎，不用剎車時能夠順利通過彎道的最高速度。當車的瞬時速度高于這個速度入彎時，啟動剎車，反之，不用剎車。實驗測得長直道入彎最高速度不超過50000(對應PWM的占空比)。

　　b. 彎道判斷條件和通過策略

　　當小車不滿足直道的條件時，則行駛在彎道上。由于彎道的曲率半徑和角度的不同分為90度和90度以上的彎道和S形彎道。當小車行駛在彎道時，只有某一邊的傳感器連續檢測到黑線，再根據兩邊的傳感器檢測到黑線時間的長短來確定彎道角度的大小;如果小車行駛在S形彎道上，則傳感器檢測到的值會在水平偏差范圍內連續變化。總之在彎道上，要以彎道最大速度行駛。

　　彎道最大速度是讓小車在彎道上一直加速，直至沖出賽道的速度。當賽車在彎道上的速度小于彎道最大速度時，就要調整PWM信號的占空比，使小車逐漸加速。實驗測得所有彎道最大速度不超過32000(對應PWM的占空比)。

　　c.交叉線識別

　　按比賽規則，還有交叉線，但由于是直角交叉，因此只需要在多個傳感器都檢測到黑線的情況下保持原來的行進方向和速度繼續前進即可。

　　結語

　　全國智能車競賽最終比的是速度，要想取得好成績就要讓小車在不同的道路上都能以極限速度行駛。通過大量的實驗得出小車在不同形狀道路上的極限速度參數，根據不同道路的判斷條件選擇合適的參數，再根據速度值來調節PWM，從而實現智能車的快速穩定巡線行駛。