智能車速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　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(dòng)和閉環(huán)控制等多種模式中平穩(wěn)切換的“多模式”速度控制算法，才能根據(jù)不同的道路狀況迅速準(zhǔn)確地改變車速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定過彎。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　按照競賽要求，本文設(shè)計(jì)的智能車速度控制系統(tǒng)，以飛思卡爾MC9S12DG128 單片機(jī)為核心[1]，與車速檢測模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊等一起構(gòu)成了智能車速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。單片機(jī)根據(jù)賽道信息采用合理的控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)采用了由四個(gè)MOS管構(gòu)成的H橋電路如圖1所示，電源模塊給單片機(jī)、光電編碼器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等供電。

　　系統(tǒng)建模

　　一個(gè)針對(duì)實(shí)際對(duì)象的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先要做的就是對(duì)執(zhí)行器及系統(tǒng)進(jìn)行建模，并標(biāo)定系統(tǒng)的輸入和輸出。為了對(duì)車速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合適的控制器，就要對(duì)速度系統(tǒng)進(jìn)行定階和歸一化[2]。對(duì)此，分別設(shè)計(jì)了加速和減速模型測定實(shí)驗(yàn)。通過加裝在車模后輪軸上的光電編碼器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速。編碼器齒輪與驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)比為33/76，編碼器每輸出一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)智能車運(yùn)動(dòng)1.205mm。車模可以通過調(diào)節(jié)加給電機(jī)的PWM波的占空比進(jìn)行調(diào)速。單片機(jī)上的PWM模塊可以是8位或16位的，為了提高調(diào)速的精度，電機(jī)調(diào)速模塊選用16位PWM，其占空比調(diào)節(jié)范圍從0到65535，對(duì)應(yīng)電機(jī)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(huán)方式給驅(qū)動(dòng)電機(jī)加上不同的電壓，記錄車模在速度進(jìn)入穩(wěn)定后的速度值。然后將所測得的電樞電壓與車速進(jìn)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(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定車速執(zhí)行器系統(tǒng)的零點(diǎn)和增益。車速V與占空比PWM_Ratio的關(guān)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(dòng)和反接制動(dòng)。自由減速動(dòng)力來自摩擦阻力，基本認(rèn)為恒定。能耗制動(dòng)是將能量消耗到電機(jī)內(nèi)阻上，制動(dòng)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(dòng)通過反加電壓實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)力與所加的反向電壓有關(guān)。