智能車速度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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確地改變車速，實現(xiàn)穩(wěn)定過彎。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　按照競賽要求，本文設(shè)計的智能車速度控制系統(tǒng)，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(qū)動模塊、電源模塊等一起構(gòu)成了智能車速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。單片機根據(jù)賽道信息采用合理的控制算法實現(xiàn)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(qū)動采用了由四個MOS管構(gòu)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(qū)動電機等供電。

　　系統(tǒng)建模

　　一個針對實際對象的控制系統(tǒng)設(shè)計，首先要做的就是對執(zhí)行器及系統(tǒng)進行建模，并標定系統(tǒng)的輸入和輸出。為了對車速控制系統(tǒng)設(shè)計合適的控制器，就要對速度系統(tǒng)進行定階和歸一化[2]。對此，分別設(shè)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(zhuǎn)速。編碼器齒輪與驅(qū)動輪的齒數(shù)比為33/76，編碼器每輸出一個脈沖對應智能車運動1.205mm。車?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)加給電機的PWM波的占空比進行調(diào)速。單片機上的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(huán)方式給驅(qū)動電機加上不同的電壓，記錄車模在速度進入穩(wěn)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(jù)實驗數(shù)據(jù)可以確定車速執(zhí)行器系統(tǒng)的零點和增益。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(nèi)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(xiàn)，制動力與所加的反向電壓有關(guān)。