基于單片機的教育機器人的設計

系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)控制的實現(xiàn)是由軟件完成的。軟件設計基于keilC51編寫的，采用模塊化結構設計，各個功能子塊獨立。在結構上由1個主程序文件main.c和8個子程序文件（key.c、pid.c、detect.c、seg.c、speed.c和motor.c）組成。main.c主程序文件完成一系列任務的初始化工作和處理各個任務工作的協(xié)調(diào)。key.c文件完成按鍵中斷檢測和蜂鳴器報警任務；seg.c文件完成數(shù)碼管顯示；sp∞d.c文件完成電機速度檢測；motor.c完成PWM的配置和電機的控制；detect.c文件完成紅外光電傳感器陣列檢測；pid.c文件實現(xiàn)模糊參數(shù)自整定PID運算處理。其中定時器TO產(chǎn)生采樣周期T秒定時中斷，每間隔T秒中斷一次，完成一次PID控制計算，同時調(diào)用模糊參數(shù)自整定PID運算子程序?qū)y試轉(zhuǎn)速和設定轉(zhuǎn)速進行差值計算得到輸出值，用于配置PWM的輸出，控制電機轉(zhuǎn)速。主程序和定時器TO中斷處理流程圖如圖4所示。

圖4 主程序和定時器TO中斷處理流程圖

　　4.1 模糊PID參數(shù)自整定控制器原理

　　PID參數(shù)模糊自整定是找出PID中3個參數(shù)與e和ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e和ec對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動穩(wěn)態(tài)性能。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮，Kp，Ki，Kd的作用如下：Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度；Ki用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；Kd改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。圖5是PID控制器設計結構原理圖。

圖5 PID控制器設計結構原理圖

　　由PID各個參數(shù)對系統(tǒng)的影響得到：

　?。?）當誤差|e|較大時，說明誤差的絕對值較大，不論誤差的變化趨勢如何，都應該考慮控制器的Kp取較大值，以提高響應的快速性；而為防止因為|ec|瞬時過大，kd應該取較小的值；為控制超調(diào)，ki也應該取值很小。

　?。?）當誤差|e|在中等大小時，為保證系統(tǒng)的相應速度并控制超調(diào)，應減小Kp，Ki值應增大，Kd應適中。

　?。?）當誤差|e|較小時，為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，應加大Kp、Ki的取值，同時為避免產(chǎn)生振蕩，Kd的取值應該和|ec|聯(lián)系起來。

　　教育機器人屬于典型的非線性、時變、模型不確定復雜系統(tǒng)。在實際中，機器人行駛道路有直道、大彎道、“S”型小彎道。利用教育機器人在相同的路況下其特性基本不變，可分別確定這3種道路參數(shù)下的最佳PID參數(shù)。其核心思想是把控制周期內(nèi)的機器人狀態(tài)視為不變，只要控制周期較短，就可實現(xiàn)很好的控制效果。在機器人實際的行使中，每10ms進行1次控制，可滿足要求。

　　4.2 PID參數(shù)設定

　　模糊PID控制根據(jù)系統(tǒng)運行的不同狀態(tài)，考慮Kp、Ki、Kd三者的關聯(lián)，根據(jù)工程經(jīng)驗并依據(jù)各參數(shù)的作用，通過大量的測試獲得本系統(tǒng)對應路況下的PID參數(shù)，實驗數(shù)據(jù)如下：

　?。?）在直道上系統(tǒng)取kp=3，Ki=5，kd=0，測試環(huán)境為一條長度5 m的長直道；

　?。?）在大彎道上系統(tǒng)取kp=10，Ki=1，kd=1，測試環(huán)境為直道進入一個半徑為100 cm的3／4圓；

　?。?）在“S”型小彎道上系統(tǒng)取kp=7，Ki=4，kd=3，測試環(huán)境為3個90度圓弧構成的"S"型小彎道。

　　5 結束語

　　用STC12C5A60S2單片機配合紅外光電陣列檢測模塊對直流電機執(zhí)行參數(shù)自整定模糊PID控制器，解決了直流電機在巡航過程中產(chǎn)生抖動前進的控制問題，使得教育機器人在行走的過程中更平穩(wěn)，且控制方法簡單、實用。

參考文獻:

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