何姣++楊靖

摘 要：為了提高智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的控制精度，實現(xiàn)速度控制系統(tǒng)在線可調(diào)及數(shù)據(jù)采集方便有效，將安卓引入轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。移動終端采用WiFi通信方式實現(xiàn)智能車控制參數(shù)在線可調(diào)以及快速有效地采集數(shù)據(jù)等。文中基于全國大學生智能車比賽的環(huán)境和Eclipse平臺，做了基于安卓的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)實驗，實現(xiàn)了手機終端在線調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)和快速有效采集數(shù)據(jù)功能，使得智能車轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)精度得以提高，并能夠更快、更穩(wěn)的運行。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；安卓；在線調(diào)節(jié)；控制精度

中圖分類號：TP30 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-02

0 引 言

從全國大學生“飛思卡爾”智能車比賽開始，現(xiàn)在雖然飛思卡爾公司已被合并，但全國大學生智能車比賽依然進行的如火如荼 [1，2]。智能車不僅是在學生比賽中被廣為學習，有輪式機器人之稱的智能車在日常生產(chǎn)中也占據(jù)了重要地位，包括在生活中被期待和反復試驗的無人駕駛技術(shù)以及在生產(chǎn)中被廣泛運用的智能安全巡檢技術(shù)等。

智能車的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)一直都是研究的重點與難點，精準可調(diào)控的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可以為生產(chǎn)過程帶來很大便利[3，4]?；诎沧康闹悄苘囖D(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用安卓系統(tǒng)設(shè)計移動終端App，實現(xiàn)在線調(diào)控智能車轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速系統(tǒng)參數(shù)等功能，及對智能車的精準控制和在線調(diào)控功能。

1 智能車硬件設(shè)計

智能車選擇龍邱科技的32位K60單片機作為控制芯片，硬件包括電源模塊、OV7725數(shù)字攝像頭、500線編碼器、直流電機、SD5舵機、RM04串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、手機終端等[1，5]。手機作為移動終端，通過App發(fā)送控制信號給WiFi轉(zhuǎn)串口模塊，模塊將信號傳送給單片機，單片機接收信號后執(zhí)行轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制命令。圖 1所示為智能車硬件結(jié)構(gòu)框圖。

智能車上安裝的編碼器檢測到車速，單片機采集到的速度信息經(jīng)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊將速度信息顯示在移動終端上?？梢詮囊苿咏K端上實時得到攝像頭獲取的圖像信息，在線修改轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)PID參數(shù)，達到提高轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制精度和在線調(diào)控的目的[4]。

系統(tǒng)采用紅樹偉業(yè)7.2 V/2 000 mAh電池，用穩(wěn)壓芯片設(shè)計一個為攝像頭提供3.3 V電壓，為編碼器提供5 V電壓的電源模塊。攝像頭采用OV7725數(shù)字攝像頭，用于采集道路信息，經(jīng)圖像處理來控制智能車的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。電源模塊設(shè)計如圖2所示。

圖 2 電源模塊

如圖2所示，電源模塊接入7.2 V電池電壓，經(jīng)AMS1117穩(wěn)壓片輸出3.3 V和5 V電壓，為攝像頭提供3.3 V電壓，為舵機和編碼器提供5 V電壓。

2 智能車轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計

道路不同，智能車的速度也不同，攝像頭采集道路圖像信息，主控制器通過控制算法分析，控制電機運行速度。編碼器將電機實際運行速度傳回主控制器，實現(xiàn)電機閉環(huán)控制，手機終端從主控制器獲取智能車速及PID參數(shù)信息，實現(xiàn)參數(shù)在線可調(diào)控。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.2 PID控制算法分析

智能車的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用增量式PID控制[6，7]，其控制原理圖如圖 4所示。

目標值與實際值的差為誤差，誤差通過PID控制器得到一個輸出量，輸出量與控制器中的PID參數(shù)構(gòu)成線性組合關(guān)系。最終實際速度在以一個接近目標值的穩(wěn)態(tài)值為中心的小范圍內(nèi)波動。

圖4中的PID輸入量由目標值與實際值決定，其關(guān)系式為：

（1）

PID控制系統(tǒng)輸出與比例、積分、微分的線性組合關(guān)系為：

（2）

其中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)。輸出量被電機執(zhí)行，得出新的實際值，新的實際值又與目標值比較得出新的誤差，如此循環(huán)，最后實際值以一個穩(wěn)態(tài)值為中心上下波動[2，7]。

2.3 參數(shù)整定

在PID控制器中，三個參數(shù)分別有不同的作用，在調(diào)整參數(shù)時，首先確定影響系統(tǒng)響應速度的比例系數(shù)kp，然后調(diào)整影響系統(tǒng)動態(tài)性能的微分系數(shù)kd，最后在系統(tǒng)上增加影響穩(wěn)態(tài)誤差的積分系數(shù)ki。在調(diào)整微分系數(shù)kd和ki積分系數(shù)時，需要微調(diào)比例系數(shù)kp。微調(diào)三個參數(shù)以實現(xiàn)最優(yōu)控制效果[4，8，9]。

3 移動終端系統(tǒng)設(shè)計

移動終端系統(tǒng)輸入給定速度，編碼器采集實時速度傳回移動終端，終端將采集到的速度保存到sdcard中，通過時域參數(shù)運算得出時域動態(tài)指標，超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差。移動終端實現(xiàn)示例如圖 5所示。

根據(jù)時域動態(tài)指標在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)，以達到最優(yōu)控制策略，畫出智能車實時速度變化曲線圖。

新建WriteButtonListener類寫入給定速度、PID參數(shù)，新建類ReadButtonListener讀取采集到的實時速度，新建類onDraws畫出輸出速度曲線圖。

4 結(jié) 語

基于安卓的智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)在PID閉環(huán)控制基礎(chǔ)上采用手機終端遠程控制智能車轉(zhuǎn)速系統(tǒng)參數(shù)，實驗結(jié)果表明，這一系統(tǒng)設(shè)計提高了智能車轉(zhuǎn)速控制的精準度，實現(xiàn)了參數(shù)在線可調(diào)和數(shù)據(jù)采集優(yōu)化，降低了調(diào)試人員的工作難度。如要獲得更加快捷有效的調(diào)試結(jié)果，可以先采用模糊或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法整定PID參數(shù)，再進行在線調(diào)試。

參考文獻

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