基于单片机控制的智能巡线小车多模式速度控制系统设计

引言

目前，设计出具有智能化的产品已经成为商家开发产品的目标之一，也是学生课外科技活动的热点之一；其中，专门针对具有自主巡线功能的智能小车的设计更是数不胜数，但大多数智能巡线小车只是完成了“智能化”所要求的各部分的功能，在小车速度的稳定性和快速性上考虑的相对比较少。本文主要针对具有自主巡线功能的智能小车，设计出了一种多模式速度控制系统，可以使智能小车具有较好的稳定性和快速跟随性。同时，该速度控制系统的多模式设计思想也可以用在以其它系列单片机为控制核心的智能模型车上。

1 控制系统原理

多模式速度控制系统的速度模式有4种：1、开环加速模式2、反接制动模式3、能耗制动模式4、速度闭环运行模式。系统模式通过速度测量值与给定值的偏差范围进行选择，速度给定值由前方传感器检测到的路径形状进行设定，而偏差范围与模式选择的关系根据电机自身的特性曲线和智能小车实际运行情况进行设定。

多模式速度控制系统由HCS12单片机、直流电机驱动电路、直流电机、速度检测模块和无线通信模块组成。单片机产生的PWM波通过由H桥组成的驱动电路来控制直流电机的输入电压大小，速度检测模块通过旋转编码器把电机的转速转换为单位时间内的脉冲个数，无线通信模块实现对速度控制系统相关参数的实时监测与调整，主要用于系统的调试和开发。整个速度控制系统的电源均由一节7.2V镍镉电池提供，控制系统原理图如图1所示。系统中使用低差压稳压器LM2940将7.2V电源变为5V稳压电源输出，可为单片机、速度检测模块和无线通信模块等提供相应的电源，也可减少电池电压不稳定给控制系统各个部分带来的不良影响，保证了控制系统的稳定运行【1】。

图1 控制系统原理图

2 控制系统硬件设计

2.1 直流电机驱动电路

系统中采用的直流电机型号为RS—380H。直流电机驱动采用飞思卡尔公司的5A 集成H 桥芯片MC33886。MC33886芯片内置了控制逻辑、电荷泵、门驱动电路以及低导通电阻的MOSFET 输出电路，适合用来控制感性直流负载，可以提供连续的5A 电流，并且集成了过流保护、过热保护、欠压保护。直流电机驱动电路如图2所示。

图2 直流电机驱动电路

通过控制MC33886 的四根输入线可以方便地实现电机正转、反转、能耗制动及反接制动。图3为经过简化的H 桥电路，当S1、S4 导通且S2、S3 截止时，电流正向流过电机，电机正转；S2、S3 导通S1、S4 截止时，电流反向流过电机，适当利用这个过程可以使电机处于反接制动状态，迅速降低电机速度；当S3、S4导通且S1、S2 截止时，没有电源加在电机上，可认为电机一端直接与另一端连接在一起，此时电机处于能耗制动状态。

本设计中使用两片MC33886 并联，一方面进一步减小导通电阻对电机特性的影响，另一方面减小过流保护电路对电机启动及制动时的影响【2】。

图3 简化的H桥电路

2.2 速度检测模块

通过在电机驱动轴的齿轮上加装小型旋转编码器，使旋转编码器齿轮与电机驱动轴的齿轮进行啮合。这样，就可通过实验测定每个脉冲对应的智能小车运行的距离；同时，可设定一个合适的定时中断作为脉冲采样周期，根据每个采样周期内旋转编码器的输出脉冲个数就可计算出智能小车的实际速度，这样就使脉冲个数和智能小车实际速度具有了明确的对应关系，实际操作、测量非常方便。在本设计中，选用了OMRON E6A2-CS3E旋转编码器，该编码器采用5v 供电，单相输出，每圈输出60个脉冲，用在本系统中比较合适【3】。在采样周期的选取中，考虑到脉冲计数器所能允许的最大值及脉冲计数值要参与实际的运算，为了避免数据溢出，采样周期不能选取过大。

2.3 无线通信模块

本系统中的无线通信模块是基于nRF403的无线数据传输模块，并在此基础上实现了MODBUS 通信协议。该模块在智能小车参数测试及程序调试的过程中起到了很大的作用。在智能小车运行的过程中，可以通过下位机将与小车运行状态有关的各项参数发送到上位机，并可通过简单的VB程序在上位机上显示出相应的状态曲线，从而达到对智能小车的运行状态进行实时监测的目的。在PID参数整定过程中，根据小车的实际运行状态和P、I、D参数对控制系统的影响，可以通过上位机来改变下位机的P、I、D参数而不用重新烧写程序，给系统的在线调试带来了很大的方便。

3 控制系统软件设计

HCS12单片机内置PWM模块，在程序中只需调用相关函数设定PWM周期和写入PWM占空比的值，就可以产生实际需要的PWM波【4】。考虑到有多模式调节，对闭环控制的响应速度要求不高，闭环控制采用了速度单闭环控制和位置式的PI控制算法，PI运算的结果作为PWM占空比的设定值。采用速度单闭环控制既达到了多模式调节中闭环运行模式的效果，同时也降低了系统设计的复杂性。在PI控制算法中，P、I参数整定的比较弱，这样智能小车在过弯时的速度有一定的自然降落，可以防止智能小车脱离轨道。控制系统程序主要采用C语言编写，PI控制算法程序流程图如图4【5】。本文设计的多模式速度控制系统，可以作为一个比较完整的模块调用，这样很容易与路径检测系统相结合，形成完整的具有自主巡线功能的智能小车。

图4 PI控制算法程序流程图

本控制系统选择了一通过CMOS摄像头进行道路识别的智能小车进行实验，通过多次实验及观察得出：速度偏差在±5%以内智能小车运行在速度闭环模式，小于-5%切换到开环加速模式，大于5%且小于6%切换到能耗制动模式，大于6%切换到反接制动模式，这样可以使智能小车在不脱离轨道的情况下达到较快的速度，具有较好的稳定性和快速跟随性能。

4 总结

本文的创新点在于，设计的速度控制系统具有四种速度模式：1、开环加速模式2、反接制动模式3、能耗制动模式4、速度闭环运行模式。该多模式速度控制系统可以使智能小车在任何两种速度模式之间进行快速的切换，同时保证智能小车仍能很稳定地运行。该多模式速度控制系统适用于多种类型的智能小车，可以使智能小车根据路面条件的变化，在速度调节上具有更好的灵活性。