华中科技大学创意组技术报告.pdf

第十届飞思卡尔杯全国大学生 智能汽车竞赛 技术报告 学 校：华中科技大学 队伍名称：华中科技大学创意队 参赛队员：李啟雄 李冰倩 赖盛好 何 涛 李 梅 带队教师：何顶新 郑定富 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛有关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名：带队教师签名：日 期：摘 要 我队将于今年八月参加第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛创意组竞赛。针对比赛的具体情况，我们建立了赛车、赛场和自主控制系统的基本模型，给出了理论分析、仿真计算、在线调试的基本开发方法。在比较各种算法的性能特点后，我们确定最终方案，并完成了智能车的制作与调试。智能车开发过程中，通过比较各种方案，最终我们决定采用前后两轮结构。最终方案的思路是：系统采用 MCF52259 为主控 MCU，通过用陀螺仪、加速计对车模自身的姿态进行检测，并用编码器记录路径的长度，对陀螺仪、加速计所采集的数据进行处理分析，辅助以车模后轮编码器所采集的数据，来判断小车的方位、速度等，进而控制小车前轮伺服电机的拐角和后轮直流驱动电机的速度以及惯性飞轮的转动方向及速度，使小车能够自我平衡且能平稳的完成比赛。关键词：智能汽车，MCF52259，平衡，惯性飞轮，舵机，拐角。Abstract Our team will participate in the tenth Freescale Cup National Undergraduate smart car contest in August this year.According to the specific situation of the game,we set up the basic model of the car,the field and the autonomous control system,and give the basic development method of theoretical analysis,simulation calculation and online debugging.After comparing the performance of various algorithms,we determine the final plan,and complete the production and debugging of intelligent vehicle.In intelligent vehicle development process,through the comparison of various programs,and finally we decided to adopt a two wheeled structure.The idea of final plan is:system uses MCF52259 as main control MCU,through with the gyroscope and accelerometer posture of the cars themselves were detected and coders recorded path length,collected by the gyroscope and accelerometer data were analysis and processing,to cars rear wheel encoder collected data aided,to judge the cars range and speed,so as to control the car front wheel servo motor corner and rear DC drive motor speed and inertia of the flywheel rotation direction and speed,making the car capable of self balanced and smooth completion of the game.Key words:smart car,MCF52259,balance,inertia flywheel,steering gear,corner.目录目录 第一章：引第一章：引 言言.1 1.1 研究背景.1 1.2 概述.2 第二章：电路设计第二章：电路设计.3 2.1 电路系统框图.3 2.2 电源部分.4 2.3 电机驱动部分.7 2.4 编码器.8 第三章：机械设计第三章：机械设计.9 3.1 车体结构.9 3.2 惯性轮的安装.10 3.3 电池的固定.10 3.4 底盘高度调整.11 3.5 编码器及后轮驱动电机的固定.12 3.6 前后两轮结构下车的舵机位置调整.13 第四章：程序设计第四章：程序设计.14 4.1 程序控制整体流程图.14 4.2 平衡控制.15 4.3 速度控制.19 4.4 方向控制.24 第五章：上位机设计第五章：上位机设计.26 5.1 功能实现.26 5.2 软件界面（初步）.27 5.3 程序代码（部分）.27 第六章：总结与致谢第六章：总结与致谢.32 6.1 车模主要技术参数.32 6.2 目前状况与展望.32 6.3 感谢.33 1 第第一一章章：引引 言言 1.1 研究背景研究背景 教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等四大竞赛的基础上，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛，并成立了由教育部、自动化分教指委、清华大学、飞思卡尔半导体公司等单位领导及专家组成的“第一届全国大学生飞思卡尔杯智能汽车邀请赛”组委会。该竞赛是为了提高大学生的动手能力和创新能力而举办的，具有重大的现实意义。与其它大赛不同的是，这个大赛的综合性很强是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，这对进一步深化高等工程教育改革，培养本新意识，培养硕士生从事科学、技术研究能力，培养博士生知识、技术创新能力具有重要意义。以智能汽车为研究背景的科技创意性制作，是一种具有探索性的工程实践活动，其本质也是人类创造有用人工物的一种训练性实践，其过程属性是综合，而结果属性很可能是创造。通过竞赛，参赛的同学们培养了对已学过的基础与专业理论知识与实验的综合运用的能力；带着背景对象中的各种新问题，学习控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科新知识，包括来自不同学科背景大学生的相互学习，逐渐学会了在学科交叉、集成基础上的综合运用；若是以实用为目的，还必须考虑考虑可靠性、寿命、外观工业设计、集成科学与非科学，在具体约束条件下融合形成整体的综合运用。这样的训练是很有意义的。在智能车的开发过程中，各参赛队伍需要改装竞赛车模，完成智能巡线小车的制作。在此过程中需要学习嵌入式系统开发环境与在线编程方法、单片机接口电路设计，自行设计并实现识别引导导线的硬件电路、电机的驱动电路、车速反馈电路、智能车舵机控制电路以及能使小车在不驶出赛道的前提下可能快速行驶的控制策略与软件算法。第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛，已于 2006 年 8 月 21 日在清华大学顺利结束。为了使更多的高校、更多的大学生参与到这一活动中来，第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的理工类高等本科学校约270余所参赛，每个参赛学校限2个队；2 分五个赛区进行预赛，各分赛区的优胜队参加决赛。第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛将参赛规模扩大到每校四个队伍，比赛的普及性进一步提高。第五届比赛更是加入了全新的磁导航组，增加了比赛的多样性和精彩程度。第六届比赛也越办越大，越办越精彩。第七届比赛电磁组由两轮直立前行，更具有观赏性。第八届比赛障碍物的设计更是增加了智能车的挑战，对小车性能有了更高要求。第九届比赛增加了坡道和直角弯的赛道元素，挑战越大，比赛越精彩。智能车的开发与设计涉及到多个专业领域，对于大学生综合素质的培养，知识面的拓展和分析问题解决问题的能力的提高很有意义，并且有利于提高大学生的动手能力、激发创新能力。此外，制作这样一个高性能智能小车的过程，也是需要同组成员相互协作、紧密配合的过程，在此过程中，团队成员的交流与合作也显得尤为重要。为响应教育部的号召，本队积极参加第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。从 2015 年 6 月开始着手进行准备，历时近 2 个月，经过设计理念的不断进步，制作精度的不断提高，经历机械、算法、电路的改进，最终设计出一套完整的智能车开发、调试平台。本文将对智能车的总体设计和各部分的详细设计进行一一介绍。1.2 概述概述 1.2.1 机械设计机械设计 机械方面，主要是前后两轮的结构设计，惯性轮的固定方式与位置，以及对前轮舵机位置的确定、后轮电机编码器的固定、传感器的固定的研究和设计。1.2.2 电路设计电路设计 硬件设计是整个系统的基础，只有搭建好了稳定可靠的硬件环境，才能为后续的软件提供帮助，同时硬件设计也能为软件算法提供一种补偿作用，所以说好的硬件设计是系统最初设计的关键。1.2.3 调试平台调试平台 在调试平台下可以对于车的运行数据和状态，进行实时的观察和调试。3 第二章：电路设计第二章：电路设计 2.1 电路系统框图电路系统框图 2.1.1 电源部分电源部分 电源部分主要包括：电源开关保护指示、电源管理、主控制板和传感器电源、电机驱动、陀螺仪和加速度计。电源部分功能结构如下：图 2.1 电源部分系统框图 2.1.2 MCU 部分部分 MCU 最小系统部分主要包括：MCU 复位、通信模块、人机交互与外围器件接口，结构框图如下：电源 电源开关指示保护 电源管理 AD 采样 欠压警报 主板电源（5V）过流保护 电机驱动 电机 陀螺仪、加速度计 陀螺仪 加速度 4 图 2.2 MCU 部分结构框图 2.2 电源部分电源部分 为了方便了解系统电源的工作情况，故需要加入电源监视电路即时提醒注意电池电压状况。而且电源管理部分体积、功耗都不能太大，不能影响电路的正常工作。2.2.1 电源开关指示模块电源开关指示模块 由于智能车使用的直流电源，故一旦电池的正负极接反将造成很严重的后果，很有可能烧坏主控制板，故考虑在电源的最开始部分设计仿插反的结构和插反后的保护电路。一般来说，二极管拥有良好的单向导电性，故可考虑用二极管作为反接保护器件。JTAG 调试 串口 SD 卡 通信模块 MCU MCU 复位 人机交互 拨码开关 LED 显示 蜂鸣器 外围接口 编码器 电机驱动 陀螺仪、加速度计 液晶显示 5 图 2.3 电源开关指示保护电路原理图 2.2.2 主板电源主板电源 由于主控制板需要 5V 直流稳压，因此需要一个 5V 稳压芯片。根据分析可得：U=+5.0V+5%（4.75V-5.25V）,I 600mA。故 LM2940-5V 可以作为合适的稳压芯片选择。图 2.4 LM2940 稳压 5V 电路原理图 2.2.3 电机电源电机电源 电机是整个系统中，功耗最大的输出，电机驱动芯片的电源是直接给电机供电的电源，其布线要求要尽可能的宽，根据电机的最大堵转电流设计线宽。直接与电机相接的部分要注意电机线不能太细，要检查好电机部分的的硬连接，一般出厂电机在电路焊接上都比较很容易松动，要重新焊接。2.2.4 舵机供电舵机供电 舵机的使用手册中推荐使用 5V 或 6V 给舵机供电，由于比赛的性质，更高的电压可以带来更快的响应，考虑到电源和压降，设计时选择了 6V 稳压，使用性能良好，同时延长舵机的使用寿命，保护舵机。由于我们没有实际测量出舵机的工作电流最大值，所以只能在我们已知的芯片范围内寻找合适的稳压芯片，如下表：6 名称 输出电压（V）最大输出电流（A）压差（V）备注 LM7806 60.12 2.2 2.0 线性稳压 LT1084 可调 5 1.2 线性稳压 LM1117ADJ 可调 0.8 1.2 线性稳压 因为舵机部分电流未知，电源电压最低约为 7.5V，为保证 6V 稳压的正常工作，兼顾电流与压差的要求，我们使用 LT1084 芯片进行稳压，能较好满足要求。电路如下图：图 2.5 舵机稳压电路原理图 2.2.5 模拟地和数字地模拟地和数字地 保持低阻抗大面积接地层对目前所有的模拟和数字电路都很重要。模拟地一般是直流供电的负端(直流的公共端)，是实实在在地灵电位；数字地一般是低电平 0（电位不一定为 0）,但它可能不是公共端(0)，通常情况下都不是 0，会比 0高一点点。如果你把两个地直接接在一起，数字地就会将模拟地拉高，并且你数字电路中如果又高次谐波的话，也会通过模拟地传到模拟电路中，这些高次谐波可能在数字电路中没有大的影响。因为通常高频干扰电压都很低，数字信号的抗干扰能力强，因为高低电平都是一个范围，但是对于模拟电路就不同了，他会实实在在影响到你对模拟量的测量，所以通常模拟地与数字地中间会加一个零欧电阻，磁珠之类的。7 2.3 电机驱动部分电机驱动部分 电机驱动由：“PWM 逻辑电路”、“H 桥驱动电路”该两部分组成。2.3.1 PWM 逻辑电路逻辑电路 由 PWM 信号和方向信号进行逻辑运算得到结果去驱动 H 桥。图 2.6 电机驱动电路原理图 1 2.3.2 H 桥驱动电路桥驱动电路 该部分的重点是如何给电机提供尽量大的驱动电压（尽量接近电源电压）和电流，以及尽量减少驱动环节的能量损耗。该电路采用两片 BTS7960 半桥芯片构成全 H 桥，采用上小节陈述的 2 路 PWM 控制，输给两片 BTS7960。特点是响应速度快，过流量大。8 图 2.7 电机驱动电路原理图 2 2.4 编码器编码器 为了进行精确的速度控制，必须及时的知道小车的时时刻刻的速度，就需要用于测速的编码器。图 2.8 编码器电路原理图 上拉电阻RE9把编码器输出信号拉高是为了保证编码器不工作的时不产生随机信号；D 触发器实现鉴相功能；后一级电路的与或门把输出的两个信号进行倍频，可以提高分辨率（例如把原脉冲数为 1000，倍频后脉冲数为 2000，这样就可以把分辨率从 0.36 度提高到 0.18 度）。9 第第三三章章：机械设计机械设计 3.1 车体结构车体结构 参赛的车模平台可以选择制作如下图所示的三种比赛平台结构的任意一种。配置相应的驱动电机电路和转弯控制机构。图 3.1 组委会给出的三种平台结构示意图 本队未能找到可以直接适配的车模，最终本队采用前后双轮结构自己加工参赛车的机械结构，通过分析陀螺仪、加速计检测的信息改变惯性轮的转动。下表具体介绍本车模的基本参数。基本参数 数据 全车长度 300mm 前后轮距 240mm 全车宽度 130mm 车轮直径 75mm 10 整车质量 1208g 3.2 惯性轮惯性轮的安装的安装 为保证车的重心尽量左右前后对称，所以惯性轮尽量安装在全车的中心，并且应使车身的中心尽量的降低，所以将惯性轮安装在底板中心以及尽量靠近底板的安装方法。图 3.2 惯性轮的安装图 3.3 电池的固定电池的固定 由于电池的重量较重且体积较小，在整车中占有一定的比例，影响着重心的位置，所以电池固定的位置至关重要。我们选择将电池尽量靠后安装，并且保证 11 电池水平，以保证车的稳定性。同时为了防止电池的甩动，我们用扎带进行了固定。图 3.3 电池固定示意图 3.4 底盘高度调整底盘高度调整 理论上底盘越低，车的重心就越低，小车在行驶过程中就越稳定，但重心过低则会容易接触地面造成静止情况下就能平衡，为了权衡两者之间的关系，最终我们决定采用如下图所示底盘固定。12 图 3.4 底盘示意图 3.5 编码器编码器及后轮驱动电机及后轮驱动电机的固定的固定 为了考虑小车左右质量尽量对称的问题，本车采用质量相仿的编码器以及电机，将其装在车轮两端，让车身质量均匀，有利于小车保持平衡。编码器和电机的安装如上图所示。图 3.5 编码器及后轮驱动电机固定示意图 13 3.6 前后两轮结构下车的舵机位置前后两轮结构下车的舵机位置调整调整 在组委会规定的三种模式中，我们选择了前后两轮结构的车模，并将后轮作为动力轮，前轮作为从动轮。用舵机控制前轮的打角，从而让小车转弯。上图所示为小车舵机的安装方式。图 3.6 前轮舵机固定示意图 14 第四章：程序设计第四章：程序设计 4.1 程序控制整体流程图程序控制整体流程图 系统采用 MCF52259 为主控 MCU，以陀螺仪、加速度计作为传感器采集信号并使用电机驱动惯性飞轮进行平衡处理，用 PWM 控制舵机以控制转向，电机控制采用闭环控制，编码器测速后输出不同占空比的 PWM 以达到距离测量和速度控制。程序控制流程图如下图所示：15 图 4.1 程序控制整体流程图 4.2 平衡控制平衡控制 平衡控制的目的是让小车能够平稳且不左右晃动地行驶。开始 系统初始化 开直立中断 求 Y 姿态 调平衡 是否平衡 测距 是否前进 给速度 是否转向 求 X 姿态 转向 结束 Y Y Y N N N 16 平衡控制的效果和参数与车子的机械性能（重心高度、车身重量）密切相关，车子最好重心较低，重量合适，质量分布集中。由于我们选择的“自行车”结构的平台，而根据自行车的稳定性,车身转弯时，车身倾角与转向还存在一定的数学关系。此处,我们将车的倾角和车身转向作为模糊控制的输入,倾角校正值作为输出。模糊控制的目的是控制倾角,保持稳定性。在角度反馈控制中，与角度成比例的控制量是称为比例控制，与角速度成比例的控制量称为微分控制（角速度是角度的微分）。根据微分抑制控制震荡的思想，完成平衡控制。平衡控制的调试顺序是：先对平衡参数进行调节，使其达到这个效果：在陀螺仪和加速度计零点稳定的情况下，可以稳定地静止在原地，抖动小车会感受到明显的阻力，轻推小车，小车能够在 5 秒内平衡稳住。再对方向控制进行调节，在偏差计算正确的情况下，达到如下效果：拐弯处不会产生明显的延迟，不会产生明显的降速，转向姿态比较好，能够打过来而不会侧滑。控制车模平衡稳定的条件有两方面：能够精确测量车模倾角 的大小和倾角速度 的大小；可以控制惯性飞轮的加速度。下面分别从这两方面陈述：一、能够精确测量车模倾角 的大小和倾角速度 的大小 通过测量车模的倾角和倾角速度控制惯性飞轮的加速度来消除车模的倾角。因此，车模倾角以及倾角速度的测量成为控制车模平衡的关键。测量车模倾角和倾角速度可以通过安装在车模上的加速度传感器和陀螺仪实现。加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比如使用 Z 轴方向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在 Z 轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度 g 便会在 Z轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化。变化的规律为 u=kgsin kg 式中，g 为重力加速度；为车模倾角；k 为加速度传感器灵敏度系数系数。当倾角 比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。在实际车模运行过程中，由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车模的倾角。17 车模倾角在两个角度位置过渡，除了角度变化信号之外，还存在由于运动引起的电压波动，这个电压波动随着车模运动速度增加会变得很大。对于运动所产生的干扰信号，加速度传感器安装在车模上，距离车轴高度为 h。车模转动具有角加速度 ，运动加速度。那么在加速度传感器 Z轴上出现由于车模运动引起的加速度为 h+。为了减少运动引起的干扰，加速度传感器安装的高度越低越好，但是无法彻底消除车模运动的影响。车模运动产生的加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动。这些波动噪声可以通过数据平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波一方面会使得信号无法实时反映车模倾角变化，从而减缓对于车模车轮控制。另一方面也会将车模角速度变化信息滤掉。上述两方面的滤波效果使得车模无法保持平衡。因此对于车模平衡控制所需要的倾角信息需要通过另外一种器件获得，那就是角速度传感器-陀螺仪。陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响，因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号。我们通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。利用加速度计所获得的角度信息 与陀螺仪积分后的角度 进行比较，将比较的误差信号经过比例 1/T 放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进行积分。对于加速度计给定的角度 ，经过比例、积分环节之后产生的角度 必然最终等于 。采用重力加速度计和陀螺仪通过角度互补融合方式获取车模倾角和角速度，通过两个比例常数加权后，控制电机驱动电压，使得惯性飞轮产生相应的加速度，维持车模的平衡。这需要保证重力加速度传感器安装 Z 轴与车模直立中轴线严格垂直。如果出现角度偏差，上述控制实际结果是车模与地面 18 不是严格垂直，而是存在一个对应的倾角。在重力的作用下，车模会朝着一个方面加速前进。为了保持车模的静止或者匀速运动需要消除这个安装误差。在实际车模制作过程中需要进行机械调整和软件参数设置。另外需要通过软件中的速度控制来实现速度的稳定性。在车模角度控制中出现的车模倾角偏差，使得惯性飞轮在倾斜的方向上产生加速。二、可以控制惯性飞轮的加速度 车模的左右平衡是通过控制惯性飞轮的速度和加速度实现的。控制惯性飞轮的驱动电机的转速，实现对车模的平衡控制。惯性飞轮的驱动电机运动明显分为两个阶段：第一个阶段是加速阶段；第二个阶段为恒速阶段。其中，在加速阶段，电机带动惯性飞轮进行加速运动，加速度近似和施加在电机上的电压成正比，加速阶段的时间长度取决于时间常数。该常数由惯性飞轮的转动惯量决定，一般在十几到几百个毫秒。在恒速阶段，电机带动进行恒速运惯性飞轮行，运行速度与施加在电机上的电压成正比。调整车模角度的控制周期很短，时间一般是几个毫秒，远小于时间常数。此时电机基本上运行在加速阶段。车身平衡采用 PD 调节，基本算法如下：其中由加速度计直接获得的车身倾斜的角度静态性能较好，动态性能很差，在车子跑动过程中噪声很大，由陀螺仪获得的角速度的动态性能较好，但需要为其提供积分基准，而且需要实时对其进行矫正，避免误差随积分累积，所以比较好的办法就是利用融合算法将两者的结果进行融合，多传感器数据融合算法应用最广泛的就是 Kalman 滤波算法，对 Kalman 滤波参数调试的过程为：首先调试加速度计和陀螺仪的转换系数，目标是将加速度计、陀螺仪和日常角度单位统一起来，其中加速度计和陀螺仪的单位一定要统一，两者与日常角度单位不一定非要统一，统一起来便于理解和调试。利用串口发送数据，将减速度计测得的角度和融合之后的角度在虚拟示波器上显示出来，使最终波形达到如下效果：融合曲线能够及时追踪加速度计曲线，同时不会出现明显的过冲，也基本不受加速度计噪声的影响。此时的转换系数最佳。19 根据理论分析可知，加速度计主要为陀螺仪提供一个积分基础值，在小车跑动过程中它噪声太大，所以其方差会很大，而陀螺仪是一个积分过程，噪声很小，其方差较小，据此分析，加速度计和陀螺仪的方差相差很大，大约会在两道三个数量级，可以据此给出一个方差初值，查看融合曲线的追踪效果，再做相应的调节，得出较好的融合曲线。最终给出方差的第一次最优值。然后将直立参数调试合适之后，在根据直立效果需要微调该方差比例，调试原则如下：陀螺仪方差越小，角度变化相应越灵敏，直立越硬，反之，角度变化响应越迟钝，直立越软。调试平衡的 PD 参数：首先明确平衡控制中 P 参数和 D 参数的作用，P 参数相当于弹簧振子的回复力，D 参数在偏差增大时协助 P 参数加速对偏差的响应、在偏差减小过程中相当于阻尼，对回复力起到衰减的作用，防止过冲和震荡，所以对于需要及时响应的系统，除了需要较大的 P 参数外，还需要较大的 D 参数，实际系统中，为避免震荡，P 参数往往不能太大，所以此时往往需要增大 D 参数来加速响应，同时为了避免回复过程中对 P 参数衰减过大，D 参数也不能太大，据此分析，PD 参数都需要合适才能达到较好的控制效果。平衡 PD 参数调试过程如下：先使用单 P 控制，让 P 参数从 0 开始增加，最终达到这样的效果：在不受扰动的情况下，小车可以勉强站在平衡位置（加速度计和陀螺仪的给出正确零点），一旦受到扰动，小车会出现接近等幅的振荡，此时 P 参数的 0.9 倍，就是比较合适的 P 参数；在平衡调试积累一定的经验之后，可以尝试使用模糊 PD 来控制直立，在参数合适的情况下，会得到更好的效果。4.3 速度控制速度控制 速度控制的目的是让小车的速度在尽量短的时间内根据编码器反馈，达到设定幅期望速度，使速度控制对方向控制影响尽量较小，使其在转向时能够灵活自如。速度控制用的是编码器控速，基本思想是：编码器实时测距、测速，在距离为我们的预期值（每边大约走 2 米）内，做到配合平衡控制，平稳行驶。4.3.1 速度控制流程图速度控制流程图 20 图 4.2 速度控制流程图 4.3.2 PID 控制控制 速度控制采用 PID 控制。具体 PI 参数给定原则为，I 参数保持不变，P 参数在速度偏差较大时较大，偏差较小时较小，且减速时的 P 参数大于加速时的 P参数，减速 P 参数较大目的是为了能够在转向时迅速将速度减下来，加速 P 参数较小是为了防止沿边行驶时加速导致的震荡。PID 控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。这个理论和应用的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation）控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入 e(t）与输出 u(t）的关系为 u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt 式中积分的上下限分别是 0 和 t。因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s 开始 程序内置速度模式 设置期望速度 PID 算法控制期望 PWM PWM 调整惯性飞轮 结束 21 其中 kp 为比例系数；TI 为积分时间常数；TD 为微分时间常数。PID 控制由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti 和 Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样 PID 就可控制了。其次，PID 参数较易整定。也就是，PID 参数 Kp，Ti 和 Td 可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。第三，PID 控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用 PID 的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID 参数自整定就是为了处理 PID 参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的 PID 控制器已是工业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的 PID 控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了 PID 参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的 PID 参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的 PID 控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID 参数。PID 在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好。最重要的是，如果 PID 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，但简单的 PID 控制器有时却是最好的控制器。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传 22 感器，电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator），其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器(PLC），还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。可编程控制器（PLC)是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与 ControlNet 相连，如 Rockwell 的 PLC-5 等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 产品系列，它可以直接与 ControlNet 相连，利用网络来实现其远程控制功能。PID 是工业生产中最常用的一种控制方式，PID 调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳 PID 控制参数。PID 参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。可取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。PID 外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出）。可实现自动/手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动/自动的平稳切换。PID 外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈信号。PID 光柱显示控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对测量值及控制目标值进行数字量显示（双 LED 数码显示），并同时对测量值及控制目标值进行相对模拟量显示（双光柱显示），显示方式为双 LED 数码显示+双光柱模拟量显示，使测量值的显示更为清晰直观。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID 的主要三部分：1.比例控制 这是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state 23 error）。2.积分控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3.微分控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。4.3.3 PID 调整调整 1.比例增益 变频器的 PID 功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度：另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。比例增益 P 就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数 P 都给出一个可设置的数值范 24 围，一般在初次调试时，P 可按中间偏大值预置或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。2.积分时间 比例增益 P 越大，调节灵敏度越高，但