智能小车实验系统设计文档

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1、欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 1 -智能小车实验系统设计文档朱仲本中国海洋大学工程学院2010年 1 月欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 2 -目录1 总体概述.31.1 基本原理介绍.31.2 系统主要性能指标及设计思路.42 主要模块及功能介绍.62.1 声音定位模块.62.1.1麦克声音采集电路板.62.1.2声音定位核心电路板.62.2 小车驱动部分.92.2.1喇叭驱动电路.92.2.2直流电机驱动电路.1

2、03 硬件调试步骤.11114 算法介绍及软件编程思路.134.1 声音定位算法.134.2 PID算法介绍.144.2.1介绍线位移误差和角度误差的产生。.154.2.2小车 PID编程思路。.155 PID参数整定.18185.1 线速度 PID参数整定.185.2 联合角速度 PID参数整定.196 结语体会.22欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 3 -1 总体概述此智能小车实验系统包含声音定位和小车寻迹两个主要模块， 核心开发板采用 EasyARM1138，硬件电路主要有麦克声音采集电路板、声音定位

3、板和小车驱动电路板三部分，系统整体结构示意图如下图1.1所示。图 1.1系统整体示意图此系统有一个可移动小车声源，三个麦克A 、B和 C ，麦克通过声音信号预处理电路连至声音定位核心电路板。声音定位板通过 A 、B 、C三点接收到声音的时间差计算出小车声源的坐标， 坐标可通过 232 串口发送给上位机显示实时曲线， 上位机回发小车目标点坐标，通过无线模块将小车当前实时坐标和目标点坐标送给小车。小车部分主要包含喇叭和电机驱动、无线模块和PID核心算法单元，在接收到小车实时坐标和目标点坐标后，经过PID单元和电机驱动模块输出控制左右轮直流电机，使小车最终运动到目标点。1.1 基本原理介绍系统原理框

4、图如图1.2 所示。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档-4 -图 1.2智能小车实验系统总体框图本实验的最终目的是要控制小车到达任一指定目标点，对于一个运动对象，主要的运动参数有两个：沿对象运动方向的线速度和垂直于运动方向的角速度。在智能小车实验系统中，与这两个参数相对应的就是小车左右轮电机的转速， 小车的线速度正比于左右轮电机转速的和，角速度则正比于左右轮电机转速之差。从上图 1.2 可以看到， 在给小车明确目标点坐标后， 系统将根据目标点和当前点坐标， 通过误差变换算法求出小车线位移偏差和目标点相对于原行驶

5、方向的角度偏差，对这两个偏差量分别进行PID 运算就得到了小车目标线速度和角速度， 再经过输出变换转化成左右轮电机转速， 小车运动时间t 后就将输出地速度量转化为位置变化， 通过声音定位系统就得到小车新的位置坐标反馈给小车。 本智能小车实验系统是一个双输入双输出的自动控制系统，输入是小车的目标点x、y 坐标，输出左右轮电机转速。1.2 系统主要性能指标及设计思路现通过调节硬件电路，可以将小车声源在1m1m 范围内准确定位，定位误差1mm。小车接收到坐标后，通过 PID 算法实现对平面内任意目标点的寻迹跟踪，跟踪目标点误差1cm。（1） 开发板工作频率的选定。小车声音定位坐标由定位算法得出， 输

6、入三个捕获定时器的两个差值计算得到小车 x、y 坐标。声音在空气中传播的速度为340m/s，即为 0.34mm/us，若要通过算法实现定位精度1mm，则标准定时器的最小时间间隔应最大为1us，即定时器的频率应至少设定为1MHZ。同理，如果要求定位精度0.1mm，则定时器的频率应至少设定为10MHZ。由于 Cortex-M3内核最高运行频率是 50MHZ，为尽量减少坐标计算时间，同时满足定位1mm 的指标要求，将开发板工作频率选定在50MHZ。（2） 小车发声频率的选定。基本的设计要求是使小车移动完成1mm 前将上一个位置坐标反馈给小车， 这样就实现了定位精度1mm 的要求。小车发声的两个时刻之

7、间，主要有三个过程：麦克接受到声音的时间t1、 坐标计算时间 t2和坐标回发小车时间 t3。实际设计中，应满足小车发声的时间间隔 T（t1+t2+t3） ，已知小车的速度v 的可调范围是（0.18m/s0.02m/s） 。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档-5 -在小车最高速，即 0.18m/s 时，计算知小车移动 1mm 需时 5.56ms，小车发声的时间间隔内麦克接收到声音的最长时间是124.16340/mtmsms=现回发小车定位坐标 x,y，每次至少需要用无线射频传送8 个字节：当前和目标位置的坐标高八

8、位和低八位。现将波特率设定为 9600kbps，每 1us 即可传送 9 个字节，完全可以满足定位的要求，所以可将t2+t3近似成 1ms。如下图 1.3所示，有 Tx= t1，Ts= t2+t3，T=50ms。有 t1+t2+t35.16ms5.56ms，即在小车最高速时也能满足定位1mm 的指标要求。由于小车在逼近目标点时，速度值将接近0m/s，故小车移动 1mm 需时将大于 5.56ms，也必然能满足定位 1mm 的指标要求。在实际设计中，为个过程时间留有一定的裕量， 设定坐标反馈时间为10ms， 再延时 40ms 打开捕获定时器，以隔绝相邻声音的干扰，将小车声源发声频率选定在20HZ，

9、即50ms 发声一次。图 1.3声源频率确定示意图（3） 标准定时器初值的设计。在本系统中，除了三路捕获定时器外， 还设计有一个标准定时器，在各路捕获定时器捕获到脉冲信号后， 读取标准定时器的计数值， 三个时间点做差即得到计算坐标需要的时间差：Ta-Tb 和 Ta-Tc，示意图如下图 1.4。图中两种情况都可得出正确的小车坐标，而第种情况下，标准定时器在计数到0，又返回初值开始计数，则此时得不到正确的时间差。所以，在选定标准定时器的时候，除了要大于小车发声周期外，定时器初值应该尽量大。在本实验中，选定定时器初值为 50000000，即定时 1s，小车声音为 50ms 发声一次，这就极大的减少了

10、第三种情况出现的可能。图 1.4标准定时器初值选定示意图欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 6 -2主要模块及功能介绍此智能小车实验系统主要由声音定位和小车驱动两部分组成，现简单介绍各模块构成及原理。2.1声音定位模块声音定位模块主要包括麦克声音采集电路板和声音定位核心电路板。麦克声音采集电路板主要是对采集到的小车声源声音进行滤波、 放大； 声音定位核心板则是使放大后的音频信号与比较器阀值电压进行比较， 输出脉冲信号给ARM ，ARM 再将三路麦克接收到音频的时间差进行坐标计算，进而得出小车当前的坐标，通过无

11、线射频模块实时发送给小车。2.1.1麦克声音采集电路板此部分电路图如下图2.1所示： （注：可调节页面比例200%细看） ，该部分的作用是将麦克采集到的模拟音频信号进行滤波、 两级放大， 使较小的音频信号成为比较器可识别的模拟信号。R12KR247KMKC10.01uFR347KR41KR51KC24700PR647KR747KR847KC30.01uFR947KR1047KC4100uFC60.1uFR111KR121KC54700PR1347K231411AU1A411567BU1B123JP1L110mH5VSIGNALGNDVCCVCC图 2.1麦克声音采集模块电路图2.1.2声音定位

12、核心电路板此部分核心是比较器电路，此外还添加了一个串行口，方便与PC 机通讯；一个无线射频模块，可将定位坐标实时发送给小车； 一个中文液晶接口，可以实时显示当前坐标；三个观测口，用于硬件调试时观测比较器输出波形；7805稳压模块，可实现9V 电源单独供电。1 ）比较器电路介绍本部分的电路原理图如图2.2所示，该部分电路的作用是，将麦克电路板经放大后的音频信号与比较器负端得阀值电压进行比较， 将模拟的音频信号转化为欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 7 -数字信号。 在实际应用过程中， 只需要用定时器捕获音频信

13、号第一个稳健波峰的比较值，调节硬件使三路 Timer均捕获该比较值，再计算三路Timer捕获该值的时间差，通过定位算法即得出小车坐标。图 2.2 比较器电路原理图其中，三路麦克输入信号与比较器芯片LM339的对应关系如表 2.1：MIC 信号输入对应的 LM339接口输出脉冲对应ARARMM的I/I/OO口A音频输入 OUT14 脚（input1负端）PB0（Timer0A）B音频输入 OUT26 脚（input2负端）PB1（Timer1A）C音频输入 OUT38 脚（input3负端）PF7（Timer2A）表 2.1 比较器接口对饮关系2 ）串口模块本部分的电路原理图如下图2.3所示，串

14、口通讯端口（使用UART0） ，具体接口情况如表 2.2ARMRs232PA0（ARM-Rx）Tx（232的 12 脚）PA1（ARM-Tx）Rx（232的 11 脚）GNDGNDVCC（5V ）VCC表 2.2 串行口与 ARM 接口关系欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 8 -图 2.3 串口电路连接图3 ）中文液晶端口接口说明如下表2.3ARM中文液晶VCC（3.3V）VCCPA2CSPA3SDATPA4SCLKPA5SCLK1PG2SDIPG3PL空空空空GNDGND表 2.3 中文液晶端口说明4 ）

15、无线射频端口（使用UART1） ，接口说明如下表 2.5无线射频模块的使用同普通串口一样，在使用过程中，可以自建通讯协议，现在发送时，每次发送的顺序如表 2.4，小车在接收到数据后，也将按照如下协议进行解码。位数数据类别功能介绍0ID用于区分不同实验小组的小车，防止通讯混乱。1CMD传输命令，给小车下达不同的指令。2X_L小车 x 坐标低八位。3X_H小车 x 坐标高八位。4Y_L小车 y 坐标低八位。5Y_H小车 y 坐标高八位。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 9 -6CHECKCheck信号，保证传输

16、的可靠性。70x0F 结束信号。表 2.4 无线传输协议表ARM无线GNDGNDVCC（5V ）VCCPD3（W-Tx）RxdPD2（W-Rx）Txd表 2.5 无线模块接口说明5 ）电源部分使用 220V/9V直流稳压电源，再通过 7805稳压到 5V 。电路板 5V 通过底层双排 I/O插槽与 ARM 的电源接通，同时给ARM 供电。电路原理图如图2.4.图 2.4 电源部分接口电路2.2小车驱动部分实验小车主要的硬件结构包括喇叭驱动电路，用于产生声源，实现定位；直流电机驱动电路以及无线射频接收模块。2.2.1喇叭驱动电路喇叭驱动采用了L298N驱动和 4905驱动两种方法， 通过跳线可以

17、对两种驱动方式进行选择。 图 2.5和图 2.6说明了这两种方法的电路原理图。 L298驱动方式下， PE0和 PE1控制喇叭音频电平高低， 每隔 50ms输出一个宽脉冲信号。 4905驱动时，每隔 50ms通过 PF2输出三个窄脉冲，控制喇叭发声。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 10 -图 2.5 喇叭 L298N驱动电路图图 2.6 喇叭 4905驱动电路图2.2.2直流电机驱动电路电机驱动采用了L298N驱动方法， 图 2.7明了这种方法的电路原理图。 其中，IN1 N2 用来控制电机的转向。 （I

18、N 3、IN4原理相同） ，逻辑关系见表 2.5。PB0为ARM 的Timer0A， PB1为Timer1A端口， Timer定时器PWM 初值为50000，欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 11 -PWM 占空比与电机转速的对应关系见图4.3。IN1IN2转向01正10反表 2.5 L298N的 IN 端逻辑关系表图 2.7 直流电机驱动电路图注：由于无线射频接收模块与电源部分电路原理与声音定位板相同，这里不再赘述，详细资料见附图中的各部分电路板完整电路图。3硬件调试步骤本实验系统若想精准实现控制目标，

19、作为其反馈环节的声音定位精度极为重要，在进行本实验的软件编程之前，定位精度必须先要调节精确，否则小车的寻迹跟踪就很难达到目标参数，下面介绍下具体的硬件调试过程，总结出如下几个主要步骤：第一步，观察麦克电路板输出的音频信号，确定要与阀值电压进行比较的声波点。麦克采集到声波后，会将其进行放大后输入给声音定位电路板，因而保证声波的稳定是下一步调试的基础。通过观察可以看到，麦克的输出声波波形大体如下图 3.1所示。调试时每个麦克需逐一观测，将发声的小车从接近麦克逐渐拿到远离麦克的位置，移动过程中利用示波器观察麦克电路板输出的音频波形， 图 3.1只是一种实验波形，实际操作中由于电路板焊接工艺等的差别，

20、音频波形也会有不同的情况。这就要在移动小车的过程中找到始终稳健为高电平（或始终低电平）的波峰（或波谷） ，一般情况下都是第一个波峰（或波谷） 。如图 3.1所示，若 A点不论小车欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 12 -如何移动始终为第一个稳健波峰，不出现高低电平的跳变，则在之后调节电位器的时候，就可以将阀值电压调在 Ua 附近，音频信号电压超过 Ua 后，LM339输出低电平，否则为高电平。反之，如果 A点不稳定，而 B点始终稳健为第一个波谷，则可设置阀值电压在 Ub 附近，每次电压低于 Ub 时，LM3

21、39输出高电平，否则为低。第二步，将小车喇叭发生信号与麦克输出信号联合调制，直到音频信号不发生突跳。将喇叭发声信号与麦克输出信号同时由示波器观测，最好使用数字示波器将喇叭信号与三路麦克输出音频同时输入同一示波器观测，也可使用双踪示波器， 将每路麦克输出分别与喇叭发生信号比对，大体波形如下图 3.2示：图 3.1 麦克输出的音频波形图 3.2 喇叭与麦克联合调制观测波形这时调整扩音罩的角度、表面光滑程度等，使图3.2的的四个波形相对静止，直到其中任一波形不发生突跳时本步调试完毕。第三步，调整电位器，设置合适的比较器阀值电压。在前两步做好的基础上，这一步骤就极为简单了，只需将声音定位板的的观测口用

22、示波器观测，调节电位器， 要保证小车声源在定位板的任意位置都能第一个稳健波峰 （或波谷）的将比较器输出拉为低电平（或高电平） 。第四步，检测定位结果是否准确，精度要求是否达到。在完成以上三个步骤之后，可以将声音定位系统的例程下入 ARM 中，通过中文液晶实时显示当前的定位坐标，查看是否能准确定位，是否达到了精度要求，是否滤掉了粗大误差。 如果上述要求有一个未达到， 则重复上述步骤， 调节电位器等硬件结构，欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 13 -直到精准定位。4 算法介绍及软件编程思路本智能小车实验系统的软

23、件部分主要有定位算法和PID算法两部分。 其他辅助算法可在实验过程中不断添加，现简单介绍下这两种主要的算法。4.1 声音定位算法图 4.1定位算法标识图如图 4.1示，小车声源坐标未知，设为（x ，y ） ，AB=AC=1m，已知量为t1 和t2 ，有t1 = Ta Tct2 = Tb T a由图 4.1 可得Lsa Lsc = t 1V =2222(1 )xyxy+ Lsa Lsb = t 2V =2222(1 )xyyx+ 其中 V 为当前温度下的声音在空气中的传播速度，一般取340m/s。最终可以解出 x 和 y 用t1 、t2 表示的算式。结果分成三种情况讨论：首先令t1=t1t2=t

24、2（1） 当t2 = 0 ，即 Ta=Tb ，在 AB 中垂线上时，有欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 14 -x=0.5设2 2144aVt=331144bVtVt=442 21122c VtVt=+242bbacwa =解得2|0.25|yw=（2） 当t2 0 时，分两种情况讨论，这里设12tmt= 212122(1)()2Vttttnt+=2 2224(1 ) 4aVtm=+2 22 222844bmnV tVt=+22 2442 2222421cn VtVtVt=+则有A、t2 0，即 TbTa，

25、在 AB 中垂线左侧时，有242bbacxa =y mxn=+B、当t20，即TbTa，在AB 中垂线右侧时，有242bbacxa +=y mxn=+注： 以上就给出了声音定位系统的坐标计算公式， 为尽量减少软件运算造成的精度损失，在实际编程时将时间差变量定义为double型。4.2 PID算法介绍实验小车的核心控制理论就是PID控制，输入量是当前点坐标、上一时刻坐标同给定目标点坐标产生的线位移偏差和角度偏差量，输出则是控制左右轮的欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 15 -PWM占空比，进而改变直流电机转速

26、。下面将从误差的生成、PID 编程以及输出控制方面介绍智能小车 PID 算法。4.2.1介绍线位移误差和角度误差的产生。示意图如图 4.2。每次只需要三个点即可求得误差量，即当前点N 、上一时刻点 P 和目标点 T 。图中由已知三点构成三角形，已知N 、P、T三点坐标，未知量是角度和边NT 长度 L。由几何知识不难得到以下步骤：设 N点坐标（Nx ，Ny ） ，P 点（Px ，Py ） ，T （Tx，Ty） 。易知线位移偏差就是22() ()NT LTxNxTyNy=+又有22() ()PTTxPxTyPy=+22() ()PNNxPxNyPy=+则222cos()2NPNT PTNP NT

27、+= cos所以=arccos（cos）这就求出了线位移偏差 L 和角度位移偏差的值，下一步就是进行 PID 的调试了。关于偏差的正负问题，将在总结体会中作阐述。图 4.2 误差计算示意图4.2.2小车 PID 编程思路。PID 调节是要将输入的线位移误差和角度误差经过 PID 运算后，转换为PWM占空比输出。这就需要首先了解小车直流电机的特性曲线，输出控制时应做限幅处理，去掉电机运动死区。设置定时器初值为50000，即周期 1ms，通过欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 16 -改变 PWM 匹配值变量 L

28、eft_speed和 Right_speed即可改变 PWM 占空比。在定时器使用时，先控制 PWM 输出反相，再设置定时器初值和 PWM 匹配值，从而使匹配值与 PWM 占空比成正比例关系，方便编程操作。PWM 占空比与 PWM匹配值 Left_speed和 Right_speed的对应关系如下：左轮 PWM 占空比=_50000Leftspeed右轮 PWM 占空比=_50000Rightspeed通过测试得出小车左右轮控制的 PWM 匹配值范围是： 正转 （1400045000） ，反转（1600045000）这也就是输出限幅范围。左右轮电机速度均衡，是通过设置左右轮 PWM 占空比使小

29、车走直线得出，左右轮 PWM 匹配值有如下关系：_1500RightspeedLeftspeed=+绘制如图 4.3和 4.4的左右轮直流电机特性曲线，测试方法是用定时器定时2 秒，再测得小车跑过的距离即得出小车实际转速。图 4.3 左轮直流电机特性曲线图 4.4 右轮直流电机特性曲线欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档-17 -编程按照如下增量式PID公式：U（k） = KpE(k)-E(k-1) + KiE(k) + KdE(k)-2E(k-1) + E(k-2)或U（k）= aE(k) + bE(k-1)

30、+ cE(k-2)其中，a=Kp + Ki + Kdb=-Kp -2Kdc=Kd实际编程时，PID控制器的程序框图如图4.5。之前生成的角度偏差与线位移偏差分别使用两个PID调节器，本实验中，给定的偏差应该都为0 ，即应使小车完全与目标点重合时才达到控制目标。角度PID输出小车的角速度，线位移PID则输出线速度，现以左拐为例，应该有Vt = K1（V右轮+V左轮）t= K2（V右轮-V左轮）所以得到V右轮=1222ttVkk+V左轮=1222ttVkk其中，k1和 k2的系数关系可以由框图中的 K 表示。图 4.5 PID控制器框图PID参数的整定在随后介绍，在先说明几个辅助算法。在智能小车实

31、验系统中，除 PID要控制左右轮转速外，还需要判断左转还是右转，若已知了目标点、当前点和上一点坐标， 根据几何知识很容易判断出转弯的方向。方向判断示意图如图 4.5，图中点 T （Tx，Ty ）为任一目标点，箭头代表小车车头，P点（Px，Py ）是当前点，N点（Nx ，Ny ）是上一时刻点，P点（Px,Py）是 N点沿 y 轴到直线 TN 的投影点。方向的判断分成两种情况讨论，图 4.4中区域判据相同，区域相同。1） 当小车处于目标点左侧，即区域时，若 PyPy ，则左拐；反之，右拐。2） 当小车处于目标点右侧，即区域时，若 PyPy ，则左拐；反之，右拐。已知 N 、T 、P三点坐标，很容易

32、求出P点的坐标，编程将 Py 与 Py比较，欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 18 -既可算出转弯的方向。现给出 Py的计算公式：()()()TyNyPxTxPyTxNx=图 4.6 小车转向判断示意图5PID参数整定PID参数的整定是本实验系统的关键，只有将 PID的三个参数合理设置， 才能使小车快速精确的达到控制目标。通过整定PID参数，希望能使小车调节时间更短，超调量更小，响应速度更快。本实验共涉及到线速度PID调节器和角速度 PID调节器 6 个参数，遵循先调线速度，再同角速度联合调制的基本顺序。在

33、每个 PID参数单独整定时，先整定比例系数 Kp ，再考虑整定 Ki 或 Kp 。现给出一种经验整定方法，按照先调线速度 PID，再调角速度的顺序。5.1线速度 PID参数整定第一步，整定比例系数 Kp 。首先通过计算大体确定 Kp ，有 PWM 输出控制范围是（15000 45000） ，在编程中坐标是以 mm 为单位的，故坐标取 3 位整数，如 x 坐标是 45.5cm，计算时应使用 455mm，所以线位移偏差范围（0 1400） ，可得Kp=（4500015000）/ （1400）21.4先只使用 P调节，将车头朝向目标点，由小到大改变 Kp ，观察小车运动效果。实验中，可看到小车速度变

34、化明显，由远及近逼近目标点时，速度由快变慢， 比欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 19 -例作用明显，上位机记录曲线如下图5.1。第二步， 加积分环节。 取比例系数为当前值的8 3， 由小增大积分系数 Ki，同时在远处将车头朝向目标点，输入阶误差信号，观察小车运动效果，调节Ki直到达到控制要求。第三步， 积分系数 Ki 保持不变， 改变比例系数Kp， 观察控制过程有无改变，如有改善继续调整，直到满意为止。否则增大比例系数 Kp，在调节积分系数 Ki，反复试凑，直到接近控制目标为止。第四步，适当引入微分环节。

35、引入适当的微分系数 Kd，此时，可适当增加比例系数和积分系数，同上步一样反复整定，直到得出理想的控制目标。图 5.1 上位机记录曲线5.2联合角速度 PID参数整定在联合调制中，除角速度PID的参数需要整定外，角速度与线速度的配比关系， 即框图4.4中的增益K 也需要整定。 角速度PID的整定过程与线速度整定相同，这里不再赘述，可参考上文的整定方法。下图 5.2和 5.3列举了角速度 PID加积分环节前后的小车运动曲线，目标点设定为（700mm，700mm）处，最后停止在（698mm，702mm）处，线偏移量残余物差2.8mm。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我

36、们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 20 -图 5.2 角速度 PID未加积分环节小车的运动轨迹图 5.3 角速度 PID加上积分环节小车的运动轨迹由两图对比可以看出，加上角速度PID积分环节后，小车动态响应更加迅速， 快速转向后， 几乎以直线逼近目标点。 观察小车速度可知， 在小车初始位置，由于角位移偏差和线位移偏差都很大，微分环节作用，小车高速转向目标点。 在行进过程中，由于积分环节误差累积，有一定时间的加速过程，而在逼近目标点时，线位移偏差和角位移偏差均很小，小车慢速逼近目标点。下图5.4画出了小车行进过程中，车速的变化曲线。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网

37、，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 21 -图 5.4 小车行进过程中车速变化曲线微分环节的作用体现在小车最初的转速上， 加上微分环节后， 在小车初始位置转速更快，但微分作用过大造成小车转速过快， 产生一定的超调量，故微分环节宜选取适当。采用工程整定方法，确定的PID参数为：线速度 PID参数：Kp=27、Ki=2、Kd=1；角速度 PID参数：Kp=75、Ki=8、Kd=2。参考增量式 PID的系数计算方法，实际计算公式如下：线速度增量有：(27 2 1) _1 (27 21) _2_3LvL errorL errorL error=+ + + +

38、。即30 _1 29 _2_3LvL errorL errorL error=+。角速度增量有：(758 2) _1 (75 2 2) _2 2_3AvA errorA errorA error=+ + + + 。即85 _1 79 _2 2_3AvA errorA errorA error= + 。小车增速轮 PWM 匹配值1()2AddvLvAv=+小车减速轮 PWM 匹配值1()2SubvLvAv=小车实际的输出，在方向判断为左转时，右轮加速左轮减速，右转则右轮减速左轮加速。在编程过程中，出现了积分饱和现象，小车转速已经到极限位置，仍然不能消除静差，由于积分作用，尽管PID所得的运算结果

39、继续增大或减小，但小车已无相应的动作。另外，在 PID控制中，积分环节的作用是消除静态误差，提高系统的控制精度。如果在误差较大的初始阶段引入积分环节，会造成PI的积分累积，从而引起系统较大的超调。因此，针对积分饱和现象，设计了一种积分分离的控制方法。积分分离控制基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时 , 取消积分作用， 以免由于积分作用使系统稳定性降低， 超调量增大。 当被控量接近给定值时，引入欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 22 -积分控制，以便消除静差，提高控制精度。 其具体实现步骤如下：1 )根据实

40、际情况，人为设定阀值（0） ；2 )当| e (k)| 时，采用 PD 控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；3 )当| e (k)| 时，采用 PID控制，以保证系统的控制精度。增量式积分分离控制算法可表示为：()()( 1)()() 2 ( 1) ( 2)UkKp Ek EkKi Ek Kd EkEkEk=+ + +其中按如下取值：1()0()e ke k=在本实验小车系统中，根据经验确定出值的大小：线偏差阀值700mm，角度偏差阀值120度。在实际系统运行过程中， 根据值来确定值。在控制初期，偏差较大，值为 0，积分控制作用为 0；当值为 1时，引入积分控制作用，由此来达到积

41、分分离的目的。本实验中使用的是工程整定方法， 而理论整定参数需要建立小车精确的数学模型，并将闭环系统的每一个环节细化，进行测量和计算。在工程方法中，实际是将诸多通道增益，诸如小车的摩擦力、PWM 输出与电机转速的转化增益等，都添加在了 PID参数中。6结语体会通过本实验的学习，我主要从以下几个方面收获颇丰：1 、 系统观念的养成。本实验系统是一个典型的双输入双输出系统，控制思想采用经典的 PID控制，这也是我第一次从系统的角度理解项目，较之于之前的电子设计大赛， 作品基本上都是开环系统， 本次实验对于我系统观念的养成有很大帮助，这也帮助我今后能从全局或系统的角度思考问题，解决问题。2 、 对理

42、论的理解与坚持。通过本实验的学习我对于所学理论知识有了更好的理解，而且我更加坚定了一点， 就是对于已经通过理论验证的方案， 只要坚定不移的严格遵循理论进行设计， 就一定能得出理想的控制效果。 偏离了理论的指导，一味追求暂时的控制效果，可能看似结果一样，但一旦提出了更高的控制目标，就很难实现了。3 、 技术的提升。从开始介入这个实验设计到完成小车基本功能，我先是熟悉了 Protel画电路板技术， 最初对软件十分陌生，在牛老师的帮助下更改了很多不足，终于成功制板，很有成就感。虽然只是了个双面板，但对于我熟悉软件的基本应用有很大帮助，这也为今后设计更复杂的电路板打下了基础。之后又参与了小车声音定位的

43、硬件调试，对于硬件电路的调试也改进了思路，以前都是茫无目的的瞎调，现在学会了从理解电路原理入手，逐一线路排查问题的方法，对于模拟电路读图有了初步的了解。最后就是 PID算法的实现，以前对于 PID的了解仅限于书面，从未上机操作过，现在看来PID编程看似简单，但关键是参数的整定，而且仅仅靠经验是完全不够的，我还要进一步学习PID参数的整定方法，与课本知识相结合，一定把PID彻底搞清。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！智能小车实验系统设计文档- 23 -4 、 不足之处。写文档时明显发现自己的理论基础不牢，由于之前的调试都太重结果，忽视了同理论的联系，现在看来需要恶补的正是基本理论知识，包括模拟电路分析设计、自动控制原理、过程控制等基本理论课程。另一方面，一直以来，都存在一个问题是编程能力欠缺， 程序合理性不够强， 以后要加强这方面的锻炼。此外，研究思路不够清晰，面对一个问题还是欠缺解决办法，不知道从哪里入手解决问题，这就需要以后不断的积累和锻炼了。