引言
在智能車競賽中，速度控制不能采用單純的PID，而要采用能夠在全加快 、緊急制動和閉環(huán)控制等多種模式中平穩(wěn)切換的“多模式”速度控制算法，才能根據(jù)不同的道路狀況快速 準(zhǔn)確地改動 車速，實現(xiàn)穩(wěn)定過彎。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
按照競賽要求，本文設(shè)計的智能車速度控制系統(tǒng)，以飛思卡爾MC9S12DG128 單片機為核心[1]，與車速檢測模塊、直流電機驅(qū)動模塊、電源模塊等一起構(gòu)成了智能車速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。單片機根據(jù)賽道信息采用合理的控制算法實現(xiàn)對車速的控制，車速檢測采用安裝于車模后軸上的光電編碼器，直流電機驅(qū)動采用了由四個MOS管構(gòu)成的H橋電路如圖1所示，電源模塊給單片機、光電編碼器和驅(qū)動電機等供電。
MOS管構(gòu)成的H橋電路
系統(tǒng)建模
一個針對實際對象的控制系統(tǒng)設(shè)計，首先要做的就是對執(zhí)行器及系統(tǒng)執(zhí)行 建模，并標(biāo)定系統(tǒng)的輸入和輸出。為了對車速控制系統(tǒng)設(shè)計合適的控制器，就要對速度系統(tǒng)執(zhí)行 定階和歸一化[2]。對此，分別設(shè)計了加快 和減速模型測定實驗。通過加裝在車模后輪軸上的光電編碼器測量電機轉(zhuǎn)速。編碼器齒輪與驅(qū)動輪的齒數(shù)比為33/76，編碼器每輸出一個脈沖對應(yīng)智能車運動1.205mm。車?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)加給電機的PWM波的占空比執(zhí)行 調(diào)速。
單片機上的PWM模塊可以是8位或16位的，為了提高調(diào)速的精度，電機調(diào)速模塊選用16位PWM，其占空比調(diào)節(jié)范圍從0到65535，對應(yīng)電機電樞電壓從0%到100%的電池電壓。 將車模放置在一段長直跑道上，采用開環(huán)方式給驅(qū)動電機加上不同的電壓，記錄車模在速度進入穩(wěn)定后的速度值。然后將所測得的電樞電壓與車速執(zhí)行 擬合的曲線如圖2所示，由圖1可將智能車加快 模型近似為線性模型。
電樞電壓與車速關(guān)系曲線
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以確定車速執(zhí)行器系統(tǒng)的零點和增益。車速V與占空比PWM_Ratio的聯(lián)系 見公式1： V = PWM_Ratio×402 + 22000 (1) 其中：PWM_Ratio的取值范圍為0-65535
車模減速有三種要領(lǐng) ：自由減速、能耗制動和反接制動。自由減速動力來自摩擦阻力，基本認(rèn)為恒定。能耗制動是將能量消耗到電機內(nèi)阻上，制動力隨著車速的降低而降低，也可通過控制使加快 度減小得更快。反接制動通過反加電壓實現(xiàn)，制動力與所加的反向電壓有關(guān)。
由于輪胎抓地力有限，制動力超過一定值后會發(fā)生輪胎打滑的情況。一旦發(fā)生打滑，會使剎車距離變長，過彎半徑變大。如果能使剎車力始終控制在臨界打滑點上，則可以獲得最短的剎車距離。在這三種減速要領(lǐng) 中，只有反接制動可以根據(jù)不同的車速給出不同的反接剎車力，讓車速以最大斜率下降。因此，通過大量實驗測定出不打滑的最高剎車電壓，最高不打滑劃占空比約為55000。
因為不同賽道會有差異，在編程時留有了余量。以震蕩作為識別車模在剎車時能不能 打滑的標(biāo)志?？梢苑秩《鄠€ 典型的車速，讓車模在直道上加到預(yù)設(shè)的速度，然后分別用一組反接電壓執(zhí)行 反接制動，觀察并記錄最高不打滑的剎車電壓。這樣，每個典型車速都得到一個對應(yīng)的最大剎車電壓。將最大不打滑反接電壓與車速比較 后，發(fā)覺最大不打滑反接電壓與車速成比例聯(lián)系 。
考慮直流電機的模型，外部電壓加到電機電樞上時，電機轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生反電勢，此電壓與車速成正比例聯(lián)系 。當(dāng)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的反電勢等于外加電壓后，電機速度達到穩(wěn)態(tài)。因此，反接制動電壓減去電機產(chǎn)生的反電勢之后剩下的電壓部分才是用于減速的。在車模要減速的時候，可以先通過當(dāng)前車速計算出轉(zhuǎn)子的反電勢，然后在這個基礎(chǔ)上再疊加一個反接制動電壓，送到執(zhí)行器上。
車模前進的阻力主要分為地面滑動摩擦力和風(fēng)阻，車模在行駛流程 中質(zhì)量保持恒定不變。在車速較低的情況下，風(fēng)阻也可認(rèn)為是恒值。結(jié)合以上實驗數(shù)據(jù)和推理可知，車速模型的主要部分為一階慣性環(huán)節(jié)。
速度控制策略
經(jīng)分析，賽道大致分為直道，90度和90度以上的彎道和S形彎道等類型，要想在不同道路上發(fā)揮出最大速度，關(guān)鍵疑問 是如何 判斷出道路的情況，以下是幾種道路的判斷條件和通過策略。