嵌入式智能小車測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、控制技術(shù)計算機測量與控制.2010.18(2)ComputerMeasurement修回日期:20090920。作者簡介:董宗祥(1981)男黑龍江人碩士研究生主要從事檢測與控制、嵌入式系統(tǒng)的研究。石紅瑞(1968)女博士副教授碩士生導師主要從事過程控制儀器儀表方向的研究。文章編號:16714598(2010)02035703中圖分類號:TP24216文獻標識碼:A嵌入式智能小車測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)董宗祥石紅瑞楊杰(東華大學信息科學與技

2、術(shù)學院上海201620)摘要:智能小車作為智能車輛的仿真車是研究智能車輛的基礎(chǔ)介紹了智能小車測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟硬件實現(xiàn)系統(tǒng)以ARM9為控制器采用μCOS2II操作系統(tǒng)用紅外傳感器識別路徑采用模糊自適應(yīng)PID控制策略得到控制量并最終通過舵機和直流電機對小車的位置和速度進行控制測試結(jié)果表明在該控制系統(tǒng)下智能小車具有良好的位置跟蹤和快速切換速度性能該系統(tǒng)可以作為對智能車輛進一步研究的平臺。關(guān)鍵詞:智能小車ARM9μCOS2II模糊自適應(yīng)PID

3、DesignImplementationofEmbeddedSmartCarMeasurementControlSystemDongZongxiangShiHongruiYangJie(CollegeofInfmationScienceARM9μCOS2IIfuzzyauto2adjustedPID.0引言近年來隨著智能交通、人工智能以及控制技術(shù)的發(fā)展智能車輛的研究在智能交通領(lǐng)域已成為熱門課題[1]。但是現(xiàn)今對智能車輛的結(jié)構(gòu)、運動特性、

4、智能控制策略的研究并不完善因此有必要對智能車輛的仿真版本—智能小車做更深入的研究。智能小車是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、微處理器控制、信號處理、電機驅(qū)動、人工智能、驅(qū)動電源的設(shè)計等諸多領(lǐng)域[2]。為了更逼真的模擬智能車輛智能小車的設(shè)計必須具備人工智能、信息交換、自我穩(wěn)定等性能[3]。本文設(shè)計的智能小車基于ARM9控制器和μCOS2II操作系統(tǒng)。首先概述智能小車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)然后介

5、紹控制器、導航、無線串口通訊、執(zhí)行等單元的硬件設(shè)計接著分析μCOS2II操作系統(tǒng)的移植、路徑提取方法和控制策略最后在賽道參數(shù)典型值為25mm的標準道路上對智能小車的性能指標做了測試并對測試結(jié)果進行分析。1智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1(a)為基于ARM9和μCOS2II的智能小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖控制系統(tǒng)主要包括4個模塊:探測模塊電源模塊通信模塊控制和執(zhí)行模塊。圖1(b)為智能小車實物圖。圖1(a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖圖1(b)智能小車實物圖探測模塊是

6、智能小車的位置傳感部分起著導航的作用。本文選用紅外對射傳感器作為探測裝置。根據(jù)反射原理智能小車通過判斷紅外接收管的通斷情況識別白色路面上的黑線并引導智能小車沿著黑色路徑平穩(wěn)地前進。電源模塊可以輸出712V、610V、313V、510V電壓分別為直流電機、舵機、控制器和外圍電路提供能源。第2期董宗祥等:嵌入式智能小車測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)359程序主要由以下幾部分組成:通訊模塊實時路徑探測模塊實時速度獲取模塊位置和速度閉環(huán)控制模塊LCD顯示

7、模塊電源監(jiān)控模塊。應(yīng)用程序軟件流程圖如圖3所示。圖3應(yīng)用程序軟件流程圖處理器初始化時通過配置S3C2440A的PLL寄存器使處理器工作在400M的系統(tǒng)頻率下。μCOS2II初始化時OS2Init()初始化全局變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并創(chuàng)建具有最低優(yōu)先級和永遠處于就緒狀態(tài)的空閑任務(wù)OSTaskIdle。調(diào)用OSTa2skCreate()函數(shù)創(chuàng)建優(yōu)先級最高的MainTask任務(wù)應(yīng)用程序劃分為6個任務(wù)塊來實現(xiàn)這6個任務(wù)由主任務(wù)MainTask創(chuàng)建優(yōu)先級

8、依次降低各個任務(wù)的詳細功能描述如下。無線串口監(jiān)聽任務(wù)(TaskUart)———監(jiān)聽上位機命令上傳位置和速度信息路徑信息采集任務(wù)(TaskRoadInf2Det)———讀取紅外傳感器探測到路徑信息濾波后提取黑色路徑的位置速度采集任務(wù)(TaskSpeedDet)———定時讀取旋轉(zhuǎn)編碼器采集的脈沖個數(shù)根據(jù)相應(yīng)公式計算當前速度控制策略任務(wù)(TaskControl)———對速度和位置實現(xiàn)模糊PID閉環(huán)控制LCD顯示任務(wù)(TaskLCDDisp)—

9、——顯示智能小車現(xiàn)場路況信息、速度及其他性能信息電源電壓探測任務(wù)(TaskVoltageDet)———對電池電壓經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換后計算出當前電池電壓。314路徑提取方法要使智能小車能夠準確地沿著黑色路徑行進控制器必須通過控制導航單元準確地提取黑色路徑位置。路徑提取算法描述如下:控制器驅(qū)動紅外傳感器發(fā)射管工作接收管信號經(jīng)過放大比較電路后送給控制器如果n號管接受信號為1則說明n號管對應(yīng)位置為黑色路徑反之為白色路面。根據(jù)黑線寬度(25mm)和傳感

10、器排布間距(22mm)分析某一時刻控制器讀取的路徑信息(blackLineLocation=0bxxxxxxxxxxxx)里的x位置理論上只有一個“1”或者兩個連續(xù)的“1”出現(xiàn)而實際的路面環(huán)境受光線和路面平整程度的干擾所以讀取的路徑信息要經(jīng)過濾波處理首先將上次的有效路徑作為基準預(yù)測本次路徑的可能區(qū)然后采取求均值的方法處理連續(xù)4次采集的數(shù)據(jù)如果這個數(shù)值在預(yù)測的可能區(qū)間里則作為本次路徑獲取的有效結(jié)果否則說明本次路徑提取受到干擾沿用上次有效路

11、徑作為本次獲取路徑的結(jié)果。315運動控制策略分析導航單元采集來的路徑信息智能小車的有效位置有23種狀態(tài)設(shè)計兩個兩維數(shù)組一個來存放每種狀態(tài)對應(yīng)的舵機期望旋轉(zhuǎn)角度另一個存放23種狀態(tài)下對應(yīng)的12種最大安全通行速度。所謂最大安全通行速度是指:智能小車在對應(yīng)的轉(zhuǎn)角情況下不丟失路徑順利通過彎路的最大速度。當反饋速度小于設(shè)定速度時智能小車加速大于給定速度時智能小車則減速等于給定速度時智能小車維持原狀。采用PID控制速度的算式如(1)所示:Δu(k)

12、=Kp(e(k)e(k1))Kie(k)Kd(e(k)2e(k1)e(k2))(1)Δu(k)為速度增量KpKiKd分別為比例積分微分系數(shù)。由于難以精確獲取智能小車的數(shù)學模型為了達到更好的動態(tài)控制效果這里根據(jù)輸入輸出的偏差e與偏差的變化率ec設(shè)計模糊推理引入PID控制策略構(gòu)成模糊自適應(yīng)PID控制[7]算法框圖如圖4所示。獲取模糊輸出量ΔKpΔKiΔKd分別用于在線整定KpKiKd計算公式如公式(2)所示Kx3為初始值。Kx=ΔKxKx3