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1、哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕业设计（论文）选集基于ARM的智能车道路识别与控制系统设计电气工程及自动动化学院：高文慧 指导教师：陈宏钧摘 要：本文文研究了智能能车的道路识别与控控制系统设计计问题。在分析智能能车模型的基基础上，提出出了一套智能能车控制算法法，并完成了硬硬件系统五部部分的设计：电源电路，基于红外传感器的路径识别系统，前轮转向装置，电机驱动装置和远程控制电路。采用模糊控制算法控制舵机，PID算法控制驱动电机，实现了对直道、蛇形弯道以及大半径弯道三种典型道路的自动寻迹。实验结果表明智能车能稳定地寻黑线行驶，在不同类型的道路上行驶的平均速度在1.3m/s以上。关键词：智能车车；道
2、路检测；ARM；模糊控制Abstracct：This thhesis studiies thhe traack deetectiion annd conntrol systeem dessign oof a smart car. Analyyzing the mmechannical struccture of carr modeel, thhe theesis sstudiees a cconducct traaffic contrrol allgoritthm foor the ssmart car aand acchievees a hardwware ssystemm whicch c
3、onnsistss of ffive pparts: powerr circcuit, trackk deteectingg systtem baased oon inffraredd, frontt-wheeel steeeringg deviice, motoor driiving devicce, and remotte conntrol circuuits. The thesiis devvelopss a PID algorrithm to coontroll the drivee motoor andd achieeves a Fuzzzy conntrol algorrithm
4、to coontroll the steerring mmotor. As a resullt, thhe smaart caar cann deteect annd folllow tthe tyypicall roadd of sstraigght rooad, ssnake road and bbig raadius road autommaticaally. The exxperimmentall resuults sshow tthat tthe smmart ccar caan traack thhe blaack-guuide llane smootthly, and tthe
5、avveragee speeed is over 1.3 mmeter per ssecondd on ddifferrent ttype llanes.Key worrds：smartt car lanee deteectionn ARM fuzzzy conntrol1 引 言智能车是一个由由传感器、控控制机构和控控制算法组成成的智能系统统，其基本原原理为由道路路识别模块获获取道路信息息，经微处理理器处理后产产生舵机与后后轮电机的驱驱动信号，使使智能车沿着着预设有黑色色引导线的白白色道路前进进,实现自主导导航。智能车车的设计涉及及计算机、电电力电子、电电机拖动等知知识，其开发不仅有有着诱人
6、的应应用领域和商商业前景，而而且是对人类类智能化技术术的挑战。智能车以LPCC2210微微控制器为核核心,配有路径识别别系统，前轮轮转向装置，电电机驱动装置置和远程控制制电路，能根据小车车的车速和车车的位置，控控制小车的转转向舵机和直直流驱动电机机，相应调整整小车的行驶驶方向和速度度，使智能小小车自动地沿沿着一条任意意给定的黑色色带状引导线线快速、稳定定地行驶。2 智能车硬件系统统智能车系统的总总体结构框图图如图2-1所示，该系统统以微处理器器LPC22210为核心心，外围包括括直流电源模模块、路径识识别传感器阵阵列、转向舵舵机模块、驱驱动电机模块块和车速传感器器五部分。2.1 ARRM LP
7、CC2210微微处理器LPC22100芯片是世界界首款可加密密的具有外部部存储器接口口的ARM芯芯片，是一个个支持实时仿仿真与踪的32位位微控制器，内内核为ARMM7TDMII-S。片内集成成了16KBB的RAM，具有UARRT、I2C、SPII、PWM和和ADC等众众多片内外设设，可简化系系统设计并提提高其性能。极极低的功耗、多多个32位定定时器、8路路10位ADDC、9个外外部中断及内内部PLL时时钟可调使其其特别适用于于工业控制系系统1。2.2 直流流电源模块电源模块为系统统和其它模块提供所需电压。本智能车车有多路电源要求求：单片机所所需的5V稳稳压电源，道道路识别传感感器模块需要要的5
8、V电源源，S30110伺服电机机需要的6VV电源，直流流电机驱动需需要的7.22V电源和基基于SC22272-T44遥控电路需需要的12VV电源。我们们现有的电源源是一块7.2V的镍镉镉充电电池，它它由6颗1.2V电池串串联构成，总总容量20000mAh2，相应的系系统供电图如如图2-2所示。图2-1 系系统总体结构构框图图2-2 系系统供电图2.3 路径径识别传感器器阵列识别单元由122组红外二极极管三极管耦耦合电路和基基于LM3224的比较电电路构成，传传感器阵列呈呈“一”字形等间距距排列，每组组间距1.66cm3。对于每个单单元，如果路路面条件为白白色，大部分分红外二极管管发出的光线线将
9、会被反射射，然后由红外三极管管接收，使三三极管导通，其其射极电压将将被拉高。三极管管的射极电压压与通过电位位器获得的参参考电压相比比较后获得低的电平信号号，则比较器输出逻逻辑0。如果路面条条件为黑色，大大部分红外二二极管发出的的光线将被吸吸收，红外三三极管截止并且发射极电压被被拉低，则比比较器输出逻逻辑1。通过过ARM处理理器I/O端端口读取传感感器信息，就就可以识别传传感器下方道道路的轨迹。2.4 转向向舵机模块智能车系统选用用S30100舵机，其控制制信号要求如如图2-3所所示。脉冲信信号的宽度决决定舵机的舵舵盘输出的角度，因因此改变脉冲冲宽度就可以以改变舵机的的转角，另外外脉冲宽度和和转
10、角成线性性关系，其公公式如2-1所示。其中是舵机的转转角，单位是是度，是脉冲冲宽度，单位位是ms。其其转角和脉冲冲的对应关系系如图2-44所示，可看出出两者成线性性关系。 （2-1）图2-3 舵舵机控制信号号要求图2-4 脉脉宽-转角关关系图2.5 直流流电机模块智能车后轮驱动动电机为RSS380他励励直流电机，采用继电器与IRF540配合的直流电机驱动电路，该方案的电路原理图如图2-5所示。当继电器未动作时，电机两端所加电压为左正右负；当继电器动作时，电机两端电压为左负右正。通过以上原理实现了电机的正反转，同时调节IRF540门极的驱动信号，进而调节电机两端的平均电压，从而达到调速的目的。2
11、.6 车速速传感器电机测速采用电电机带动遮光光盘，遮光盘遮挡挡光电开关，产生和速度度相对应的周周期脉冲信号号。选用对射射槽型光电开开关H12AA5S，其输出周期期方波的上限限频率为1kHz，完全可以满满足电机转速速的要求。3 智能车控制算法法研究3.1 智能车车转向控制算算法智能车的转向控控制是一个复复杂的控制问问题。如果采采用经典PIID控制，需要建立准确确的数学模型，但但实际上很难难做到。模糊控控制算法不需需要建立系统统的精确数学模模型，在一定经验验和试验的基基础上就能够够得到很好的的控制效果，适适于对智能车车转向问题进进行控制。本文中，将智能能小车的中线位置与与道路引导线线位置相比较较得
12、到一个偏偏差E，控制器根据据这个偏差值值来决定如何何对系统加以以控制，还需考虑偏差的变变化率E来进行综合合判断，输出量U为舵机控制制信号的脉冲冲宽度。所设计的二维维模糊控制器器4，如图3-1所示。图2-5 继电电器与IRF540相结合的驱驱动电路原理理图图3-1 智智能车模糊控控制器结构图偏差和输出量采采用七个语言言变量，即负大、负中中、负小、零零、正小、正正中、正大，一般用英英文字头缩写写为NB,NM,NSS,Z0,PPS,PM,PB。偏偏差变化率E采用三个语语言变量负,零,正，缩写写为N,Z0,P。智能能车通过122个光传感器器进行位置信信息的采样,其中相邻的两个传传感器可以同同时采集，这
13、样可以得得到21种路路面情况。将将编码值E作为模糊控控制器的一个个输入，编码值E作为另一输输入。E的编码输入入为：-11,-10,-9,-8,-77,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,33,4,5,6,7,88,9,100,11。考考虑到系统的的检测时间间间隔非常短,设偏差的变变化率E=-1,0,1。输出U的范围是1100,1900，对应输出出舵机控制信信号脉宽范围围是1.1ms,1.9ms。利用MATLLAB模糊逻逻辑工具箱中中的隶属度函函数编辑器，建立了输入入(E,E)输出(U)变量的隶属属度函数,输入E和E的隶属函数数曲线如图33-2 a)和3-2 b)所示，输出U的隶属函
14、数数曲线如图33-3所示。E的隶属函数数曲线采用中中间密，两边边疏的方式，提提高了路径识识别的精度。a) EC对应应的隶属度函函数b) E对应的的隶属度函数数图3-2 输输入对应的隶隶属函数从自动控制的角角度，希望一一个控制系统统在要求的范范围内都能够够实现很好的控控制效果。即在进行模糊糊控制系统设设计时，要注注意使描述某某一模糊变量量的模糊子集集在论域上的的分布合理，即即对论域的覆覆盖程度要好好。本文设计的智能车车模糊控制器器的覆盖状态态如图3-44所示，可见见其对指定范范围内的覆盖盖程度良好。图3-3 输输出U对应的的隶属度函数数图3-4 FFuzzy控控制的规则面面模糊规则是模糊糊控制的
15、核心心，智能车模模糊控制器相相应的控制规规则如表3-1所示。表3-1 模模糊控制规则则UENBNMNSZOPSPMPBECNSPBPMPSZOZONSNMZ0PMPSPSZONSNSNMPSPMPSZOZONSNMNB选取控制量变化化的原则是：当误差大或或较大时，选选择控制量以以尽快消除误误差为主；当当误差较小时时，选择控制制量主要是从从保证系统稳稳定性的角度度考虑。根据模糊输输入和模糊控控制规则,可由模糊推推理获得模糊糊输出，而实实际的控制必必须为清晰量量，因此要经经过清晰化的的过程。可采采用重心法的的方法进行清晰化。重重心法是指取取模糊集隶属属函数曲线同同基础变量轴轴所围面积的的重心对应的
16、的基础变量值值作为清晰值值的方法。模模糊控制的输输出只是一个个等级,然后乘以角角度的系数,就可以得到到角度的数值值。角度值直直接控制舵机机。3.2 智能能车速度控制制算法采用增量式的PPID控制算算法对直流电电机转速进行行控制，具体体算法如式（33-1），（33-2）。 （3-1） （3-2）式中为控制器的的输出；为k时刻的偏差差；为k-1时刻的的偏差；、分别为PIID控制算法法中的比例系系数和积分常常数。比例调节部分是是按比例反映映系统的偏差差，系统一旦旦出现偏差，比比例调节立即即产生调节作作用以减少偏偏差。积分调调节部分是使使系统消除稳稳态误差，提提高无差度。因因为有误差，积积分调节就进进
17、行，直至无无差，一旦停停止，积分调调节输出常值值。在实际的智能车车中，PIDD算法的应用存存在一些问题题：对直线上上的偏差进行行不断的修正正过程中，即即使是很小的的偏差，小车车也会不断的的加减速，影影响速度的提提升，导致系系统的不稳定定；调试时易易产生超调甚甚至是震荡现现象。鉴于以以上原因，PPID控制器器参数值的调调节显得尤为重要。经过多多次实验的到到理想的PIID参数值：=0.122，=0.001。4 智能车系统实验验研究智能车的软件设设计是智能车车控制系统设设计中的重中中之重，软件件设计由以下下几个模块组组成：LPCC2210初初始化模块、实实时路径检测测模块、舵机机控制模块、驱驱动电机
18、控制制模块、定时时中断模块和模模糊控制模块块。智能车控控制系统的程序流程图图如图4-11所示。为了了测试智能车的性性能，设计了了三种不同形形状的赛道，如图4-2所示。a) 全跑道b) 圆形跑道c) 8字形跑道图4-1 智智能车控制系系统程序流程程图图4-2 智智能车赛道实验结果显示小小车的运行平平均速度可达达1.33mm/s，由于于采用了模糊糊控制算法，在运行过程中智能车能够极好的跟随道路前进。具体行驶情况如表4-1所示。表4-1 不不同形状跑道道智能车的行行驶情况跑道形状长度(m)所用时间(s)平均速度(m/s)球场跑道9.981.248字跑道10.991.21圆形跑道53.751.33结
19、论本文利用直流电电源模块、路路径识别传感感器阵列、转向舵舵机模块、驱驱动电机模块块和车速传感感器，结合所提出出的控制算法法，实现了智智能车的寻迹迹与自动行驶驶功能。在模型车的的制作过程中中，完成了传传感器布置方方案的比较和和确定、直流流电机驱动方方案的确定、ARM微处理器外围电路的设计、控制算法的编写、模糊控制器的设计、模型车的部分机械改造等工作。为了提高系统的鲁棒性，采用模糊控制策略控制舵机的转角，达到自动寻迹的目的，具有较高的稳定性。系统采用PID算法控制智能车直流电机的转速，实现了智能车恒速、稳定的运行。实验结果显示小车动态性能良好，适应性强，行驶稳定，车速达到1.3m/s以上，达到了预定目标。参考文献1 周立功. ARRM嵌入式系系统基础教程程. 北京:航空航天大大学出版社. 2005:132-1332 卓晴, 黄开胜胜, 邵贝贝. 学做智能车车. 北京:北北京航空航天天大学出版社社, 20007:10-503 周斌. 智能车车光电传感器器布局对路径径识别的影响响研究. 电子产品品世界, 20066 (7):75-784 张国良, 曾静静, 柯熙政, 邓方林. 模糊控制及及其MATLLAB应用. 西安交通大大学出版社. 2002:19-28- 286 -