关于智能小车软件设计的探讨

湖北工程学院　杨鹏胜



关于智能小车软件设计的探讨

湖北工程学院杨鹏胜

由于汽车工业的飞速发展，关于汽车的研究越来越多，各种在模拟环境（蛇形弯道）下的小车种类层出不穷。根据智能小车不需要人为持续管理，能够显示时间速度、里程；能自动寻迹，寻光，避障；在行驶时还可以控制速度、定位停止、传输图像等功能。在科学勘察、交通出行等领域有着广泛的应用前景。下面主要探讨关于小车软件方面的的设计。

1.控制算法

小车的控制包括电机和舵机的控制，具体的控制算法有PID控制，bang-bang算法控制和模糊控制。

1.1PID控制

PID 控制是工业过程控制中历史最悠久，生命力最强的控制方式。这主要是因为这种控制方式具有直观、实现简单和鲁棒性能好等一系列的优点。PID控制主要有三部分组成，比例、积分、微分。比例控制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。偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变 化，控制作用的强弱取决于KP。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差为了消除稳态误差，引入积分控制。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。为了预测预测误差变化的趋势，引入微分的控制器，这样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。PID控制狂徒如图1所示，

图1　

对应的误差传递函数为：

式中，Kp 为比例增益；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数；U（s）为控制量； E（s） 为被控量与设定值 R（s）的偏差。时域表达式为：

在单片机中，我们仅能对数字信号处理，即数字 PID 控制。将上式离散化，得：

A.位置式PID算法直接利用上述离散化公式计算，框图如右图所示。由于积分项（Pi）是将所有采集值偏差相加，在一段时间后会很浪费单片机资源。对其稍加改进，得到 增量型 PID 算法。

B.增量式 PID 算法为：

式三减式四得：

由此，第k个采样时刻实际控制量为u（k）=u（k-1）+△u（k），为方便书写，写为：

其中，q0=（1+T/Ti+Td/T）， q1=-Kp（1+2Td/T），q2=KpTd/T

由上可知，利用三个历史数据，递推使用，即可完成PID控制量。框图如图2所示。

1.2模糊控制

一般控制系统包含了五个主要部分，即:定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及反模糊化，底下将就每一部分做简单的说明：

（1）定义变量：也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，输入变量有输出误差 E 与输出误差之变化率 CE，而控制变量则为下一个状态之输入U。其中E、CE、U统称为模糊变量。

（2）模糊化（fuzzify）：将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值（linguisitc value）求该值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合（fuzzy subsets）。

（3）知识库：包括数据库（data base）与规则库（rule base）两部分，其中数据库是提供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。

（4）逻辑判断：模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。此部分是模糊控制器的精髓所在。

（5）解模糊化（defuzzify）：将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为系统的输入值。模糊算法可以解决一些非线性问题，将赛道分为直线、入大小弯、出大小弯、蛇形弯道，对应的直线加速、入大弯减速转方向、入小弯制动转方向、出弯加速、蛇形弯道直接通过（若可以达到这种前瞻性）。要达到这种控制要通过实际 检测，分析大量赛道磁场信息，找出它们的特征。

2.软件的设计及实现

软件运行需要配置单片机各个模块寄存器数值，使单片机各个模块正常工作。初始化中包括：单片机时钟配置、I/O口配置、PWM模块配置、A/D模块配置、RTI实时中断配置、脉冲捕捉模块配置。当初始化完毕后，进入跑车程序：对传感器输入信号进行采样，当完成一次采样后将采样值映射成车相对于跑道的位置，根据当前与过去位置决定舵机转角和电机速度，通过改变PWM模块内部寄存器数值可以得到不同占空比的方波信号，实现对舵机和电机的调节。软件整体流程如图3所示。

图2　

图3

小车调试上述算法参数的获取必须通过实际的测量，跑道信息的获取用蓝牙蓝传送数据。利用蓝牙串口模块，将所需数据发回PC机，通过 MATLAB仿真分析偏差变化，对数据进行处理得到赛道信息，从而调整参数使之达到最佳值。

3.结语

综上所述，小车软件设计需要考虑实际操作中方方面面的问题，而控制方法更是重中之重，虽然模糊控制可以较好解决一些非线性问题，但控制复杂，实际调试中较PID控制无明显优势，所以我们采用PID控制。舵机为位置式PD，虽然存在稳态误差，但可以快速响应；电机控制为增量式 PID，由于给定速度频繁变化，采用微分先行 PID，使电机能够快速响应。

［1］夏克俭.数据结构及算法［M］.北京:国防工业出版社，2001.

［2］仲志丹，张洛平，张青霞.PID调节器参数自寻优控制在运动伺服中的应用［J］.2000.