飛思卡爾智能車(chē)光電資料全

1、 . . 9/9飛思卡爾智能車(chē)光電資料 日期：基于光耦傳感器的控制方法-從離散量到連續(xù)量康世胤1，長(zhǎng)城2，莫一林3，顧全全4，陸耿5(1. 清華大學(xué)自動(dòng)化系，100084；2. 清華大學(xué) 自動(dòng)化系， 100084；3. 清華大學(xué) 自動(dòng)化系， 100084；4. 清華大學(xué) 自動(dòng)化系， 100084；5. 清華大學(xué) 自動(dòng)化系， 100084)摘要:第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)邀請(qǐng)賽要求對(duì)高速行駛的小車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使其巡線(xiàn)完成比賽賽道。針對(duì)這種要求，我們選擇了最成熟的PID控制，嘗試了由離散的不完全微分的PD控制到相對(duì)連續(xù)PD控制的過(guò)渡，通過(guò)采集光耦傳感器輸出的模擬量，采用對(duì)稱(chēng)求位置法得到

2、連續(xù)性較好的位置信息，利用雙排傳感器計(jì)算角度，對(duì)位置和角度同時(shí)進(jìn)行PD控制，經(jīng)過(guò)細(xì)致調(diào)試確定相應(yīng)參數(shù)，并合理利用分段、設(shè)置死區(qū)等方法，最終小車(chē)可以獲得較好的穩(wěn)定性和在高速情況對(duì)賽道中心線(xiàn)的跟隨特性。關(guān)鍵詞：道路尋跡；PID控制；對(duì)稱(chēng)定位；離散；連續(xù)Control Method Based on Photoelectric Coupling Device from Discrete Signal to Continual SignalKANG Shiyin1，LI Changcheng2，MO Yilin3，GU Quanquan4，LU Geng5(1.Automation, Tsinghua

3、 University, Beijing 100084, China；2. Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China；3. Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China；4. Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China；5. Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China；) Abstract:In the coming FREESCAL

4、E College Student Smart Car Competition 06, real time control strategies are required to be applied in the high-speed model car which to make sure the car tracking the unknown road and finishing 2 laps of game. Based on the requirement we select one of the most well applied proportion-integration-de

5、viation (PID) method. Much works are carried out including trying varies of strategy from initial discrete PD to final continual PD. In the current strategy analog output of photoelectric coupling devices are sampled and converted from A to D. Symmetric positioning method is applied to obtain precis

6、e direction information. Furthermore by applying dual sensor array the turning angle is calculated. PD method is applied on location and angle. After careful modification the corresponding parameters are decided empirically. In addition by using some other methods such as track segmentation and dead

7、 area presetting, the model car can obtain better status including good stability and fine tracking character in high speed.Keywords:Road Tracking, Proportion-Integration-Deviation Control, Symmetric Positioning, Discrete, Continual第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)邀請(qǐng)賽的賽題是控制比賽小車(chē)，使其按要求用盡可能短的時(shí)間完成比賽賽道，比賽允許選手自行設(shè)計(jì)傳感器和控制

8、電路，并編寫(xiě)控制程序，禁止改動(dòng)舵機(jī)和輪胎等小車(chē)結(jié)構(gòu)。針對(duì)這種要求，從控制系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，我們按照設(shè)計(jì)跟隨系統(tǒng)的思路設(shè)計(jì)車(chē)模的控制策略；從幾何關(guān)系上講，為了實(shí)現(xiàn)車(chē)模的尋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，控制器應(yīng)當(dāng)控制前輪轉(zhuǎn)向，滿(mǎn)足在車(chē)模運(yùn)動(dòng)中車(chē)身相對(duì)于線(xiàn)的位置偏差和車(chē)身縱向相對(duì)于線(xiàn)的夾角為0的控制目標(biāo)。根據(jù)以上思路，尋線(xiàn)跟隨系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有2個(gè)輸入位置偏差和角度偏差，1個(gè)輸出舵機(jī)轉(zhuǎn)角，考慮了速度的因素后，系統(tǒng)便成為一個(gè)3輸入2輸出的復(fù)雜系統(tǒng)。在我們的方案中，位置偏差和角度偏差由光偶傳感器檢測(cè)得到，舵機(jī)轉(zhuǎn)角由PWM信號(hào)控制。由于通常傳感器檢測(cè)得到的量是離散量，動(dòng)作控制也只能針對(duì)離散量進(jìn)行控制，并且根據(jù)單片機(jī)的處理能力，我們使用數(shù)

9、字PID作為基本的控制器，但這只適用于低速情況，高速情況下過(guò)于離散的控制將造成系統(tǒng)控制緩慢、滯后，階躍變化較大，甚至無(wú)法達(dá)到控制目標(biāo)。由于這種原因，將小車(chē)速度提升之后，對(duì)小車(chē)進(jìn)行連續(xù)控制是十分必要的，實(shí)際結(jié)果證明，傳感器檢測(cè)模擬量進(jìn)行連續(xù)位置和角度的PID控制可以使小車(chē)具有很好的穩(wěn)定性和跟隨特性。數(shù)字量的采集和數(shù)字PID控制位置計(jì)算判斷傳感器輸出數(shù)字量，根據(jù)讀到黑線(xiàn)的傳感器確定位置，以14個(gè)光耦傳感器對(duì)稱(chēng)排列為例，根據(jù)傳感器狀態(tài)，位置分別為-14,-13,0,13,14。其中-14和14分別表示黑線(xiàn)在傳感器左側(cè)且沒(méi)有傳感器輸出1和黑線(xiàn)在傳感器右側(cè)且沒(méi)有傳感器輸出1，其它奇數(shù)位置表示相應(yīng)傳感器輸

10、出1，偶數(shù)位置表示相鄰兩個(gè)傳感器輸出1。數(shù)字PID控制通過(guò)對(duì)模擬控制系統(tǒng)PID控制規(guī)律的表達(dá)式進(jìn)行離散化，得到直接離散控制（DDC）的PID表達(dá)式。比例控制比例調(diào)節(jié)主要用于影響系統(tǒng)響應(yīng)速度，在一定圍，比例帶越小系統(tǒng)的響應(yīng)越快。對(duì)于比賽中的小車(chē)系統(tǒng)，比例帶減小將加快控制速度，從而提高小車(chē)對(duì)賽道中心線(xiàn)的跟隨特性，但比例帶過(guò)小將使小車(chē)產(chǎn)生振蕩甚至跑出賽道。實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，成比例的控制并不是最好的方案，類(lèi)似拋物線(xiàn)的中間控制量變化慢，兩端控制量變化快的控制更有助于消除振蕩同時(shí)獲得較好的跟隨特性?？梢岳肊xcel或其它工具得到所需控制量的逼近多項(xiàng)式表達(dá)式，然后通過(guò)查表方式或按公式進(jìn)行計(jì)算得到控制量。積分控制

11、由于I調(diào)節(jié)的穩(wěn)定作用差，并且降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，在對(duì)跟隨特性要求較高的的小車(chē)系統(tǒng)中不適合使用，因此控制策略中沒(méi)有積分控制，整個(gè)調(diào)節(jié)器為PD調(diào)節(jié)器。微分控制數(shù)字量較長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)生變化時(shí)，為了使微分作用有效，可以參照模擬調(diào)節(jié)器，在PD調(diào)節(jié)器輸出串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)，即得到不完全微分PD調(diào)節(jié)器，計(jì)算式為。不完全微分算式的輸出在較長(zhǎng)時(shí)間保持微分作用，通過(guò)調(diào)節(jié)a得到小車(chē)最佳的控制效果。控制效果在小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器等參數(shù)一樣的情況下，完成一整圈賽道，不完全微分的PD控制相對(duì)于單純的比例控制，時(shí)間節(jié)約12.5%（兩種控制用時(shí)分別為14s和16s），并且具有更好的穩(wěn)定性。加入積分控制，小車(chē)性能總會(huì)變差。因此，針對(duì)比

12、賽小車(chē)系統(tǒng)，不完全微分的PD控制是最佳離散的PID控制方案。模擬量的采集和PD控制模擬量的采集和位置、角度計(jì)算模擬量采集傳感器仍然是紅外光耦傳感器，接收管輸出不經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，而是接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。位置計(jì)算全局求位置法通過(guò)各個(gè)傳感器的信號(hào)可以計(jì)算出連續(xù)的黑線(xiàn)位置，較簡(jiǎn)單的辦法是用類(lèi)似于長(zhǎng)桿求重心的方法，將各個(gè)傳感器輸出分別乘以傳感器位置再求和，除以所有傳感器輸出之和即可得到連續(xù)的位置信息。這之前需要做一些準(zhǔn)備工作，由于不同傳感器具有差異，直接用A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果計(jì)算位置誤差較大。為了避免傳感器差異造成的影響，我們采用了先定標(biāo)再用相對(duì)值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算的辦法，具體過(guò)程為

13、：程序開(kāi)始前讓每個(gè)傳感器在賽道上進(jìn)行掃描，分別記錄每個(gè)傳感器輸出信號(hào)的最大值max（對(duì)應(yīng)讀到黑線(xiàn)中心的情況）和最小值min（對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)離黑線(xiàn)讀到白色賽道的情況），用最大值減去最小值得到每個(gè)傳感器在賽道上的輸出圍，小車(chē)行使過(guò)程中，將每個(gè)傳感器輸出的信號(hào)減去最小值，再除以該傳感器的輸出圍即可得到其相對(duì)輸出值，再用每個(gè)傳感器的相對(duì)值與傳感器位置作加權(quán)平均得到的結(jié)果即為黑線(xiàn)位置。公式為，其中pos為位置，為第n個(gè)傳感器的相對(duì)輸出值，為第n個(gè)傳感器的位置。這種方法消除了傳感器差異造成的影響，并能夠得到相對(duì)十分連續(xù)的位置信息，相鄰兩次位置間隔小于0.5mm。然而，全局求位置法在某些入彎情況會(huì)造成計(jì)算錯(cuò)誤，黑線(xiàn)

14、與傳感器排列方向夾角越小錯(cuò)誤越大。這是由于此時(shí)多個(gè)傳感器離黑線(xiàn)較近，因此輸出值較大，原本黑線(xiàn)位置較大時(shí)經(jīng)過(guò)全局加權(quán)平均計(jì)算結(jié)果將偏小，用LCD（自制的調(diào)試手段，用LCD實(shí)時(shí)顯示程序變量等信息）顯示測(cè)量結(jié)果，誤差可達(dá)36%（正確位置為7cm，顯示值為4.5cm），這種情況將造成小車(chē)轉(zhuǎn)向不足，沖出賽道。解決辦法是采用下面介紹的對(duì)稱(chēng)求位置法。對(duì)稱(chēng)求位置法對(duì)稱(chēng)求位置法的準(zhǔn)備工作與全局求位置法一樣，使用的是傳感器的相對(duì)輸出值，先判斷出輸出值最大的傳感器，也就是離黑線(xiàn)最近的傳感器，然后根據(jù)該傳感器進(jìn)行對(duì)稱(chēng)加權(quán)平均求黑線(xiàn)位置。對(duì)稱(chēng)求位置又分為奇數(shù)對(duì)稱(chēng)求位置和偶數(shù)對(duì)稱(chēng)求位置，參與計(jì)算傳感器個(gè)數(shù)在傳感器總個(gè)數(shù)的

15、約束下應(yīng)盡可能大，即兩端的傳感器總是至少有一個(gè)參與計(jì)算。在前面所述情況下，誤差為7%（正確位置為7cm，顯示值為6.5cm）。對(duì)稱(chēng)求位置法與全局求位置法相比穩(wěn)定性強(qiáng)，但由于有公式的切換，位置的連續(xù)性不如全局求位置法。但當(dāng)傳感器調(diào)節(jié)得較好時(shí)，二者可以有一樣的連續(xù)性，因?yàn)楣角袚Q時(shí)被舍棄的傳感器和新加入計(jì)算的傳感器輸出均為0，這一點(diǎn)可以通過(guò)后面介紹的去除定標(biāo)誤差辦法實(shí)現(xiàn)。角度計(jì)算多項(xiàng)式逼近雙排直線(xiàn)傳感器分別計(jì)算黑線(xiàn)位置，將結(jié)果之差除以傳感器間距再進(jìn)行反正切運(yùn)算即可得到角度值。反正切運(yùn)算通過(guò)多項(xiàng)式逼近用多項(xiàng)式計(jì)算實(shí)現(xiàn)，我們的傳感器測(cè)量角度圍約為，與舵機(jī)轉(zhuǎn)向圍一樣，在這個(gè)圍，一次多項(xiàng)式對(duì)反正切函數(shù)的逼

16、近效果很好。去除干擾去除定標(biāo)誤差由于程序開(kāi)始前確定每個(gè)傳感器的最大值和最小值過(guò)程存在一定誤差，即該最大值和最小值并不分別等于小車(chē)運(yùn)行時(shí)傳感器讀到黑線(xiàn)中心和讀到遠(yuǎn)離黑線(xiàn)的白色賽道時(shí)的輸出值，這就造成很可能所有傳感器相對(duì)輸出均不為0，在用對(duì)稱(chēng)求位置法計(jì)算時(shí)，切換公式時(shí)會(huì)使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生跳動(dòng)，連續(xù)性變差，影響微分控制的效果。解決這一問(wèn)題的辦法是：掃描求出最大值和最小值后，將最小值加上輸出圍的a%（如10%）得到新的最小值，再計(jì)算每個(gè)傳感器的輸出圍。通過(guò)調(diào)整傳感器角度、位置，調(diào)節(jié)接收管上拉電阻和a的值，用LCD顯示每個(gè)傳感器的相對(duì)輸出值，得到以下效果為最好：相對(duì)輸出不為0的傳感器個(gè)數(shù)只為2或3，若最邊上

17、的傳感器相對(duì)輸出不為0，則該個(gè)數(shù)只能為2。這個(gè)條件不難滿(mǎn)足，滿(mǎn)足條件后（實(shí)際條件要更寬松一些）對(duì)稱(chēng)求位置法的連續(xù)性將與全局求位置法的連續(xù)性一樣。去除地圖干擾由于地圖中的十字線(xiàn)、起點(diǎn)線(xiàn)和地圖外的場(chǎng)地會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)誤的黑線(xiàn)位置，使小車(chē)控制出錯(cuò)，通過(guò)設(shè)定以下約束可以解決這些問(wèn)題：a.所有傳感器輸出都低于一個(gè)閾值時(shí)不計(jì)算新位置b.輸出超過(guò)閾值的所有傳感器并非連續(xù)安放的傳感器時(shí)不計(jì)算新位置c.輸出最大且超過(guò)閾值的傳感器與上一個(gè)滿(mǎn)足該要求的傳感器不相鄰時(shí)不計(jì)算新位置。連續(xù)性檢測(cè)用LCD輸出位置計(jì)算結(jié)果，相鄰兩次位置間隔小于0.5mm，相鄰兩次角度間隔小于。PD控制比例控制位置控制中的比例控制采用了分段比例控制，位置較小時(shí)與位置較大時(shí)設(shè)置不同的比例帶，原因是傳感器寬度有限，檢測(cè)的位置圍也就有限，統(tǒng)一的比例帶過(guò)大會(huì)導(dǎo)致小車(chē)振蕩，過(guò)小導(dǎo)致最大控制量偏小，小車(chē)轉(zhuǎn)向不足，過(guò)彎時(shí)沖出賽道。使用分段比例控制既方便又可以解決以上兩種問(wèn)題。角度控制設(shè)置了死區(qū)，由于檢測(cè)角度為0時(shí)，即使在直道上小車(chē)軸線(xiàn)與黑線(xiàn)也不嚴(yán)格平行，因此角度控制需要設(shè)置死區(qū)，以避免由此引起的小車(chē)直道振蕩。微分控制傳感器輸出模擬量的情況下檢測(cè)的位置連續(xù)性較好，因此不再需要不完全微分的PD控制，用一般形式的位置和角度微分控制即可達(dá)到很好的