基于k60智能小车速度控制系统的研究与发展

李伟领

摘 要智能小车可应用于无人驾驶车辆，生产线，仓库，服务机器人及航空航天等领域，它是一种可行走的智能机器人。智能小车可在恶劣环境中进行人们无法完成的探测任务。因此，为了使智能小车在最佳状态工作，进一步研究及完善其速度的控制是非常有必要的。本文介绍了基于k60智能小车速度控制系统的研究。

【关键词】智能小车 k60 速度控制

目前，智能车的发展迅速，在国内外智能车发展迅速，应用方面也比较广泛，在许多各类国际国外竞赛中智能电子的分量也越来越重。但是，在智能车速度稳定方面和智能控制方面一直是发展的难题。智能小车的速度的控制系统是本论文的研究重点。本车的设计思想是基于k60单片机的控制算法，设置一套稳定的速度控制系统，在速度控制方面具有良好的稳定性，控制算法上也具有很大的创新程度。

本设计是设计基于k60单片机由直流电机驱动的智能小车，包括直流电机驱动硬件电路，最小单片机应用系统等，分析速度控制原理，编写控制程序。本设计以k60单片机为智能控制系统，选择以飞思卡尔C型车模为机械设计的平台，通过简化硬件设计要求，通过传感器技术和电机控制技术，主要研究智能小车的速度控制系统的设计。小车以MK60DN512单片机为核心，其操作编译环境是在IAR中完成的，采用C语言编程，对各个模块进行主控制。小车设计主要包括硬件和软件两大部分，用模块化思想完成对硬件的设计，主要分为电源模块、电机模块、舵机模块、车速检测模块、显示模块、核心控制模块等。速度控制采用PWM技术以及模糊PID控制算法，实现对小车的在不同转弯半径下的快速通过。

1 控制系统原理

智能小车的核心控制单元作为整个系统的大脑，核心模块的选择具有至关重要的作用。目前，应用于智能车上的控制芯片主要有嵌入式微控制器、数据信号处理器、嵌入式微处理器三种。嵌入式微控制器的典型代表就是单片机，是将整个系统集成到一块芯片上，体积小、功耗和成本较低、可靠性高；数据信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波，分为可编程和不可编程两大类，DSP是进行数字信号处理的专用芯片，具有强大的数据处理能力和快速的运行速度；嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，具有32位以上的处理器和较高的性能，体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。

综合以上情况，在控制芯片上我们选择K60单片机，K60系列MCU具有IEEE1588以太网、全速、高速USB2.0OTG、硬件解码能力和干预发现能力，具有丰富的电路、通信、定时器和外围控制电路，高容量的K60系列带有一个可选择的单精度浮点处理单、NAND控制单元和DRAM控制器，而且K60具有高性能、高精度的混合信号能力、运算速度快、精度高等优点。

2 控制系统硬件设计

2.1 直流电机驱动电路

电机驱动模块的设计主要是为了弥补单片机自身驱动能力不足的缺陷，此电路中电机驱动模块主要是达到驱动后面两个直流减速电机的目的，实现电机的速度及正反转的控制。作为系统的动作执行结构，电机的驱动和控制，直接影响着系统运行的稳定性。

2.1.1 电机工作原理

电机控制通过采用控制直流电机两端的电压的大小，来实现对电机的控制。在本设计中，主要是通过输出脉宽调制PWM来实现的。主控单片机在接受并处理完成传感器传回的信息后，通过改变固定频率直流电压的占空比来改变其电压值，从而实现调速。占空比就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM时钟周期的时间之比。小车的正常运行中，电动机的供电与其它模块并不一样，电动机的速度是根据传感器的反馈随时要进行调整，然而单片机的输出信号电流非常小，根本不可能驱动电动机，因此需要一个专门的驱动模块来放大单片机的信号，从而实现对电动机的驱动。

在本设计中，采用专业栅电极驱动芯片分立MOS管的方式来驱动，用两片IR2104及四个MOS组成的全桥的电机驱动电路。IR公司的IR2104驱动芯片具有独立的高端和低端输出通道，有8个引脚，可以同时输出两个信号，高端和低端输入通道相互独立，能承受的电压较高、内阻小、体积小、保护性好、成本低。其8个引脚分别为VCC、Vb、HO、Vs、COM、IN、SD、LO。N-MOS管 使用IR公司的IR7843，。

2.1.2 电机转速的控制

PWM（晶体管脉宽调制）控制，一般是配合H桥驱动电路来实现直流电机的调速功能，这种调速方法简单、调速范围广，它是利用了直流斩波原理。

直流电机的转速与附加在电机上的端电压成正比，电压低，转速慢；电压高，转速快。而电机两端的端电压又与单片机输出的控制波形的占空比成正比，所以，直流电机的转速与占空比成正比例。占空比越小，电机转速越慢，当占空比达到最大值1时，电机转速达到最大。

PWM控制波形是通過模拟电路或者是数字电路产生实现的，但是这种电路的占空比不能自动调节，小车自身无法调节车速。目前普遍使用的大部分单片机都能够直接输出PWM波形，所以本设计就采用单片机给L298n驱动芯片输出PWM信号。

在小车实际行驶过程中，考虑到直行、转弯等情况的发生，占空比不需要设置太高，但为了尽量减少规定路程所用的行驶时间，在直行时要快速行驶，转弯时减速行驶，这些情况分别需要不同的占空比，这些需要根据具体情况慢慢调节。为了快速调节电机转速，并且使电机转速稳定在设定的速度值附近，本设计采用了PI算法。

2.2 速度检测模块

在本设计中采用旋转光电编码器欧姆龙EA62-CW3C，实现对小车速度的测量。它具有双向测速功能，可直接输出方波，通过两路方波的相位差来识别转动方向。信号采集速度快、精度高，精度达到车轮每旋转一周，旋转编码器产生200个脉冲，输出一系列脉冲。在旋转编码器的轴上安装一个半径为2厘米，齿数为76 的，传动比为1：1的齿轮，并将该齿轮与同轴后轮的传动齿轮咬合，这样车轮的转动便同时带动旋转编码器旋转。

2.3 舵机模块

舵机是由直流电机、变速齿轮组、可调电位器、控制电路板等组成。舵机的控制采用PWM信号开环控制，通过输入不同占空比的PWM控制信号，实现对小车方向的灵活控制。舵机采用S3010，舵机工作原理为：控制电路板接收来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵盘的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据其所在位置决定电机转动的方向和速度。

3 控制系统软件设计

智能小车能否正常运行，取决于单片机的智能控制，而连接二者的介质便是程序。在本设计中，要实现对小车的速度控制，分别从电源模块、电机模块、舵机模块、调速模块等几个方面出发，进行程序的编写与调试运行，最终形成一个整体的软件。程序编写的环境IAR软件， 它是由IAR Systems公司推出的编译器，他的编译环境界面简洁、编译效率高、而且调试环境工具强大，所以使用它作为智能小车单片机程序的编译环境。从创建工程到编译代码、调试运行再到J-Link下载到单片机上，都显示出IAR软件的优越性。单片机程序使用C语言编写，主要是因为C语言是一种结构化的编程语言，代码的可读性好，结构清晰。

本系統程序主要有系统主程序、电机控制子程序、舵机控制子程序、测速子程序等构成。采用模块化设计，单独编写设计，相互间不影响，最后在进行统一天使连接，最终实现对小车的速度控制。

PID即比例、积分、微分调节。

比例调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节作用用来减小偏差。比例作用大，可以加快调节，减小误差，但是过大的比例使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。个

积分调节作用是使系统消除静态误差，提高误差度。当有误差时，积分调节就进行，直至无误差时积分调节才停止，积分调节输出常值。积分作用的强弱取决于积分时间T1，T1越小，积分作用就越强。反之T1大则积分作用弱，加积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

微分调节作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间内选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。如图1所示。

4 总结

本设计速度控制系统可以使智能小车在在跑道上更快更稳的运行，同时保证智能小车能在弯道按照最大速度通过。。该多模式速度控制系统适用于多种类型的智能小车，可以使智能小车根据路面条件的变化，在速度调节上具有更好的灵活性。

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作者单位

装甲兵工程学院 北京市 100072