智能小车控制系统的设计与实现

郭勤，蔡亚永

（新疆工程学院，新疆乌鲁木齐，830023 ）

1 智能小车控制系统概述

智能小车控制系统是一个综合、复杂的系统，其既有多种技术，也含有嵌入式的软件设备和硬件设备、图像识别、自动控制和电力传动、机械结构等技术知识，智能小车的控制系统主要是围绕嵌入式控制系统进行的，将其作为操控的中心，并借助计算机系统，最终完成自动造作和控制的过程[1]。智能小车的控制系统流程图见图1所示。

图1 智能小车的控制系统流程图

2 智能小车的设计和实现

2.1 智能小车的硬件设计

硬件设计是保证智能小车平稳运行的必要条件，它关系着控制系统的精度和稳定性，因此在设计时需要用在模块化设计思想，该研究是通过采取硬件系统K60芯片作为核心控制器，并通过图像采集模块和电机、舵机驱动模块、测速模块、电源模块等组成硬件设计系统图，见图2。

图2 硬件设计系统图

首先，电源电路设计，该设计时智能小车的动力来源，为小车运行提供不断的电力，一般采取7.3V、容量为2000mAh的可充电型的镍铬电池作为电源，但是其不能直接为控制器传输电力，需要在转变电路后才可以进行传输。转变电路可以保证控制器直接对电池内的电压进行调节，保证不同模块可以正常工作和运行，智能小车主要是依靠控制电力和电机驱动进行转变的。

其次是K60最小系统板，在设计时需要将K60的管脚部分做成最小系统的单独电路板，这样可以简化电路板的设计，促使调试更加顺利，K60系统板主要由K60芯片、复位电路、时钟电路、JTAG下载电路、电源滤波电路组成。再其次是电机驱动电路，该电路是在集成芯片的驱动下进行的，可以为控制器更其他模块提供较大的电流最终集成电机驱动芯片，但是要特别注意这部分因为在电机驱动过程中有较大的分功率，会导致小车在进行调试时因为过大的电流导致小车电路发生堵塞现象，而使小车电路被烧毁，因此需要设计者避免这种现象，可以将驱动电路做成驱动板[2]。最后是舵机接口电路。在智能小车设计中，舵机主要保证小车可以顺利转向，因此舵机的运行电压、转向动作、转向速度都是需要考虑的因素，一般选择舵机时主要选择Futaba3010，选择供电电压为6V。

2.2 智能小车的软件设计

软件设计主要是指小车的控制系统内的编写和算法，其需要科学的设计程序，确保控制系统可以实现及时、维护性、可调试的作用，对于软件设计可以采取模块化程序编写的方式，可以将复杂的控制系统划分为不同的简单模块进行。第一，是对小车进行总体软件设计，主程序在设计时需要对不同的模块先进行数据参数的初始化、图像处理、路径识别算法计算、电机控制算法计算、舵机控制算法计算等。第二，是图像数据信息采集和处理，这需要用到摄像头的使用原理和道路图像的信息获取、图像信息的除噪音和滤波、黑线获取、特殊路段环境的解决等功能。第三，是速度检测模块的软件设计，对于智能小车，一般采取闭环控制，通过速度检测器将小车的运行速度传输给控制器，促使对小车进行闭环控制，本文设计采取光电式的编码其，确保编码器的脉冲可以逐渐增加来提高电机的转速，并通过设计科学的测量单位对小车的运行速度进行检测。第四，是电机和舵机控制，该部分是智能小车软件设计的关键部分，智能小车因为具有高速度，所以需要采用闭环控制提要电机和舵机的稳定性和坚固性，因此一般选择控制算法中常用的PID控制算法。对于PID控制算法主要是运用计算机控制系统中的PID核心控制器，将其转变为数字方程式从而进行精准计算，该算法有两种。第五，是速度控制模型，该技术是为了缩小智能小车在设计时基本控制理念和中心拟合线之间较大的偏差，从而对速度进行控制，在反复的调整后发现，一般选择的二次曲线模型控制效果不够精准，因此需要对中线的偏差值进行计算，通过不同时期的速度控制来提高控制效果。第六，是电机控制算法，此算法是为了控制小车的运行速度惯性而设计的，确保小车在行驶的过程中因为自身重量或者道路环境导致车身不稳或者其它问题等，该算法也是一种闭环控制，在此过程中一般选择递进式的PID控制算法，并对参数进行调整后，达到最优控制效果。第七，舵机控制算法，该算法不同于电机控制算法，舵机因为内部具有反馈系统，可以确保执行有力，但是在实际中，因为计分项系数的不稳定，所以需要通过调节比例项系数和微分项系数，运用PD控制算法进行调试，保证智能小车可以稳定形势。

2.3 控制系统的调试

此研究运用了一些硬件和软件工具，并对设计进行了调式，促使设计者及时发现问题，为智能小车设计的真正实现奠定基础。首先，本研究先对硬件设计进行了测试，根据硬件的设计原理和制作电路板，运用PCB绘制工具对设计图进行还原和仿真，该绘制工具可以实现人机界面，此PCB设计是为了检查小车的硬件设计的结构是否和小车内部的机械部分全面吻合，并确定电路板是否稳定，并检查了芯片问题，确保不同模块的功能完整。其次，对软件进行了调试，主要确保软件开发的环境可以为智能小车的开发提供程序编码，帮助开发人员将调试技术和开发环境结合在一起，确保提高开发效率。最后也会上机位进行了调试，确保小车在运行过程中黑线数据和行驶轨迹信息可以准确获取，一般选择PC端离线和PC端仿真，来提高调试效率，对图像数据信息进行采集[3]。该模式可以用来调节电机和舵机控制算法，促使其功能达到要求后，让设计人员在调试之前时对控制算法进行了解。

3 结束语

智能小车的设计与实现，是智能交通重点研究的问题，它具有很大的市场前景，可以被广泛应用在工程建设中和人们的日常生活中，本文研究对智能小车的内涵、智能小车的控制系统的设计和实现进行了设计，详细的阐述了硬件设计和软件设计，并对图像处理算法和系统控制算法也进行了详细的陈述。旨在为智能小车设计者提供相关的技术研究，让智能小车在市场上被广泛研究和实际应用，为我国汽车工业发展提供技术支持。