光电循迹小车控制系统软件设计

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1、光电循迹小车控制系统软件设计　　【摘要】循迹小车竞赛是全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛中的一项重要赛事。本文提出了一种光电循迹小车软件设计方案，主要由四部分组成：路径识别、舵机控制、速度控制、转弯控制。实验表明这套方案可以结合赛道的各种路况信息调整车体速度，转角，保证最短时间跑完全程。【关键词】循迹小车；光电传感器；智能控制；软件设计循迹小车竞赛是为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革而开展的一项有广泛参与的活动。制作光电循迹小车分为硬件制作和软件编写两部分，硬件制作已经有很成熟的固定方案，本文提出了一种光电循迹小车软

2、件设计方案，主要由四部分组成：路径识别、舵机控制、速度控制、转弯控制。实验表明这套方案可以结合赛道的各种路况信息调整车体速度，转角，保证最短时间跑完全程。该方案是以光电传感器做路径识别，舵机根据检测到的信息随动，最后做出速度控制。整个系统传递函数：（1）其中为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。71.寻迹方案设计硬件采用光电管传感器一字排开的排布方式，如图1所示。光电循迹小车在赛道上不止直行，还可能有以下几种状态：直行赛道、十字交叉线、起始点处。传感器被标记为14路，相应传感器二值化处理，即：在黑线上采值大于某个数值定义为1，在白板处采值小于

3、另一个数值定义为0。光电管采集到的值是模拟量，通过AD转换成数字量，送入到单片机中与设定的电压进行比较。为增加准确度，对AD值采样采用了中值滤波法，这种方法可以去除瞬间干扰。由此，就可以确定光电循迹小车在任一时刻传感器标志位的读取位置的状态了。赛道上交叉线和起跑线类似，需要程序精确处理。交叉线处光电管能够全部检测到黑线，每个光电管都会有1到0或者0到1的变化；起跑线处，起始线黑线和赛道黑线之间有一个空隙，为提高适应性，认为空隙在5.5～8.0cm之间都为有效值。在车体速度较快时，单纯的光电管判别起跑线会出现不准确的情况，为提高准确性采用了干簧管作为

4、辅助检测方式，干簧管检测到起跑线，车立即停止[1]。2.速度方案设计7速度子程序的编写是软件部分的重要一环。赛道不同，同样的速度子程序效果差距会很大。因此，速度子程序要考虑不同赛道的具体情况。2.1速度标定方案光电循迹小车通过直道和弯道时，期望的控制方式是不同的。因此，可以通过舵机的舵角值做出直道弯道的判断。当舵机打过一定角度时，就认为车体在弯道上，否则认为车体在直道上。2.2速度控制方案光电循迹小车速度控制主要采用PI调节。控制主要思想：由于机械等原因车体的实际速度与期望速度之间有差距，记为Ess。速度基于舵机舵角进行改变，本次的速度值是上一采样

5、周期与速度之差的和。速度与各参数关系如下式：不同的赛道要预备不同的方案：（1）匀速方案：此方案全程都使用一个速度。适合同时含有大弯道小弯道、直道弯道交替频繁、直道较短的赛道；基本所有赛道情况都可以适应。（2）弯道匀速，直道加速方案：直道和弯道的速度差基本取决于车体的机械性能。机械性能好，可加速度就会较大，否则两者速度差应较小些。此方案用于大弯道小弯道交替出现，直道比较突出的赛道[2]。7（3）入弯减速，出弯加速：由于舵机控制采用PD控制，D参数可能会引起超调。对于某个D参数，可能会出现大弯道效果不好，但其他赛道效果很好的情况，对于这种状况就会选择入

6、弯减速，出弯加速方案，既防止了了车体出道，又提高了速度。3.转弯方案车体转弯时，主要考虑三方面：转弯角度，切弯路径，转弯速度。（1）车体转弯角度决定了车辆的过弯道的稳定性。合适的转弯角度，不仅可以减少车体在弯道的机械调整，降低损耗，而且可以使路径最优，提高车体稳定性。为减少时间提供保障。转弯角度与以下几方面有关：赛道偏移量较小时，转向的灵敏度；偏移量较大时，转向的灵敏度与连续的弯道处理。（2）切弯路径简单说就是内道、外道的选择。切内道，路径短，但由于曲率半径较小，赛道是平面，转弯力矩完全由摩擦力提供，速度较大时，车体容易出现侧滑等不稳定状态；切外道

7、，路径稍长，但由于曲率半径大，可以拥有更高的转弯速度。7（3）转弯速度的选择，受到转弯角度和切弯路径的影响。理论上说，入弯减速，出弯加速时最省时间的一种方案，但过弯的选择方案又分为恒速度过弯，加速过弯，减速过弯。单纯分析转弯速度，会忽略转弯角度和切弯路径的影响，出现期望效果不好甚至系统不稳定。借鉴前几年比赛经验以及自己调试的体会，决定过弯速度调整为：入弯时，速度降为最低速，有足够时间进行调整，以获得正确转弯角度；在弯道适当提速，保持角度，为加速做准备，这样就尽量保证了车体速度和切弯路径的最佳结合；出弯时，加速，对于避免在连续弯道的出错率，将出弯加速

8、的加速周期延长，虽然会浪费一些时间，但对于保证车体稳定性及整体效果起到了很大作用。综合考虑，这种选择可以保证较好稳定性；调