申家正
摘 要:本設(shè)計以STM32系列單片機STM32F103RC作為核心處理器,輔以循跡模塊,測速模塊,超聲測距模塊,壓力傳感器模塊,通過PID算法構(gòu)成了完整的智能物流循跡小車,可以實現(xiàn)自動調(diào)速循跡功能,停車避障功能,自動往返功能。經(jīng)過測試,該系統(tǒng)運行可靠,成本低,抗干擾能力強,節(jié)省人力成本,可被用于教學(xué),智能玩具,倉儲運輸?shù)葓龊?,具有很好的使用價值。并且本系統(tǒng)保留多個接口,方便后期開發(fā),使系統(tǒng)更加實用。
關(guān)鍵詞:STM32;PID;智能小車;物流;循跡
中圖分類號:TP273 文獻標識碼:A 文章編號:1671-2064(2017)21-0027-02
小車作為現(xiàn)代智能小車熱門發(fā)展方向之一,是許多新技術(shù)的集合,它體現(xiàn)了車輛工程,自動控制,計算機技術(shù)和人工智能集為一體的綜合技術(shù)。本文提出了一種基于STM32F103芯片為控制核心,以循跡模塊,測速模塊,超聲測距模塊,通過PID算法構(gòu)成了完整的智能物流循跡小車,可以實現(xiàn)自動調(diào)速循跡功能,停車避障功能,自動往返功能。通過模糊PID和芯片自帶PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的結(jié)合,大大提高了對車輛位置和速度控制的精度。
1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
1.1 循跡模塊
本系統(tǒng)采用YL-70型紅外探測傳感器模塊實現(xiàn)循跡功能,其具有一對紅外線發(fā)射與接收管,發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線,當(dāng)檢測方向遇到障礙物(反射面)時,紅外線反射回來被接收管接收,經(jīng)過比較器電路處理之后,同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號(一個低電平信號),可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離,有效距離范圍2~60cm,工作電壓為3.3V-5V。循跡模塊電路圖如圖1。
1.2 超聲測距模塊
本系統(tǒng)采用US-100型超聲波測距模塊,塊可實現(xiàn) 2cm~4.5m的非接觸測距功能,擁有2.4~5.5V的寬電壓輸入范圍,靜態(tài)功耗低于2mA,自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進行校正,同時具有GPIO,串口等多種通信方式,內(nèi)帶看門狗,工作穩(wěn)定可靠,超聲測距模塊電路圖如圖2。
1.3 測速模塊
本系統(tǒng)采用A3144型霍爾傳感器模塊實現(xiàn)測速功能,探測到障礙物為高電平,無障礙物或超出探測范圍輸出低電平,測速模塊電路圖如圖3。
1.4 電機驅(qū)動模塊
本系統(tǒng)采用L298N芯片驅(qū)動直流減速電機,L298N芯片具有驅(qū)動能力強;發(fā)熱量低;抗干擾能力強;工作電壓高,最高工作電壓可達46V;輸出電流大,瞬間峰值電流可達3A,持續(xù)工作電流可達2A;額定功率25W。內(nèi)含雙H橋的高壓大電流全橋式驅(qū)動器,可以用來驅(qū)動直流電機和步進電機。其電路圖如圖4。
2 PID算法設(shè)計
在實際工業(yè)生產(chǎn)中,PID控制(比例、積分、微分控制)的使用最廣泛,是工業(yè)控制的重要技術(shù),它具有結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)整方便、穩(wěn)定性高和工作可靠等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用閉環(huán)PID為基本控制算法,實現(xiàn)智能小車的底盤速度閉環(huán)。
PID控制是基于反饋原理的線性控制,它將偏差e(t)的比例控制(P)、積分控制(I)、微分控制(D)進行線性組合,形成控制量u(t),從而對被控制量進行控制,PID控制原理圖如圖5所示。
可知當(dāng)已知PID三個系數(shù)后,根據(jù)每次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定的目標數(shù)據(jù)比較,得出偏差值e(n),e(n-1),e(n-2),對三個偏差進行PID增量運算,最終用得出的結(jié)果控制電機PWM脈沖占空比來控制直流減速電機轉(zhuǎn)速。
3 系統(tǒng)程序設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言編程實現(xiàn),小車進入工作狀態(tài)后,開始不斷掃描與探測主控STM32F103單片機的I/O口,一旦檢測到某個I/O口有信號變化,就執(zhí)行相應(yīng)判斷程序,把相應(yīng)發(fā)生信號傳給減速電機從而控制小車的狀態(tài)。
4 系統(tǒng)測試
根據(jù)本文設(shè)計方法制造智能物流循跡小車,實際測試結(jié)果表明,該方法設(shè)計的小車運行平穩(wěn),在長時間的工作中系統(tǒng)穩(wěn)定,沒有偏離既定軌跡,使用了增量PID算法使得小車加速和減速過程迅速且平穩(wěn),勻速過程速度穩(wěn)定,上下坡速度均衡,在有負載的情況下小車運行一切穩(wěn)定,小車轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定,未發(fā)生漂移,小車整體性能穩(wěn)定,實現(xiàn)了設(shè)計要求。
5 結(jié)語
本文根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和要求,制定了設(shè)計方案,并逐步完成了硬件和軟件部分設(shè)計,展示部分硬件電路和系統(tǒng)框圖。整個系統(tǒng)以STM32F103為主控芯片,實現(xiàn)對小車簡單運動的控制,采用數(shù)字PID控制算法對直流減速電機轉(zhuǎn)速進行控制。在項目進行中學(xué)習(xí)使用Altium Designer設(shè)計電路圖,在keil軟件下編寫各程序模塊,包括紅外循跡模塊、超聲測距模塊、霍爾測速模塊,并通過主程序?qū)⒏髂K融合在一起。整個設(shè)計將軟件硬件相結(jié)合,實現(xiàn)了小車的既定功能。經(jīng)過模塊測設(shè)和整車測試,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,成本低,抗干擾性能強,可被廣泛用于教學(xué),智能玩具和搬運貨物等場合,有很好的利用價值。
參考文獻
[1]孫書鷹.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計算機應(yīng)用,2010.3(1):59-63.endprint