1、 . . 9/9飛思卡爾智能車光電資料 日期：基于光耦傳感器的控制方法-從離散量到連續量康世胤1，長城2，莫一林3，顧全全4，陸耿5(1. 清華大學自動化系，100084；2. 清華大學 自動化系， 100084；3. 清華大學 自動化系， 100084；4. 清華大學 自動化系， 100084；5. 清華大學 自動化系， 100084)摘要:第一屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能車邀請賽要求對高速行駛的小車進行實時控制，使其巡線完成比賽賽道。針對這種要求，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控制到相對連續PD控制的過渡，通過采集光耦傳感器輸出的模擬量，采用對稱求位置法得到

2、連續性較好的位置信息，利用雙排傳感器計算角度，對位置和角度同時進行PD控制，經過細致調試確定相應參數，并合理利用分段、設置死區等方法，最終小車可以獲得較好的穩定性和在高速情況對賽道中心線的跟隨特性。關鍵詞：道路尋跡；PID控制；對稱定位；離散；連續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”杯全國大學生智能車邀請賽的賽題是控制比賽小車，使其按要求用盡可能短的時間完成比賽賽道，比賽允許選手自行設計傳感器和控制

8、電路，并編寫控制程序，禁止改動舵機和輪胎等小車結構。針對這種要求，從控制系統的觀點出發，我們按照設計跟隨系統的思路設計車模的控制策略；從幾何關系上講，為了實現車模的尋線運動，控制器應當控制前輪轉向，滿足在車模運動中車身相對于線的位置偏差和車身縱向相對于線的夾角為0的控制目標。根據以上思路，尋線跟隨系統應當有2個輸入位置偏差和角度偏差，1個輸出舵機轉角，考慮了速度的因素后，系統便成為一個3輸入2輸出的復雜系統。在我們的方案中，位置偏差和角度偏差由光偶傳感器檢測得到，舵機轉角由PWM信號控制。由于通常傳感器檢測得到的量是離散量，動作控制也只能針對離散量進行控制，并且根據單片機的處理能力，我們使用數

9、字PID作為基本的控制器，但這只適用于低速情況，高速情況下過于離散的控制將造成系統控制緩慢、滯后，階躍變化較大，甚至無法達到控制目標。由于這種原因，將小車速度提升之后，對小車進行連續控制是十分必要的，實際結果證明，傳感器檢測模擬量進行連續位置和角度的PID控制可以使小車具有很好的穩定性和跟隨特性。數字量的采集和數字PID控制位置計算判斷傳感器輸出數字量，根據讀到黑線的傳感器確定位置，以14個光耦傳感器對稱排列為例，根據傳感器狀態，位置分別為-14,-13,0,13,14。其中-14和14分別表示黑線在傳感器左側且沒有傳感器輸出1和黑線在傳感器右側且沒有傳感器輸出1，其它奇數位置表示相應傳感器輸

10、出1，偶數位置表示相鄰兩個傳感器輸出1。數字PID控制通過對模擬控制系統PID控制規律的表達式進行離散化，得到直接離散控制（DDC）的PID表達式。比例控制比例調節主要用于影響系統響應速度，在一定圍，比例帶越小系統的響應越快。對于比賽中的小車系統，比例帶減小將加快控制速度，從而提高小車對賽道中心線的跟隨特性，但比例帶過小將使小車產生振蕩甚至跑出賽道。實際中發現，成比例的控制并不是最好的方案，類似拋物線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獲得較好的跟隨特性。可以利用Excel或其它工具得到所需控制量的逼近多項式表達式，然后通過查表方式或按公式進行計算得到控制量。積分控制

11、由于I調節的穩定作用差，并且降低系統響應速度，在對跟隨特性要求較高的的小車系統中不適合使用，因此控制策略中沒有積分控制，整個調節器為PD調節器。微分控制數字量較長時間不發生變化時，為了使微分作用有效，可以參照模擬調節器，在PD調節器輸出串聯一階慣性環節，即得到不完全微分PD調節器，計算式為。不完全微分算式的輸出在較長時間保持微分作用，通過調節a得到小車最佳的控制效果。控制效果在小車機械結構和傳感器等參數一樣的情況下，完成一整圈賽道，不完全微分的PD控制相對于單純的比例控制，時間節約12.5%（兩種控制用時分別為14s和16s），并且具有更好的穩定性。加入積分控制，小車性能總會變差。因此，針對比

12、賽小車系統，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，接收管輸出不經過施密特觸發器轉化成數字量，而是接到單片機的A/D轉換接口進行轉換。位置計算全局求位置法通過各個傳感器的信號可以計算出連續的黑線位置，較簡單的辦法是用類似于長桿求重心的方法，將各個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的位置信息。這之前需要做一些準備工作，由于不同傳感器具有差異，直接用A/D轉換的結果計算位置誤差較大。為了避免傳感器差異造成的影響，我們采用了先定標再用相對值進行加權計算的辦法，具體過程為

13、：程序開始前讓每個傳感器在賽道上進行掃描，分別記錄每個傳感器輸出信號的最大值max（對應讀到黑線中心的情況）和最小值min（對應遠離黑線讀到白色賽道的情況），用最大值減去最小值得到每個傳感器在賽道上的輸出圍，小車行使過程中，將每個傳感器輸出的信號減去最小值，再除以該傳感器的輸出圍即可得到其相對輸出值，再用每個傳感器的相對值與傳感器位置作加權平均得到的結果即為黑線位置。公式為，其中pos為位置，為第n個傳感器的相對輸出值，為第n個傳感器的位置。這種方法消除了傳感器差異造成的影響，并能夠得到相對十分連續的位置信息，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造成計算錯誤，黑線

14、與傳感器排列方向夾角越小錯誤越大。這是由于此時多個傳感器離黑線較近，因此輸出值較大，原本黑線位置較大時經過全局加權平均計算結果將偏小，用LCD（自制的調試手段，用LCD實時顯示程序變量等信息）顯示測量結果，誤差可達36%（正確位置為7cm，顯示值為4.5cm），這種情況將造成小車轉向不足，沖出賽道。解決辦法是采用下面介紹的對稱求位置法。對稱求位置法對稱求位置法的準備工作與全局求位置法一樣，使用的是傳感器的相對輸出值，先判斷出輸出值最大的傳感器，也就是離黑線最近的傳感器，然后根據該傳感器進行對稱加權平均求黑線位置。對稱求位置又分為奇數對稱求位置和偶數對稱求位置，參與計算傳感器個數在傳感器總個數的

15、約束下應盡可能大，即兩端的傳感器總是至少有一個參與計算。在前面所述情況下，誤差為7%（正確位置為7cm，顯示值為6.5cm）。對稱求位置法與全局求位置法相比穩定性強，但由于有公式的切換，位置的連續性不如全局求位置法。但當傳感器調節得較好時，二者可以有一樣的連續性，因為公式切換時被舍棄的傳感器和新加入計算的傳感器輸出均為0，這一點可以通過后面介紹的去除定標誤差辦法實現。角度計算多項式逼近雙排直線傳感器分別計算黑線位置，將結果之差除以傳感器間距再進行反正切運算即可得到角度值。反正切運算通過多項式逼近用多項式計算實現，我們的傳感器測量角度圍約為，與舵機轉向圍一樣，在這個圍，一次多項式對反正切函數的逼

16、近效果很好。去除干擾去除定標誤差由于程序開始前確定每個傳感器的最大值和最小值過程存在一定誤差，即該最大值和最小值并不分別等于小車運行時傳感器讀到黑線中心和讀到遠離黑線的白色賽道時的輸出值，這就造成很可能所有傳感器相對輸出均不為0，在用對稱求位置法計算時，切換公式時會使計算結果產生跳動，連續性變差，影響微分控制的效果。解決這一問題的辦法是：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，再計算每個傳感器的輸出圍。通過調整傳感器角度、位置，調節接收管上拉電阻和a的值，用LCD顯示每個傳感器的相對輸出值，得到以下效果為最好：相對輸出不為0的傳感器個數只為2或3，若最邊上

17、的傳感器相對輸出不為0，則該個數只能為2。這個條件不難滿足，滿足條件后（實際條件要更寬松一些）對稱求位置法的連續性將與全局求位置法的連續性一樣。去除地圖干擾由于地圖中的十字線、起點線和地圖外的場地會導致計算出錯誤的黑線位置，使小車控制出錯，通過設定以下約束可以解決這些問題：a.所有傳感器輸出都低于一個閾值時不計算新位置b.輸出超過閾值的所有傳感器并非連續安放的傳感器時不計算新位置c.輸出最大且超過閾值的傳感器與上一個滿足該要求的傳感器不相鄰時不計算新位置。連續性檢測用LCD輸出位置計算結果，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，位置較小時與位置較大時設置不同的比例帶，原因是傳感器寬度有限，檢測的位置圍也就有限，統一的比例帶過大會導致小車振蕩，過小導致最大控制量偏小，小車轉向不足，過彎時沖出賽道。使用分段比例控制既方便又可以解決以上兩種問題。角度控制設置了死區，由于檢測角度為0時，即使在直道上小車軸線與黑線也不嚴格平行，因此角度控制需要設置死區，以避免由此引起的小車直道振蕩。微分控制傳感器輸出模擬量的情況下檢測的位置連續性較好，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到很好的