浅谈中职单片机课程教学方法改革

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摘要：论述了利用PID控制策略实现模型汽车自动跟踪行驶的一种方法，主要介绍了自动跟踪行驶系统的硬
‘件组成及相应的控制技术，并着重分析了PID控制策略在该类系统中的实现思想，以及相应控制软件的设计
过程。
现代信息技术的迅速普及正在有力地推动汽车设计的变革，其中智能化是一个大方向，智能汽车这
. R5 _; H1 q% C一概念内容较广，可以从很多方面实现智能化，其中，基于道路特征识别的智能汽车自动驾驶是各国研
究的一个热点。在道路特征识别中，一个很重要的方面就是道路边界的识别，识别的方法有多种，一种
' I& @  X" }# s7 I0 ?3 _" m0 l方法是采用CCD摄像机获取运动目标图像序列，用基于背景重建的运动变化，对运动目标检测，通过运
动分割并求运动梯度计算出物体运动方向，利用目标的短时相似性，完成对目标的跟踪与识别，这是一
种机器视觉技术；另一种方法是通过对环境景物的理解，识别人造或自然的路标，以完成智能汽车的定
位‘1。21。
本文主要介绍模型汽车通过跟踪人工设置标识，完成自动驾驶的一种实现方法，模型汽车自动驾驶
: L' B5 s; Q2 J" }# w! l需要解决的关键问题是：用传感器实现对路面信号的精确采集，使汽车能够自主识别路线；有效处理检
测信号，通过合适的控制策略来“教”会汽车怎样根据不同的路线信号灵活应变；根据处理信号，有效地
$ ?5 D% E" |1 z" X4 C控制执行部件，实现行走驱动电机和转向舵机驱动的控制。按照实现功能可以将系统大致分成以下几
  L& w; @* r/ F$ ?' Q5 S个环节：路面信号检测环节，输出驱动电机舵机环节，控制算法执行环节，作为示例的模型汽车采用
Freescale HCSl2单片机作为控制中枢，人工设置的道路标识为与白色路面轴线重合的黑色引导线。
1 硬件部分及其实现
3 m/ C3 H- G1 D模型汽车硬件部分由光电传感器、单片机、舵机、电源、系统电路板、驱动电机、车身等组成，如图I
所示。
; r' `. K7 `9 M. I" T路面探测选用8个LMl650红外光电传感器，该型传感器由一个红外线发射二极管和一个基极光
5 N" @0 e0 _+ @& H+ }控的接收三极管组成。红外线进行道路上黑
+ S% `2 d; W( d1 `5 I色引导线和白色路面的判定，从而控制舵机
6 p# F; a! V/ R转向和驱动电机变速。
模型汽车控制方向用舵机为伺服电机，
舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些
; E$ y2 i. f) h需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
5 ?8 t7 W5 ]1 f' r它可以在微机电系统和航模中作为基本的输
出执行机构，其简单的控制和输出使得单片
机系统非常容易与之接口。基于单片机的舵
# F3 I# U* h; S& {机控制系统有简单、精度高、成本低、体积小的特点，并可根据不同的舵机数量加以灵活应用，HCSl2单
片机具有编程实现脉宽调制输出(PWM)的功能，舵机可接收单片机PWM端口输出的、一定周期内具有
一定占空比的脉冲信号而转向。
3 r/ Z: O4 t/ f5 H& x- {' w& H动力部分中，电机的驱动选用Motorola公司的直流电机专用驱动模块MC33886控制，利用两个
PWM端口输出一定占空比的脉宽调制信号对该驱动模块进行控制，由这两个PWM端口输出的脉冲信
号经过驱动模块后输出到电机，依占空比不同，电机便产生不同转速，控制汽车的速度。
模型汽车可使用充电电池作为总电源，电源电压和容量依单片机和电机驱动模块的要求而定，为防
止单片机和电机使用同一路电源产生电磁干扰，设计时可用两路独立回路分别为二者供电。
7 z, t7 Y4 I* k/ l2 控制系统及其组成
控制技术，是指以一定的软硬件条件为基础，为了使被控对象实现某种功能，而利用各种手段对被控
对象施加各种影响以达到预期目的的技术和方法，控制可以利用硬件实现、软件实现或软硬件联合实现。
2．1 模型汽车控制技术的分类
在一定的硬件条件上，加入以单片机和嵌入式程序为核心的控制部分，即形成模型汽车的软／硬件
: B9 k4 z5 b. ~控制技术。它以控制算法软件为核心，选用符合性能要求的单片机从信号采集部分输入信号，经过软件
7 V7 {0 r' }7 W9 ]6 D2 A解析、运算、变送之后向执行部分输出指令和数据，以控制全车的各项性能，保证模型汽车稳定可靠，高
7 x8 r- e( l6 R5 ~! O1 N质量地按照运动要求运行。单片机先进的开发工具也大大降低了控制方案的设计难度，因此，软／硬件
控制技术是一种高度模型化、较强自适应的控制技术，应当成为设计的主要方向[31。
8 M4 A$ v6 Z% d1 n/ z" y) e) [" P能够应用于模型汽车的控制算法有刚性控制技术、比例一积分一微分(PID)控制技术、模糊控制技
2 _! i, h1 J7 j. H术等几种。
. O5 v5 |% L2 ]) F0 u2 F刚性控制技术，是指根据路面信号的变化，对每一种信号模式设定固定的处理方案和输出信号，在
模型实际运行中即根据获得的实际信号套用预定的方案输出的一种控制技术。
  Z+ e8 |1 R0 h6 b% q% iPID控制技术基于控制器、执行器、被控对象、反馈回路、比较器形成的闭环系统，在每个控制周期
中，利用被控量的给定值(期望值)和反馈回路回送的实际值在比较器中形成误差信号，经过误差放大、
. \4 }; q; H" X4 e6 v误差累积和误差趋势反映形成控制量作用于执行器，从而控制被控对象的性能。PID控制技术理论完
善，性能可靠，算法成熟且有多种形式(位置式、增量式、速度式)可供选择，对模型汽车的控制平稳连
" t, I+ r8 A5 \: K7 S3 d: n续，能够适应不同道路的要求，精度较高，是一种接近最优的控制技术。其缺点是参数整定需要理论和
实验以及经验共同确定，如果参数选择不当，整车性能会变差甚至不稳定，完全无法达到运动要求。
模糊控制技术是运用模糊数学和模糊控制理论于模型汽车运动控制的方法，它将汽车的运动状态
9 W! j$ C% s: [模糊化，选用合适的论域和其上的隶属度函数对汽车运动进行建模，汽车运动时的实时状态数据经过模
糊化处理送人控制芯片。进行模糊关系运算，运算结果通过反模糊化处理后控制动作部件¨。1。
本系统采用PID控制技术。
2．2模型汽车控制技术的实现方案
5 U- t7 f# D. Y" ]9 Z3 x& W该控制方案通过测量和计算，得
% |& S' D* r* E8 b) M: q到车体(包括车头和其他部位)安装
的传感器的信号，再根据不同信号决
定应采取何种控制方法及控制信号，
8 \8 l! [" @$ ]9 o$ z* {信号一一确定之后即可编程实现。图
& O7 J& c- v( h" }2为PID控制方案的框图。模型汽车
实际运行时，单片机内程序即可根据
7 e$ E( d1 E6 t+ J, T  x传回的实际信号寻找到相应的控制方
法，并生成控制信号输出。

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