基于PLC控制的智能小車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29835基于PLC控制的智能小車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)案例 1261531.1keiluVisions5開發(fā)環(huán)境介紹 1233381.2轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制 283931.3直流電機(jī)控制 370361.1.1電機(jī)速度閉環(huán)控制 3236481.1.2電機(jī)位置閉環(huán)控制 429901.4自主循跡控制 6227891.5超聲波測距跟隨控制 71.1keiluVisions5開發(fā)環(huán)境介紹2013年10月，Keil公司(ARM公司之一)正式推出KeilMDKv5，該版本使用uVision5IDE集成開發(fā)環(huán)境，是目前針對ARM微控制器，尤其是ARMCortex-M內(nèi)核微控制器最佳的一款集成開發(fā)工具。MDKv5向后兼容KeilMDK-ARMuVision4，以前的項(xiàng)目同樣可以在MDKv5上進(jìn)行開發(fā)，MDKv5同時加強(qiáng)了針對Cortex-M微控制器開發(fā)的支持，并且對傳統(tǒng)的開發(fā)模式和界面進(jìn)行升級其主要包含五方面特性，具體為∶（1）內(nèi)置數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)同時實(shí)現(xiàn)多種配置與操作；（2）具備功能強(qiáng)大、性能良好的編譯工具；（3）提供在線聯(lián)調(diào)功能；（4）與之相配套的信息資料十分完善。圖1.1編譯環(huán)境1.2轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制由于伺服舵機(jī)本身具有內(nèi)部的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，所以本文研究同樣采用位置式PID控制算法對智能小車的前輪伺服舵機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制，位置式PID控制算法定義公式如下∶當(dāng)位置式PID的積分項(xiàng)到達(dá)飽和程度時，誤差會繼續(xù)在積分環(huán)節(jié)的作用下積累，如果誤差開始進(jìn)行反向變化時，控制系統(tǒng)需要一些時間從積分的飽和區(qū)域退出，所以在u（k）達(dá)到最大值或最小值時，需要停止積分作用，并且要對積分和輸出進(jìn)行限幅，所以本文伺服舵機(jī)在使用位置式PID控制算法時，一般直接使用PD控制，所以位置式PID控制算法也適用于像本文伺服舵機(jī)這樣不包含積分部件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文伺服舵機(jī)位置式PID控制算法的程序如下：速度值可通過舵機(jī)的目標(biāo)位置和舵機(jī)的實(shí)際位置計(jì)算得到，使用累加的方法，賦值給相應(yīng)的寄存器并作用到舵機(jī)。這樣就可以把舵機(jī)的速度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變成對PID參數(shù)大小的調(diào)節(jié)。另外，在接近目標(biāo)位置的時候還能夠?qū)崿F(xiàn)減速，防止因?yàn)閼T性而造成舵機(jī)齒輪減速箱的損壞。函數(shù)功能：舵機(jī)PWM以及定時中斷初始化arr：自動重裝值psc：時鐘預(yù)分頻數(shù)返回值：無voidServo_PWM_Init(u16arr,u16psc) { RCC->APB2ENR|=1<<11；//使能TIM1時鐘 RCC->APB2ENR|=1<<2；//PORTA時鐘使能 GPIOA->CRH&=0XFFFF0FFF；//PORTA11復(fù)用輸出 GPIOA->CRH|=0X0000B000；//PORTA11復(fù)用輸出 TIM1->ARR=arr；//設(shè)定計(jì)數(shù)器自動重裝值 TIM1->PSC=psc；//預(yù)分頻器不分頻 TIM1->CCMR2|=6<<12；//CH4PWM1模式 TIM1->CCMR2|=1<<11；//CH4預(yù)裝載使能 TIM1->CCER|=1<<12；//CH4輸出使能 TIM1->BDTR|=1<<15；//TIM1輸出PWM TIM1->CR1=0x80；//ARPE使能 TIM1->DIER|=1<<0； //允許更新中斷 TIM1->CR1|=0x01；//使能定時器1 TIM1->CCR4=1500； MY_NVIC_Init(1,1,TIM1_UP_IRQn,2)；}1.3直流電機(jī)控制1.1.1電機(jī)速度閉環(huán)控制圖1.2電機(jī)速度閉環(huán)控制原理根據(jù)增量式離散PID公式函數(shù)功能：增量PI控制器入口參數(shù)：編碼器測量值，目標(biāo)速度返回值：電機(jī)PWMe(k)代表本次偏差e(k-1)代表上一次的偏差以此類推pwm代表增量輸出速度控制閉環(huán)系統(tǒng)使用PI控制intIncremental_PI_A(intEncoder,intTarget){ staticintBias,Pwm,Last_bias； Bias=Target-Encoder；//計(jì)算偏差 Last_bias=Bias； //保存上一次偏差 returnPwm；//增量輸出}intIncremental_PI_B(intEncoder,intTarget){ staticintBias,Pwm,Last_bias； Bias=Target-Encoder；//計(jì)算偏差 Last_bias=Bias； //保存上一次偏差 returnPwm；//增量輸出}1.1.2電機(jī)位置閉環(huán)控制圖1.3電機(jī)位置閉環(huán)控制原理根據(jù)位置式離散PID公式函數(shù)功能：位置式PID控制器入口參數(shù)：編碼器測量位置信息，目標(biāo)位置返回值：電機(jī)PWMe(k)代表本次偏差e(k-1)代表上一次的偏差∑e(k)代表e(k)以及之前的偏差的累積和；其中k為1,2,,k；pwm代表輸出intPosition_PID(intEncoder,intTarget){ floatPosition_KP=80,Position_KI=0.1,Position_KD=500； staticfloatBias,Pwm,Integral_bias,Last_Bias； //Bias=Encoder-Target；//計(jì)算偏差 Bias=Target-Encoder；//計(jì)算偏差 Integral_bias+=Bias； //求出偏差的積分 Last_Bias=Bias；//保存上一次偏差 returnPwm；//增量輸出}1.4自主循跡控制 TSL1401CL含有128個感官單位，我們可以通過STM32單片機(jī)的ADC按照順序收集每個感官單位的電壓值，并且把他們保存在數(shù)組中。staticu16i,j,Left,Right; staticu16value1_max,value1_min; value1_max=ADV[0];//動態(tài)閾值算法，讀取最大值value1_min=ADV[0];//最小值通過提取的最大值和最小值計(jì)算閾值：將閾值與左跳變沿和右跳變沿依次比較，計(jì)算出中線位置： 若軌跡在小車中心位置，舵機(jī)角度不變，小車直線前進(jìn)；若軌跡偏離小車中心，說明小車此時需要轉(zhuǎn)向，舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動一定角度，電機(jī)轉(zhuǎn)速也要相應(yīng)改變。圖1.4算法控制程序流程圖1.5超聲波測距跟隨控制實(shí)現(xiàn)小車間間距的調(diào)整，主要通過調(diào)整直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來完成。超聲波測距模塊根據(jù)接收到的超聲波信息可以判斷出兩車的間距。當(dāng)間距低于設(shè)定值時，速度PI控制器會發(fā)送加速指令給直流電機(jī)驅(qū)動器。直流電機(jī)驅(qū)動器接收到指令后會向直流電機(jī)發(fā)送相應(yīng)的驅(qū)動脈沖，直流電機(jī)接收到驅(qū)動脈沖后減速運(yùn)行。當(dāng)間距高于設(shè)定值時，具體工作流程與上述過程類似，電機(jī)會減速運(yùn)行，直至距離處于合適的值以內(nèi)。*@函數(shù)名：TIM4_Int_Init*@功能說明：配置記錄超聲波飛行時間的定時器*@參數(shù)：無*@返回值：無voidTIM4_Int_Init(u16arr,u16psc){TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure; NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);//時鐘使能//定時器TIM3初始化 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;//設(shè)置在下一個更新事件裝入活動的自動重裝載寄存器周期的值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;//設(shè)置用來作為TIMx時鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//設(shè)置時鐘分割:TDTS=Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//TIM向上計(jì)數(shù)模式 TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseStructure);//根據(jù)指定的參數(shù)初始化TIMx的時間基數(shù)單位 TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE);//使能指定的TIM3中斷,允許更新中斷//中斷優(yōu)先級NVIC設(shè)置 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM4_IRQn;//TIM3中斷 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;//先占優(yōu)先級1級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;//從優(yōu)先級3級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;//IRQ通道被使能 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//初始化NVIC寄存器 TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);//使能TIMx }圖1.5超聲波測距流程圖在小車向正前方行駛的過程中，超聲波傳感器向正前方發(fā)射超聲波，在接收到返回的超聲波后可據(jù)此判斷小車與前車的間距。若大于預(yù)設(shè)值25cm，車距安全，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。若小于預(yù)設(shè)值，說明車距較危險(xiǎn)，小車可直接停下，并繼續(xù)根據(jù)超聲波探測到的信息判斷車距，車距安全后再啟動；若車距繼續(xù)增大，加速前進(jìn)。若車距在減小，減速前進(jìn)。圖1.6信號脈沖波形圖如圖1.6所示為超聲波傳感器各信號發(fā)出的脈沖電平。觸發(fā)信號為1us的TTL高電平，模塊內(nèi)部發(fā)出的信號為8個連續(xù)的高頻脈沖，回響電平持續(xù)時間與檢測距離有關(guān)，距離越長，持續(xù)時間就越長，反之則越短。*@函數(shù)名：Dist_PID*@功能說明：根據(jù)距離值與小車電機(jī)轉(zhuǎn)速構(gòu)成PID閉環(huán)*@參數(shù)：Target目標(biāo)與前車的距離值Kp比例Ki積分Kd微分*@返回值：無voidDist_PID(floatTarget,floatKP,floatKI,floatKD){ staticfloatBias,Last_Bias,Intergal_bias=0; Bias=Target-Dist; Intergal_bias+=Bias; Motor_PWM=KP*Bias+KI*Intergal_bias+KD*(Bias-Last_Bias); Last_Bias=Bias; if(Motor_PWM>7