基于飞思卡尔单片机自动循迹小车控制的设计
4.1 PID 控制器原理
计算机控制系统中我们要用到数字PID控制器，它的控制规律公式为：
e(k)?r(k)?c(k) （4.1）
?Tu(k)?Kp?e(k)?TI??e(j)?j?0k?TD?e(k)?e(k?1)??T?
（4.2）
式中： k为采样的序号；k=0,1,2…;r(k)-第k次给定值； c(k)-第k次的实际输出值；u(k)-第k次输出的控制量； e(k)-第k次的偏差；e(k-1)-第k-1次的偏差； TI-积分时间常数；KP-比例系数； T-采样周期；TD-微分时间常数。 下面我们介绍的是各个校正环节的作用：
(1) 比例环节：当系统产生偏差时，比例环节会立即做出反应，通过控制比例加快相应速度，降低稳态误差。但是比例不能过大，因为过大时会使系统产生振荡，影响系统的稳定性。选择恰当的比例，对PID 控制非常重要。
(2) 积分环节：要提高系统控制的精度，就要加入积分环节，积分控制能够消除系统的偏差。积分作用强弱取决于积分常数的选定，积分常数越大，积分的作用就越弱，积分常数越小，积分作用越强。
(3) 微分环节：它的作用是通过计算偏差信号的变化率，不使偏差信号变的太大。在系统调节的早期加入偏差修正信号，使系统不会出现偏差信号变大的趋势，从而加快系统的动作速度进，达到减小调节时间的目的。 数字PID控制算法分为位置式和增量式两种。 4.2.1 位置式 PID
位置式 PID的控制方式中，执行控制机构是由计算机输出的u(k)直接控制，u(k)的值与执行机构的位置要相互对应，我们一般选用公式(4.2)作为位置式 PID 控制算法。
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位置式 PID 控制算法是全量输出，每次计算都需要用到以前的数据，需要对过去的e(k)进行累加，这样就加大了计算机的工作量[9]。执行机构与输出u(k)对应，如果计算的数据出现了问题就会导致执行机构位置发生较大变化，这种问题在实践中是不允许出现的，在一些特殊的场合，甚至会产生较为严重的事件。为了避免出现不必要的问题，将算法改进为增量式PID 控制算法。增量式PID 控制算法和位置式PID 控制算法的区别是它们的输出不同，增量式PID 控制算法的输出是△u(k)。 4.2.2 增量式 PID
控制量的增量可由式(4.2)推导出来，先由式(4.2)推导出式(4.3)，再用式(4.2)减去式(4.3)便可得出式(4.4)，公式如下：
??Tk?1TDu(k?1)?KP?e(k?1)??e(j)??e(k?1)?e(k?2)??TIj?0T????TTD?u(k)?KP??e(k)?e(k?1)??e(k)??e(k)?2e(k?1)?e(k?2)??TIT??
（4.3） （4.4 ）
?kP?e(k)?KIe(k)?KD??e(k)??e(k?1)?TTITKD?KpDTKI?Kp式中?e(k)?e(k)?e(k?1)
增量式PID控制算法的形式如公式(4.4)，在计算机控制系统中它的采样周期T是恒定的，通过确定KP 、TI 、TD和偏差（使用前后三次的测量值），便可通过(4.4)求出控制增量。
增量式 PID的优点：
(1)切换时的冲击力小（切换方式包括手动/自动切换），可以实现无忧扰动切换。因为输出通道和系统的执行装置可以把信号进行锁存，所以当计算机出现问题时，能够保持原有的值。
(2)因为计算机输出的是增量，当出现误动作时对系统的影响较小，可通过逻辑判断法关掉。
(3)算式中的量不需要累加处理。第k次的采样值决定控制增量△u(k)的大小，要获得比较好的效果时，可以通过加权处理得到。 4.2.3 PID 参数整定
PID 控制的关键技术是对KP、KI、KD 这几个参数进行调整[10]，也就是所
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谓的参数整定。PID参数整定的方法有两类。一种称为理论计算整定法，它的原理是根据给定的系统数学模型，通过理论上的计算来确定控制器的参数。另一种称为工程整定方法，它的原理比较简单，主要是根据工程的经验，在实验中操作中进行调整，此类方法简单并且易于掌握，在实际工程中被广泛应用。智能车系统不仅是机电高耦合的分布式系统，而且受赛道具体环境的影响大，在实际操作时很难建立一个高精密的数学模型，同时小车的机械结构需要不时的修正，模型的参数也需要相应的改变，理论计算整定法不切合实际，故选用工程整定法。
4.3转向舵机的控制方法
4.3.1 舵机的工作原理
PWM信号通过接收通道，传入到解调电路，解调电路对其进行解调，从而获得直流偏置电压。将电位器的电压和直流偏置电压相比较，两者得出一个电压差，将这个电压差交给电机驱动集成电路，用它来控制电动机的正反转[11]。电动机的转速是一定的，电位器是靠级联减速齿轮进行调整，当电压差调整成0时，电动机便停止转动[12]。PWM信号是舵机的控制信号，舵机位置的改变是通过占空比的变化而变化。
舵机的直流电动机和控制线路由电源线和地线来提供电源。这里需要的电源是3.3V[14]。控制线的作用是提供一个方波脉冲信号，该脉冲信号的宽度可调且是周期性方波，方波信号的频率为50Hz。舵机转轴的角度随着方波脉冲宽度改变而改变，它们俩成正比例关系。 4.3.2 舵机的 PID 控制
对于舵机的控制，我们采用PID闭环控制，提取图像黑线然后求得平均值，平均值和舵机 PID的参考角度值形成一次线性关系[15]。当偏离中心线很小时，可以将Kp的值设置的小一些，几乎接近0，为了使赛车行驶时更加的稳定，在直道上时可以有一定的修正功能，所以没有直接设置成0。车子在直道上行驶时基本上是直线加速状态，车身左右抖动比较小。
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5 开发平台介绍
5.1 IAR Embedded Workbench IDE简介
IAR Systems 公司为ARM微处理器专门研发了IAR Embedded Workbench for ARM集成开发环境。和其它开发环境相比较，IAR Embedded Workbench for ARM入门更加容易、使用更加方便、代码也更加紧凑。
在嵌入式 IAR Embedded Workbench IDE的框架里，它能够允许任何可用的工具完美的嵌入其中，以下为嵌入的工具： 1.AVR IAR汇编器；
2.IAR XAR库创建器和IAR XLIB Librarian； 3.高度优化的IAR AVR C/C++编译器； 4.一个工程管理器； 5.一个强大的编辑器；
6.一个具有世界先进水平的高级语言调试器； 7.高度优化的IAR AVR C/C++编译器； 8.通用IAR XLINK Linker；
5.2 IAR Embedded Workbench的功能及特点
嵌入式IAR Embedded Workbench适用的微控制器和微处理器有8 位、16 位以及32 位，因此，用户即使是开发新的项目，开发环境也是以前熟悉的环境。它的开发环境用户学起来比较容易上手，具有最大量的代码继承能力，可以支持大多数甚至一些特殊的目标。嵌入式IAR Embedded Workbench不仅有效提高了用户的工作效率，而且通过使用IAR工具，大大节省了用户的工作时间。我们称这种理念为不同构架下的同一解决方案。
IAR Embedded Workbench 操作界面不仅非常简洁而且工具栏的布局也非常合理清晰，运用不同的功能也非常的方便。IAR Embedded Workbench开发环境可以很好的兼容Freescale公司生产的K60系列处理器。具体的操作界面如下图5.1 所示。
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