西安工业大学毕业设计（论文） 2.3无人车转向控制系统硬件结构图
基于MC9S12XS128单片机的无人车转向控制系统结构图如图2.1所示。系统设计的最基本要求是使小车在跑道上行驶时能够自动进行转弯、直走以及实现不同的转速。系统必须是易于实现、灵活、高效的。整个系统电路有以下几个部分： 电源模块、电磁感应模块、速度检测模块、电机模块、舵机模块、LCD显示模块、单片机控制电路。
速度检测模块电源模块电磁传感器模块单片机主控模块LCD液晶显示模块舵机驱动模块电机驱动模块
图2.1控制系统结构框图
此无人车转向控制系统工作在比较好的环境中，各种干扰以及损伤较小，所以我们将采用一般的单片机。另外，根据内存大小以及端口数量需要，我们决定采用MC9S12XS128单片机。
MC9S12XS128是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB数据Flash(D-lash)组成片内存储器。
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西安工业大学毕业设计（论文） 2.4无人车转向控制系统的功能
(1)自动检测道路信息功能
在行驶的过程中，通过小车前面的四个电感来自动检测当前正在行驶的道路信息，即前方是否有弯道，并经过模数转换传递给单片机。
(2)小车当前行驶速度检测功能
在小车前进时通过光栅编码器来检测小车当前的转速信息，通过模数转换器传递给单片机。
(3)自动转弯功能 当前方有弯道时，单片机控制舵机转过一个相应的角度再继续前进，避免小车偏离跑道。
(4)不同转速间的自动互换功能
小车在道路情况不同时应处于不同的转速，例如，在转弯时速度应该减速，防止离心力过大而使小车飞出跑道，而当在直线行驶时可以适当地增大转速，这些转速的互换可以通过拨码开关来实现。
该单片机主要功能模块包括：内部存储器，内部PLL锁相环模块 2个异步串口通讯 SCI ，1个串行外设接口 SPI ，MSCAN 模块 ，1个8通道输入/输出比较定时器模块 TIM ，周期中断定时器模块 PIT ，16通道A/D转换模块 ADC ，1个8通道脉冲宽度调制模块 PWM ，输入/输出数字I/O口。
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3无人车转向控制系统算法研究 3无人车转向控制系统算法研究
无人车实际是由传感器检测跑道，舵机控制前轮转向和电机驱动后轮行驶的物理实体。电机控制和舵机转向控制的快速与精确度是衡量所设计的无人车系统优劣的标准。故而在硬件确定的情况下合适的选择电机与舵机的控制算法就变得尤为重要。
3.1电机控制算法设计
本次无人车系统设计采用了前轮转向，后轮辅助转向的结构，由此设计必须完成对电机的合理控制，同时，为了实现无人车车启动、加减速、制动时快速平缓，要求电机的动态响应速度要快，且速度的升降度曲线要平滑以此避免出现速度的突升突降现象。为此归纳本设计电机控制系统主要要实现的动作如下：
（1）停止。当无人车检测到停止标记（起始线）后，必须采取刹车制动，并迅速的停止下来；当检测到车体严重偏离导引线时，也要采取刹车制动并发出报警信号。
（2）干扰信息。当检测到前方有干扰（如虚线、断线等）时，无论此时的偏离距离、偏离角度是否为零，都需要采取减速策略；如果干扰消失则重新开始加速。
（3）弯道信息。当检测到前方的导引线为弯道时，无论此时车体是否偏离导引线，都需要降低速度。
（4）偏离距离信息。当车体偏离距离不断增大时，降低速度；偏移距离减小回归于零时则适当的加大速度。
本设计采用单个直流电机来驱动无人车，参照上面叙述的电机主要动作，对于电机做出合理的控制。给定一个目标速度，调节电机控制器的参数使其速度的升降曲线尽量平滑并能够达到期望的速度要求，如果达不到期望的性能，则需要在原来的参数基础上，对电机进行微调，直至车体能够平稳运行。
传统的电机调速一般使用PID控制算法。PID控制简单易懂，使用灵活，通过对其KP，KI，KD参数进行合理的设定便可实现控制目的，是目前最为通用的一种控制器。数字PID控制算法分为两类，即位置式和增量式[12][13]。对于以电机为执行机构的系统来说，采用数字增量型控制器，会得到比较好的控制效果。
由式
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西安工业大学毕业设计（论文） ku(k)?KPe(k)?KI?e(j)?KD[e(k)?e(k?1)]i?0(3.1)
根据递推原理可得
u(k?1)?KPe(k?1)?KI?e(j)?KD[e(k?1)?e(k?2)]j?0k?1(3.2)
由式(3.1)和(3.2)可知
?u(k)?KP?e(k)?e(k?1)??KIe(k)?KD?e(k)?2e(k?1)?e(k?2)?
?KP?e(k)?KIe(k)?KD[?e(k)??e(k?1)]
式中
?e(k)?e(k)?e(k?1)，?e(k?1)?e(k?1)?(k?2)
PID控制也存在着不足之处，即在时变、非线性、耦合以及结构不确定的系统中，它的控制效果一般，因而限制了其应用的范围。由于电机的转速调节是一个非线性、快速随动系统，因此如果单纯的使用PID控制，在电机转速还未达到设定值的情况下，输出的控制量就已经减小；当系统出现了大的扰动或者转速设定值在大范围内变动时，转速的响应曲线也往往会出现比较大的超调量并伴随长时间的波动。为了避免这一问题，系统在电机控制过程中采用了变结构PID控制方法[14]。
Bang-Bang控制，实际上是一种时间最优控制，e?k??0即控制函数总是取在容许控制的边界上，或者取最大，或者取最小，e?k??0仅仅在这两个边界值上进行切换，其作用相当于一个继电器，所以也是一种位式开关控制。其给定式如下： ?umax? u k ?
0?
式中，uk为控制器当前时刻的输出；umax为控制器的最大输出；e?k?为检测偏差量。
从理论上讲，对于一个时间最优位置随动系统，应采用Bang-Bang控制。但是Bang-Bang控制的定位精度很难得到保证，因此在高精度的伺服系统中，需要采用Bang-Bang控制与线性控制相结合的方式，譬如在线性控制区间可内采用数字PID控制。其控制规律为：
??a，Bang?Bang控制 e(k)?r(k)?y(k)???a，PID控制
式中，是系统的偏差，、是相邻两次采样的值，是设定的临界值。当系统的偏差大于设定的临界值时采用Bang-Bang控制，小于设定的临界值时采用PID控制。其设计结构如图3.1所示。
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西安工业大学毕业设计（论文） 开始各模块初始化道路与速度信息采集数据处理速度、角度输出值电机速度控制舵机转向控制其他操作
图3.1 变结构PID控制框图
本次无人车设计对电机控制在采用Bang-Bang控制和PID控制相结合的同时，又引入了PD控制[15]。设计设置两个速度检测偏差临界值，。当误差时采用Bang-Bang控制；时采用PD控制；时采用PID控制。与前面所述不同，设计中根据实际需要增加了一个区间。在此区间内，反馈信号的变化较大，若采用PID控制，系统的调节将会滞后，被控量难以快速恢复。因此可以去掉PID控制中的积分环节，以提高控制系统的动态响应性能[16][17]。如图3.2所示为本系统所采用的变结构PID控制示意图，纵轴表示误差值的范围[18]。
开始各模块初始化道路与速度信息采集数据处理速度、角度输出值电机速度控制舵机转向控制其他操作
图3.2 本系统中变结构PID控制示意图
变结构PID控制算法的参数整定包括以下几项：比例系数KP，积分系数KI，
微分系数KD，Bang-Bang控制器的输出值B，切换点S1（对应于临界点）和S2（对应于临界点）[19][20][21]。
电机控制算法仿真:
针对建立的电机传递函数，采用经典PID控制进行在线仿真[22][23][24]，所得的闭环阶跃响应曲线和正弦扰动跟踪曲线如图3.4和3.5所示。
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