Arduino編程控制與應(yīng)用 課件5-2 完成入門級線控底盤功能的實(shí)現(xiàn)

Arduino編程控制與應(yīng)用能力模塊五掌握Arduino智能控制的應(yīng)用任務(wù)二

完成入門級線控底盤功能的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入在車輛行駛中電機(jī)的控制、舵機(jī)的控制、編碼器計(jì)數(shù)、定速巡航等功能是不是聽起來就很炫酷，今天我們就將會學(xué)習(xí)如何使用Arduino來實(shí)現(xiàn)這些功能，來由自己編寫出控制底盤的代碼事件。新授Newteaching1目錄一、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制二、電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取三、PID控制基礎(chǔ)知識一、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

直流有刷電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、換向器等部件組成。如圖所示。當(dāng)整個電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時針旋轉(zhuǎn)，輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械能。直流有刷電機(jī)的好處是比較容易控制速度和方向。

1.直流有刷電機(jī)的組成一、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

一般可以通過PWM（Pulsewidthmodulation，脈沖寬度調(diào)制）的方式來實(shí)現(xiàn)輸出模擬信號的效果。Arduino輸出的PWM信號頻率固定（約490Hz）的方波，而通過改變信號每個周期高低電平所占的比例（占空比），可以得到近似輸出不同電壓的效果，如圖所示。2.脈沖寬度調(diào)制（PWM）一、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

直流有刷電機(jī)不宜在高溫、易燃易爆等環(huán)境下使用，而且由于電機(jī)使用了電刷作為電流變換的部件，所以需要定期更換或清理接觸部位磨擦所產(chǎn)生的污物。3.直流有刷電機(jī)的維護(hù)一、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

一些常見的微型直流有刷電機(jī)如圖所示。4.常見的微型直流有刷電機(jī)二、電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取

電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取，使用到了Arduino的外部中斷功能。如下圖所示，中斷函數(shù)的第1個參數(shù)是中斷號，中斷號為0時，表示使用2號管腳；中斷號為1時，表示使用3號管腳。第2個參數(shù)是中斷時被調(diào)用的子函數(shù)名，一般將中斷時需要執(zhí)行的指令都放在該子函數(shù)中。第3個參數(shù)是觸發(fā)類型，一般有RISING、FALLING和CHANGE。1.電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取二、電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取

如下圖所示，當(dāng)檢測到指定管腳的輸入電動勢從5V降到0V時，屬于FALLING條件；當(dāng)檢測到指定管腳的輸入電動勢從0V升到5V時，屬于RISING條件；而CHANGE條件則是包含了上述兩種條件。2.電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取條件二、電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取

實(shí)訓(xùn)套件中的直流電機(jī)尾部都安裝了一個編碼器模塊，按要求連接好線束后，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈，2號或3號管腳就會收到11個類似上圖的脈沖，通過計(jì)算單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)就可以求得電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。3.求取電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度三、PID控制基礎(chǔ)知識

將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，用該控制量對受控對象進(jìn)行控制，稱為PID算法，實(shí)際中也有P、PI和PD控制算法。其中Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。PID控制適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有場合，不同場合僅僅是PID參數(shù)應(yīng)設(shè)置不同，只要參數(shù)設(shè)置得當(dāng)均可以達(dá)到很好的效果。（一）PID控制概述三、PID控制基礎(chǔ)知識

比例系數(shù)Kp的作用：反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前最基本的誤差，能提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度；能迅速反映誤差，從而減少誤差，但是不能消除誤差。比例系數(shù)Kp的調(diào)節(jié)：范圍一般是：0.1--100。（1）如果增益值取0.1，PID調(diào)節(jié)器輸出變化為十分之一的偏差值。（2）如果增益值取100，PID調(diào)節(jié)器輸出變化為一百倍的偏差值。（3）初調(diào)時，選小一些，然后慢慢調(diào)大，直到系統(tǒng)波動足夠小時，再調(diào)節(jié)積分或微分系數(shù)。（二）各系數(shù)作用分析1.比例系數(shù)Kp的作用及調(diào)節(jié)三、PID控制基礎(chǔ)知識

積分系數(shù)Ki的作用：反映系統(tǒng)的累積誤差，理論上能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。積分系數(shù)Ki的調(diào)節(jié)：積分時間常數(shù)的定義是，偏差引起輸出增長的時間。（1）積分時間設(shè)為1秒，則輸出變化100%所需時間為1秒。（2）初調(diào)時要把積分時間設(shè)置長些，然后慢慢調(diào)小直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止。（二）各系數(shù)作用分析2.積分系數(shù)Ki的作用及調(diào)節(jié)三、PID控制基礎(chǔ)知識

微分系數(shù)Kd的作用：反應(yīng)系統(tǒng)誤差的變化率，具有預(yù)見性，們可以預(yù)見偏差的變化趨勢，產(chǎn)生超前的控制效果。微分系數(shù)Kd的調(diào)節(jié)：微分值是偏差值的變化率。如果通過比例、積分參數(shù)的調(diào)節(jié)還是收不到理想的控制要求，就可以調(diào)節(jié)微分時間。初調(diào)時把這個系數(shù)設(shè)小，然后慢慢調(diào)大，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。（二）各系數(shù)作用分析3.微分系數(shù)Kd的作用任務(wù)實(shí)施2TaskImplementation一、任務(wù)準(zhǔn)備（一）軟件及硬件準(zhǔn)備一、任務(wù)準(zhǔn)備（二）場地設(shè)備準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施前需要做好場地防護(hù)準(zhǔn)備以及檢查實(shí)訓(xùn)場地和設(shè)備設(shè)施是否及存在安全隱患，如不正常請匯報(bào)老師并進(jìn)行處理方可實(shí)施任務(wù)。（三）安全防護(hù)準(zhǔn)備11.注意Arduino控制開發(fā)套件與電腦的連接；22.注意連接端口的匹配；

33.注意Arduino控制開發(fā)套件的供電；

44.注意使用含有庫文件的程序時，檢查ArduinoIDE中是否存在該庫文件，若無則要添加。

二、實(shí)施步驟（一）控制電路連接

步驟1：首先給Arduino控制開發(fā)套件供上220v電，通過旋鈕使內(nèi)部電源B輸出的電壓為12V左右，再將線控小車驅(qū)動板與電源B接通，最后將連接線的方頭端接口連接ArduinoUNO開發(fā)板，另一端USB接口連接電腦。

二、實(shí)施步驟（二）控制程序編寫與上傳

步驟1：打開ArduinoIDE軟件，進(jìn)入界面。

二、實(shí)施步驟（二）控制程序編寫與上傳

步驟2：在工具-端口-選擇對應(yīng)的端口。若分不清端口，先把開發(fā)板連接上，查看端口，有COM1、COM3、COM4、COM5、COM6；斷開開發(fā)板連接，查看端口，有COM3、COM4、COM5、COM6；少了一個COM10端口，那么COM10就是對應(yīng)的端口。

二、實(shí)施步驟（三）電機(jī)的控制

步驟1：新建一個文檔，//后的代號可刪除；在【代碼編寫區(qū)域】中的輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（三）電機(jī)的控制

步驟2：在“voidsetup(){”的下方輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（三）電機(jī)的控制

步驟3：最后在“voidloop(){”的下方輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（三）電機(jī)的控制

步驟4：點(diǎn)擊上傳，如果操作順利，就會顯示上傳成功，然后電機(jī)進(jìn)行工作?？筛某绦蛑蠵WM的值（范圍0-255）來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制電機(jī)的效果。

二、實(shí)施步驟（三）電機(jī)的控制

步驟5：控制程序解析：分別定義四個整數(shù)型常量motor_left、motor_left1、motor_right、motor_right1并分別賦值為6/9/10/11。6/9控制小車左輪電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，10/11控制小車右輪電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。定義一個整數(shù)型變量PWM并賦值50，該值代表電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制量，范圍為0~255。

二、實(shí)施步驟（四）編碼器計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)

步驟1：新建一個文檔，//后的代號可刪除；在【代碼編寫區(qū)域】中的輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（四）編碼器計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)

步驟2：再輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（四）編碼器計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)

步驟3：在“voidsetup(){”下方輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（四）編碼器計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)

步驟4：最后在“voidloop(){”下方輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（四）編碼器計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)

步驟5：點(diǎn)擊上傳，如果操作順利，就會顯示上傳成功，然后打開串口監(jiān)視器，波特率選擇9600，串口發(fā)送“L”是測試左輪，發(fā)送“R”是測試右輪。選擇好測試的輪子后，將輪子勻速轉(zhuǎn)動一圈，然后串口發(fā)送“P”，串口就會打印出輪子轉(zhuǎn)動一圈的脈沖數(shù)。操作流程就是：發(fā)送L或R——然后轉(zhuǎn)動輪子一圈——發(fā)送P。二、實(shí)施步驟

步驟6：控制程序解析：（1）定義兩個整數(shù)型常量encoder_Left1、encoder_Right1并分別賦值為2、3。定義兩個易變變量encoder_Left、encoder_Right，定義一個布爾變量K。（2）在自定義函數(shù)InitPin中設(shè)置encoder_Left1、encoder_Right1為輸入模式。在初始化函數(shù)中定義串口波特率為9600，調(diào)用自定義函數(shù)InitPin，開啟0、1號外部中斷，觸發(fā)方式為電平發(fā)生變化，中斷服務(wù)函數(shù)分別為counter0、counter1，最后在串口監(jiān)視窗口打印兩行測試方法提醒文本。（3）在loop函數(shù)中定義一個字符型變量cmd，讀取串口監(jiān)視器的值保存在cmd中，將K賦值為true，使用while循環(huán)函數(shù)來判斷cmd的值。（四）編碼器計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)二、實(shí)施步驟（四）編碼器計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行流程圖二、實(shí)施步驟（五）定速巡航的實(shí)現(xiàn)

步驟1：新建一個文檔，//后的代號可刪除；在【代碼編寫區(qū)域】中的輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（五）定速巡航的實(shí)現(xiàn)

步驟2：在“voidsetup(){”下方輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（五）定速巡航的實(shí)現(xiàn)

步驟3：在“voidloop(){”下方輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（五）定速巡航的實(shí)現(xiàn)

步驟4：再輸入如圖所示的voidencoderLeftISR、voidencoderRightISR、intreadEncoder函數(shù)代碼，以及圖所示的voidpwmPI、voidmotorDrive函數(shù)代碼。

二、實(shí)施步驟（五）定速巡航的實(shí)現(xiàn)

步驟5：點(diǎn)擊上傳，如果操作順利，就會顯示上傳成功，隨后兩個電機(jī)都進(jìn)行工作，兩后輪驅(qū)動行駛，速度為設(shè)定的目標(biāo)速度值（因各類誤差影響，速度值會維持在一定范圍內(nèi)有所波動）。

二、實(shí)施步驟（五）定速巡航的實(shí)現(xiàn)

步驟6：控制程序解析（1）首先使用宏定義#define定義電機(jī)控制管腳和編碼器管腳與ArduinoUNO板的對應(yīng)關(guān)系。還定義了左右輪的對應(yīng)的布爾值，方便在程序中判斷選擇左右輪。（2）接著定義程序需要使用到的變量：包括觸發(fā)時間、PID相應(yīng)偏差、計(jì)數(shù)器、編碼器、脈沖寬度、定時器時間、目標(biāo)值和PID參數(shù)等變量。（3）進(jìn)行初始化設(shè)置。首先設(shè)置編碼器管腳模式并開啟外部中斷，接著設(shè)置串口通信波特率，設(shè)置電機(jī)驅(qū)動控制管腳模式。（4）在loop函數(shù)中，使用if選擇結(jié)構(gòu)，每隔30ms調(diào)用pwmPI計(jì)算函數(shù)處理數(shù)據(jù)（同時驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動），使電機(jī)保持設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，車輛定速巡航。（5）定義程序需要使用到的子函數(shù)：包括左右輪中斷服務(wù)函數(shù)、編碼器值讀取函數(shù)、PI計(jì)算函數(shù)和電機(jī)驅(qū)動函數(shù)。二、實(shí)施步驟（五）定速巡航的實(shí)現(xiàn)二、實(shí)施步驟（五）定速巡航的實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行流程圖二、實(shí)施步驟（六）舵機(jī)的控制

步驟1：新建一個文檔，//后的代號可刪除；在【代碼編寫區(qū)域】中的輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（六）舵機(jī)的控制

步驟2：分別在“voidsetup(){”和“voidloop(){”的下方輸入如圖所示代碼。

二、實(shí)施步驟（六）舵機(jī)的控制

步驟3：點(diǎn)擊上傳，如果操作順利，就會顯示上傳成功，隨后舵機(jī)會根據(jù)程序中設(shè)定的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)向?？煽刂圃诔绦蛑懈亩鏅C(jī)轉(zhuǎn)向的角度（范圍0-180°）。

二、實(shí)施步驟（六）舵機(jī)的控制

步驟4：控制程序解析（1）首先定義整型常量servopin對應(yīng)Arduino板5號管腳，用來控制舵機(jī)。同時定義整型變量myangle來儲存相應(yīng)的角度值，pulsewidth來存儲經(jīng)計(jì)算得到的脈沖寬度值。（2）自定義子函數(shù)servoRun來控制舵機(jī)，利用脈沖的持續(xù)時間（脈寬）來驅(qū)動舵機(jī)控制其轉(zhuǎn)角。高電平時間為pulsewidth對應(yīng)值，單位為μs；低電平時間為（20000-pulsewidth）μs，即delay(20-pulsewidth/1000)ms。其中pulsewidth=(my