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    1 产品功能

    本项目主要用于实现以下功能:

    1)在停车位上的传感器实时检测当前车位上的停车情况,通过超高灵敏度的磁阻传感器检测车辆对地磁场的扰动实现。

    2)远程信息传输,这里主要传输的是停车状态,有车发送1信号,无车发送0信号。通过当前流行的NB-IoT和STM32单片机模块实现,通过WIFI,用UDP协议去通信。

    3)上位机信息接收,主要功能有UDP协议通信、JDBC连接MySQL数据库、GUI界面显示,通过Java应用程序实现效果。

    2 基本原理

    2.1 磁阻传感器AMR

    用于检测地球磁场大小变化的传感器。与差动放大器配套。

    众所周知,地磁场大小为0.5-0.6Gs(1T=10000Gs,已知一个黑板吸铁的磁场强度为1500-2000Gs)。因此若要能检测地磁场的大小变化,希望传感器传感范围为-10Gs~10Gs,灵敏度为10mGs,当检测到微弱的磁场变化时,便能输出变化明显的电平信号,这样才可能实现停车的传感检测。

    我们使用的传感器为双轴各向异性磁阻传感器,能测量平面上的磁场大小,相比同为测磁场的霍尔传感器更加灵敏。

    地磁扰动现象

    2.2 NB-IoT和STM32单片机模块

    用于实现远程与计算机通信。距离无限,只要当地有网络WIFI,便可与天各一方的计算机通信。

    NB-IoT为当下流行的物联网远程通信模块,能通过多种协议,如UDP、TCP/IP、http、LWM2M协议与计算机收发信息,从简单至复杂,都能实现远程控制。这里用到移远公司最新的BC20模块。

    STM32单片机,接收传感器信号,控制NB-IoT。若只有NB-IoT模块,只能实现一次简单的信息传输。若想要实现多功能个性化设计,单片机往往不可或缺。
    移远公司的BC20开发板

    2.3 Java应用程序与MySQL数据库

    Java是一门高级语言,能够监听计算机端口的信息,接收识别数据,通过JDBC连接转存到数据库后,以GUI界面输出信息。MySQL数据库,常用于与Java的连接。可以在计算机中存储想要存储的信息,这里是指车位信息。
    MySQL数据库

    3 功能实现

    3.1 前端采集

    先介绍一下地磁传感原理。

    在均匀磁场中,放上一块铁块,铁块周围磁场是否会变?会变。磁感线会向铁块聚拢,磁场会从均匀磁场变化为不均匀磁场,铁块周围磁感线变密集,磁场变强。

    众所周知,地磁场大小为0.5~0.6Gs,地球上的物质全部处于地磁场之中。可以把轿车看作一个大型铁块,地球的磁感线会向铁块聚拢,铁块周围磁感线变密集,磁场变强。

    因此,当轿车行驶到地磁传感器上方时,传感器便能检测到比普通地磁场(0.5-0.6Gs)要强的磁场(大约为1-2Gs)。

    当检测到这样强的磁场时,传感器能发出高电平,向单片机发送,表示当前位置有车。当没有检测到这样强的磁场时,传感器能发出低电平,向单片机发送,表示当前位置无车。单片机内有智能程序,通过识别传感器发送过来的高低电平,能控制NB-IoT模块发送不同的信息到电脑。

    在这里插入图片描述

    3.2 信息处理

    STM32单片机内有智能程序,通过识别传感器发送过来的高低电平,能控制NB-IoT模块发送不同的信息到电脑。

    主要代码如下:
    STM32的相关C语言代码

    控制NB-IoT,发送具有一定格式的字符串到电脑,电脑Java进程实时监控,当检测到这样格式的字符串时,Java应用程序便可以将相关信息:Num(产品编号)、IP(NB-IoT注册的IP地址)和Park(停车状态)存储到数据库。

    3.3 数据管理

    电脑Java进程实时监控,当检测到有一定格式的字符串时,Java应用程序便可以将相关信息:Num(产品编号)、IP(NB-IoT注册的IP地址)和Park(停车状态)分别存储到数据库的ID、IP和STATE中。

    监听端口1001接收UDP信息
    端口监听

    存储到数据库
    存储到数据库

    调用数据库,界面显示
    调用数据库,加入数组

    界面显示

    4 总结与展望

    目前市面上地磁传感器种类并不算少。在传感器上,使用磁阻传感器,相比环形线圈、超声波、红外线检测,功耗低,准确度高,安装简便,适合低成本开发。无线通信方面,目前主要有LoRa和NB-IoT通讯两种,选择LoRa通信每几百米就要设一个网关,安装费时费力;NB-IoT可以不受距离限制,能连上基站就能发上主机,而且受政府支持,比较容易开发。通信协议方面,选择UDP通信协议,发送前不需建立连接,尽最大努力交付数据包,用于不是文件的字符串传输足够稳定。整个系统研发成功后,单个设备的购置硬件、电路板设计焊接,预计100元。可以家中自行设计,用于在悠闲看电视的时候,通过这个系统,实时监测父母有没有开车回家。

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    一文读懂PID控制算法(抛弃公式,从原理上真正理解PID控制)

    PID控制应该算是应用非常广泛的控制算法了。小到控制一个元件的温度,大到控制无人机的飞行姿态和飞行速度等等,都可以使用PID控制。这里我们从原理上来理解PID控制。
    PID(proportion integration differentiation)其实就是指比例,积分,微分控制。先把图片和公式摆出来,看不懂没关系。(一开始看这个算法,公式能看懂,具体怎么用怎么写代码也知道,但是就是不知道原理,不知道为什么要用比例,微分,积分这3个项才能实现最好的控制,用其中两个为什么不行,用了3个项能好在哪里,每一个项各有什么作用

    PID控制算法原理

    PID控制算法公式

    总的来说,当得到系统的输出后,将输出经过比例,积分,微分3种运算方式,叠加到输入中,从而控制系统的行为,下面用一个简单的实例来说明。

    比例控制算法

    我们先说PID中最简单的比例控制,抛开其他两个不谈。还是用一个经典的例子吧。假设我有一个水缸,最终的控制目的是要保证水缸里的水位永远的维持在1米的高度。假设初试时刻,水缸里的水位是0.2米,那么当前时刻的水位和目标水位之间是存在一个误差的error,且error为0.8.这个时候,假设旁边站着一个人,这个人通过往缸里加水的方式来控制水位。如果单纯的用比例控制算法,就是指加入的水量u和误差error是成正比的。即
    u=kp*error
    假设kp取0.5,
    那么t=1时(表示第1次加水,也就是第一次对系统施加控制),那么u=0.5*0.8=0.4,所以这一次加入的水量会使水位在0.2的基础上上升0.4,达到0.6.
    接着,t=2时刻(第2次施加控制),当前水位是0.6,所以error是0.4。u=0.5*0.4=0.2,会使水位再次上升0.2,达到0.8.
    如此这么循环下去,就是比例控制算法的运行方法。
    可以看到,最终水位会达到我们需要的1米。
    但是,单单的比例控制存在着一些不足,其中一点就是 –稳态误差!(我也是看了很多,并且想了好久才想通什么是稳态误差以及为什么有稳态误差)。
    像上述的例子,根据kp取值不同,系统最后都会达到1米,不会有稳态误差。但是,考虑另外一种情况,假设这个水缸在加水的过程中,存在漏水的情况,假设每次加水的过程,都会漏掉0.1米高度的水。仍然假设kp取0.5,那么会存在着某种情况,假设经过几次加水,水缸中的水位到0.8时,水位将不会再变换!!!因为,水位为0.8,则误差error=0.2. 所以每次往水缸中加水的量为u=0.5*0.2=0.1.同时,每次加水缸里又会流出去0.1米的水!!!加入的水和流出的水相抵消,水位将不再变化!!
    也就是说,我的目标是1米,但是最后系统达到0.8米的水位就不在变化了,且系统已经达到稳定。由此产生的误差就是稳态误差了。
    (在实际情况中,这种类似水缸漏水的情况往往更加常见,比如控制汽车运动,摩擦阻力就相当于是“漏水”,控制机械臂、无人机的飞行,各类阻力和消耗都可以理解为本例中的“漏水”)
    所以,单独的比例控制,在很多时候并不能满足要求。

    积分控制算法

    还是用上面的例子,如果仅仅用比例,可以发现存在暂态误差,最后的水位就卡在0.8了。于是,在控制中,我们再引入一个分量,该分量和误差的积分是正比关系。所以,比例+积分控制算法为:
    u=kp*error+ ki ∗ ∫ error
    还是用上面的例子来说明,第一次的误差error是0.8,第二次的误差是0.4,至此,误差的积分(离散情况下积分其实就是做累加), error=0.8+0.4=1.2. 这个时候的控制量,除了比例的那一部分,还有一部分就是一个系数ki乘以这个积分项。由于这个积分项会将前面若干次的误差进行累计,所以可以很好的消除稳态误差(假设在仅有比例项的情况下,系统卡在稳态误差了,即上例中的0.8,由于加入了积分项的存在,会让输入增大,从而使得水缸的水位可以大于0.8,渐渐到达目标的1.0.)这就是积分项的作用。

    微分控制算法

    换一个另外的例子,考虑刹车情况。平稳的驾驶车辆,当发现前面有红灯时,为了使得行车平稳,基本上提前几十米就放松油门并踩刹车了。当车辆离停车线非常近的时候,则使劲踩刹车,使车辆停下来。整个过程可以看做一个加入微分的控制策略。
    微分,说白了在离散情况下,就是error的差值,就是t时刻和t-1时刻error的差,即u=kd*(error(t)-error(t-1)),其中的kd是一个系数项。可以看到,在刹车过程中,因为error是越来越小的,所以这个微分控制项一定是负数,在控制中加入一个负数项,他存在的作用就是为了防止汽车由于刹车不及时而闯过了线。从常识上可以理解,越是靠近停车线,越是应该注意踩刹车,不能让车过线,所以这个微分项的作用,就可以理解为刹车,当车离停车线很近并且车速还很快时,这个微分项的绝对值(实际上是一个负数)就会很大,从而表示应该用力踩刹车才能让车停下来。
    切换到上面给水缸加水的例子,就是当发现水缸里的水快要接近1的时候,加入微分项,可以防止给水缸里的水加到超过1米的高度,说白了就是减少控制过程中的震荡。

    现在在回头看这个公式,就很清楚了
    这里写图片描述
    括号内第一项是比例项,第二项是积分项,第三项是微分项,前面仅仅是一个系数。很多情况下,仅仅需要在离散的时候使用,则控制可以化为
    这里写图片描述
    这里写图片描述
    每一项前面都有系数,这些系数都是需要实验中去尝试然后确定的,为了方便起见,将这些系数进行统一一下:
    这里写图片描述
    这样看就清晰很多了,且比例,微分,积分每个项前面都有一个系数,且离散化的公式,很适合编程实现。
    讲到这里,PID的原理和方法就说完了,剩下的就是实践了。在真正的工程实践中,最难的是如果确定三个项的系数,这就需要大量的实验以及经验来决定了。通过不断的尝试和正确的思考,就能选取合适的系数,实现优良的控制器。

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