兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)設(shè)計探討

時間:2022-09-08 10:24:30

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兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)設(shè)計探討

摘要:介紹了一種采用數(shù)字信號控制器dsPIC33EP16GS502和運動傳感器MPU-6050等設(shè)計的兩輪自平小車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用卡爾曼濾波算法對陀螺儀和加速度計的信號進行融合,計算出小車傾角和角速度的最優(yōu)估計值,采用PID算法對驅(qū)動電機的兩路PWM信號進行控制,從而實現(xiàn)兩輪小車的自平衡控制。文中詳細(xì)介紹了兩輪小車自平衡控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計。

關(guān)鍵詞:卡爾曼濾波;數(shù)據(jù)融合;自平衡;兩輪;dsPIC33EP16GS502

兩輪自平衡車系統(tǒng)是一種高度不穩(wěn)定系統(tǒng),具有傳統(tǒng)的一階倒立擺的特性,其平衡控制系統(tǒng)利用安裝在車體上的陀螺儀和加速度傳感器,來檢測車體姿態(tài)的變化,再通過伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動電機進行精確地調(diào)整,以實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定[1,2]。本文利用數(shù)字信號控制器、加速度傳感器等設(shè)計了一種兩輪自平衡小車的控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

兩輪自平衡小車的控制系統(tǒng)主要由數(shù)字信號控制器dsPIC33EP16GS502、加速度傳感器MPU-6050、藍牙串口模塊(型號:DX-BT04)、直流雙電機驅(qū)動TB6612FNG等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。加速度傳感器MPU-6050用于車體傾角及小車加速度的測量,藍牙串口通信模塊用于實現(xiàn)手機對小車的控制,安裝在兩個車輪上的光電檢測電路各輸出AB兩路信號,處理后可以得到小車的速度及方向信息,TB6612FNG用于驅(qū)動車輪動作,OLED模塊用于數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示,所有的通信、測量及控制都在數(shù)字信號控制器dsPIC33EP16GS502控制下實現(xiàn),下面介紹主要電路的設(shè)計。

2硬件電路設(shè)計

2、1控制電路

系統(tǒng)控制電路如圖2所示。由數(shù)字信號控制器(DSC)dsPIC33EP16GS502實現(xiàn),這是一種16位數(shù)字信號控制器,適合電機控制類應(yīng)用,其工作時鐘高達70MHz,內(nèi)部有5個16位、輸入時鐘頻率為960MHz的高速PWM模塊(每個PWM模塊可有兩個輸出),可以輸出高分辨率、高速PWM信號[3],本設(shè)計中用于平衡車車輪的精確控制。此外,該DSC具有I2C接口、SPI接口及UART接口,方便與MPU-6050、OLED顯示模塊及藍牙串口模塊接口的設(shè)計。控制模塊的主要功能為:(1)讀取MPU-6050內(nèi)部寄存器,獲取三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀數(shù)據(jù),再利用卡爾曼濾波法對加速度傳感器輸出的數(shù)據(jù)和陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)進行解算,計算出角速度、角速度誤差等;(2)與藍牙串口模塊通信,接收手機APP發(fā)來的命令,發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)、狀態(tài)到手機上顯示;(3)控制OLED模塊顯示數(shù)據(jù)、狀態(tài);(4)讀取光電傳感器對安裝在車輪上的光柵編碼盤的檢測信號,處理后得到小車的速度和運動方向;(5)輸出30kHz、15位分辨率(實際范圍為0~32000)的PWM信號給電機驅(qū)動芯片,從而實現(xiàn)對兩個車輪的精確控制。

2、2電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動電路如圖3所示。TB6612FNG是東芝公司推出的一種電機控制專用芯片,其集成度高、驅(qū)動能力強[4],分別控制兩個直流電機。設(shè)計中使用了DSC的6個I/O腳用于對TB6612的控制,其中4個I/O腳用于電機正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止等功能控制,另外2個I/O腳輸出兩路30kHz的PWM信號,實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制。

2、3測量及通信電路

車體傾角、加速度測量及通信電路如圖4所示,DSC通過2個I/O腳與MPU-6050相連,以I2C接口的方式讀取MPU-6050的測量結(jié)果[5];為實現(xiàn)手機以藍牙方式對小車進行控制,設(shè)計中使用了藍牙串口模塊,該模塊與DSC的串行口相連,如圖4所示,圖中的D3用于指示藍牙連接狀態(tài),按下S1鍵可以斷開藍牙連接。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序采用模塊化編程方式,每個模塊實現(xiàn)一定的功能,各模塊在主程序調(diào)用下協(xié)同運作實現(xiàn)小車的平衡控制。系統(tǒng)程序由MPU-6050讀寫、卡爾曼濾波、車速及運動方向檢測、PID控制、藍牙串口通信及數(shù)據(jù)顯示等模塊組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。MPU6050的姿態(tài)解算采用DMP(DMP是MPU6050內(nèi)部的運動引擎,全稱DigitalMotionProcessor,直接輸出四元數(shù))方式,在平衡車實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)卡爾曼濾波進行數(shù)據(jù)融合和通過DMP輸出的四元數(shù)得到的角度最為穩(wěn)定。平衡小車的卡爾曼濾波器設(shè)計關(guān)鍵要素是選取狀態(tài)向量,平衡小車的車體傾斜角度和車體的傾斜角速度是倒數(shù)關(guān)系,所以狀態(tài)向量的元素可以選擇為車體的角速度(Q_gyro)、車體的傾角(Q_angle)等來估計陀螺儀的零位偏(Q_bias),卡爾曼濾波采樣時間為dt=0005,觀查噪聲協(xié)方差矩陣(R_angle)[6,7]??柭鼮V波融合流程圖如圖6所示。程序設(shè)計中每5ms測量一次傾角及加速度的值,這樣的測量頻率可以取得較好的卡爾曼濾波和互補濾波的效果。系統(tǒng)啟動后調(diào)用各個模塊采集數(shù)據(jù),速度環(huán)采用PI(比例-積分)控制、轉(zhuǎn)向環(huán)P(比例)控制、直立(平衡)環(huán)采用PD(比例-微分)控制。數(shù)據(jù)處理后最終輸出兩路PWM控制左右兩個電機的運動,從而實現(xiàn)小車的控制。在實際調(diào)試中,上述各環(huán)的參數(shù)需要實際測試得出,以直立環(huán)PD控制參數(shù)確定為例,其確定流程如圖7所示。其余各環(huán)的控制參數(shù)的確定與直立環(huán)類似,不再贅述。

4系統(tǒng)調(diào)試

平衡小車的調(diào)試主要分為三個環(huán)節(jié):車體直立調(diào)試、小車速度控制、小車轉(zhuǎn)向控制,下面分別介紹。

4、1車體直立調(diào)試

平衡小車直立環(huán)使用PD(比例微分)控制器,直立控制調(diào)試,由此可以得出結(jié)論見表1、表2所示。從表1、表2可以看出直立環(huán)中應(yīng)取:kp=500、kd=1�7,根據(jù)實踐經(jīng)驗,對kp、kd都乘以06,然后取整即得:kp=300、kd=1。

4、2小車速度控制

在平衡小車的速度控制中,采用最常使用的PI(比例積分)控制器,PI控制器是一種線性控制器,是將偏差的比例(P)和積分(I)通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進行控制。根據(jù)速度控制調(diào)試,由此可以得出結(jié)論見表3所示。根據(jù)表3,設(shè)計中選取kp=80、kd=0.4。

4、3小車轉(zhuǎn)控制

平衡小車轉(zhuǎn)向控制比較簡單,設(shè)計中僅使用了比例(P)控制。具體而言,就是使用Z軸陀螺儀的數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)向速度偏差進行比例控制,目的是保持轉(zhuǎn)向速度為設(shè)定值。這種方法算法簡單、避免了編碼器對車輪滑動無法檢測現(xiàn)象、陀螺儀漂移等問題。轉(zhuǎn)向環(huán)的作用是使小車行駛的過程中,跟隨給定的Z軸角速度,例如若設(shè)定的Z軸目標(biāo)角速度為零,那么小車應(yīng)該走一個直線,根據(jù)轉(zhuǎn)向控制調(diào)試,由此可以得出結(jié)論見表4所示。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù),設(shè)計中轉(zhuǎn)向環(huán)控制中,取kp=1。綜上所述,各控制環(huán)的選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù),然后再進行綜合調(diào)試,可以使平衡小車能穩(wěn)定的做自平衡運動。

5結(jié)束語

文中介紹了一種硬件上采用數(shù)字信號控制器dsPIC33EP16GS502、加速度傳感器MPU-6050等,軟件上主要采用卡爾曼數(shù)據(jù)融合算法、PID控制算法的兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計。實際測試表明該小車在一般的水泥地面上自平衡控制范圍約為±15°,施加一定的干擾,小車仍能保持平衡;可以完成通過手機以藍牙方式發(fā)出的前進、倒退、轉(zhuǎn)彎等指令,控制過程穩(wěn)定、可靠。

作者:乙金林 陳雯雯 張亞煒 沙春芳 單位:鹽城師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院