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基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車的設(shè)計(jì)

2023-02-28 20:26黃義豪符長(zhǎng)友
電子產(chǎn)品世界 2023年2期
關(guān)鍵詞:平衡態(tài)代步陀螺儀

黃義豪 符長(zhǎng)友

摘 要:兩輪自平衡代步小車集姿態(tài)信息感知、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)平衡控制于一體,設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于姿態(tài)信息準(zhǔn)確感知與自平衡控制。姿態(tài)信息感知通過帶有自適應(yīng)降階卡爾曼濾波器的陀螺儀、加速度計(jì)集成傳感器來實(shí)現(xiàn)。針對(duì)傳統(tǒng)PID、LQR、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等自平衡控制方式的缺陷與不足,提出采用模糊PID控制。利用陀螺儀、加速度計(jì)、ARM微處理器、語音播報(bào)、LoRa通信等技術(shù),設(shè)計(jì)出基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)程序設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明,基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車具有平衡穩(wěn)定、續(xù)航距離遠(yuǎn)、語音預(yù)警、遙控等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:兩輪自平衡;模糊PID;陀螺儀;加速度計(jì);ARM;LoRa;卡爾曼濾波;姿態(tài)信息

*基金項(xiàng)目:1. 企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控技術(shù)四川省院士(專家)工作站基金項(xiàng)目(2016WZY201);2. 四川省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16ZA0258);3. 2017年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目(201702109051)

0 引言

兩輪自平衡代步小車作為一個(gè)新興的行業(yè),近年來在我國迎來爆炸式增長(zhǎng),其行業(yè)年產(chǎn)值已超過了100億元,生產(chǎn)廠家也已超過了300家[1]。與其他代步工具相比,兩輪自平衡代步小車具有噪音小、操作方便簡(jiǎn)單、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]。這種新穎的個(gè)人可移動(dòng)代步工具已成功地應(yīng)用于城市車站、廣場(chǎng)、購物中心等場(chǎng)所,起著城市短途代步、安保巡邏、休閑娛樂等作用[3]。

兩輪自平衡代步小車集姿態(tài)信息感知、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)平衡控制于一體。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于車體姿態(tài)信息的準(zhǔn)確感知與自平衡控制。車體姿態(tài)信息的感知可通過陀螺儀、加速度等傳感器來實(shí)時(shí)采集,再通過互補(bǔ)濾波[4]、卡爾曼濾波[5]等方式能很好地獲得準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。而自平衡控制現(xiàn)有傳統(tǒng)PID、LQR、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方式。由于傳統(tǒng)PID(比例、積分、微分控制)的參數(shù)固定,無法進(jìn)行自行修正,缺乏靈活性與應(yīng)變性。而兩輪自平衡代步小車是一個(gè)非線性、多階次、不穩(wěn)定的系統(tǒng),采用傳統(tǒng)PID就難以保證控制的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。LQR(Linear Quadratic Regulator,線性二次型調(diào)節(jié)器)利用系統(tǒng)的狀態(tài)方程與數(shù)學(xué)模型,由于兩輪自平衡代步小車數(shù)學(xué)模型過于理想化,與實(shí)際所需相差較遠(yuǎn),導(dǎo)致LQR參數(shù)不準(zhǔn)確,不能達(dá)到所需的控制效果[6]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種仿生物神經(jīng)傳導(dǎo)特性的控制,但其算法過于復(fù)雜,需占用微處理器大量的系統(tǒng)資源而影響微處理器的整體性能,在實(shí)際應(yīng)用中也有很大難度[7]。

由于上述自平衡控制方式均存在某些缺陷與不足,需尋求一種全新的自平衡控制方式,而模糊控制魯棒性強(qiáng),且專門針對(duì)于非線性、不穩(wěn)定的復(fù)雜系統(tǒng),其算法也完全不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、狀態(tài)空間方程等[8]。因此將模糊控制與傳統(tǒng)PID有機(jī)結(jié)合起來,構(gòu)成模糊PID來實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡代步小車的自平衡控制。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 兩輪自平衡小車

兩輪自平衡小車為了實(shí)現(xiàn)自平衡,必須使得其整個(gè)狀態(tài)維持在平衡態(tài),如圖1所示。當(dāng)車體傾斜角θ為0時(shí),其重心恰好落在兩個(gè)車輪的軸線上,此時(shí)系統(tǒng)便處于自平衡點(diǎn)上。若這時(shí)θ對(duì)時(shí)間的高階導(dǎo)數(shù)全為0且外界沒有對(duì)系統(tǒng)有擾動(dòng)的情況下,小車將會(huì)一直維持著這穩(wěn)定的平衡態(tài)。事實(shí)上這平衡態(tài)是不穩(wěn)定的,若外界有很小很小的擾動(dòng),系統(tǒng)的平衡態(tài)就會(huì)被破壞。只有加以控制,否則整個(gè)狀態(tài)還會(huì)發(fā)散,更不會(huì)自行恢復(fù)到平衡態(tài)。因此必須使系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)一直維持在平衡態(tài),或者在平衡態(tài)附近波動(dòng)[9]。下面對(duì)兩輪自平衡小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分三類情況進(jìn)行闡述。

1)靜止?fàn)顟B(tài)。車體重心恰好垂直落在兩個(gè)電機(jī)軸線上,此時(shí)小車處于平衡態(tài),無需做任何控制。

2)前傾狀態(tài)。車體向前傾斜,其重心向前偏離車軸線,此時(shí)若要恢復(fù)到平衡態(tài),必須使車輪向前加速運(yùn)動(dòng),使重心重新回到車軸線,系統(tǒng)保持平衡。

3)后仰狀態(tài)。車體向后傾斜,其重心向后偏離車軸線,此時(shí)若要恢復(fù)到平衡態(tài),與前傾狀態(tài)相反,必須使車輪向后加速運(yùn)動(dòng),使重心重新回到車軸線。

在實(shí)際運(yùn)行中,兩輪自平衡小車的工作狀態(tài)始終在這三類狀態(tài)中變換。平衡控制就是通過姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車體的傾斜角度,一旦發(fā)現(xiàn)傾角偏離了平衡點(diǎn),即車體的重心偏離了車軸線,微處理器就會(huì)自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與速度,以向前或向后、加速或減速使車體再次恢復(fù)到平衡點(diǎn)上。并且這個(gè)過程一直持續(xù)著,系統(tǒng)才能保持動(dòng)態(tài)平衡。

1.2 模糊PID控制

模糊PID控制是將模糊技術(shù)與傳統(tǒng)PID控制有機(jī)結(jié)合起來,以達(dá)到有效的控制精度。當(dāng)姿態(tài)數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)采用模糊控制,響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能高;當(dāng)姿態(tài)數(shù)據(jù)偏差較小時(shí)采用傳統(tǒng)PID控制,靜態(tài)性能高,這樣才能滿足系統(tǒng)的控制精度[10]。因此模糊PID控制比單獨(dú)的模糊控制和單獨(dú)的傳統(tǒng)PID控制都有更好的控制效果與控制精度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

兩輪自平衡代步小車由兩輪自平衡小車與遙控器構(gòu)成,二者之間通過LoRa (Long Range Radio,遠(yuǎn)距離無線電)無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,如圖2所示。兩輪自平衡小車通過陀螺儀、加速度計(jì)實(shí)時(shí)感知運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息,中央微處理器根據(jù)姿態(tài)信息控制兩個(gè)獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)的方向與轉(zhuǎn)速,以實(shí)現(xiàn)車體的平衡控制。同時(shí),在不平衡或突然加速、減速時(shí),通過語音發(fā)預(yù)警信號(hào),以友情提醒使用人注意安全;而在勻速行駛時(shí),語音可提示當(dāng)前時(shí)速或播放使用人喜歡的音樂、評(píng)書、小品等節(jié)目。再者,可把當(dāng)前的姿態(tài)信息通過LoRa無線傳輸給遙控器。此外,也可通過LoRa無線接收遙控器發(fā)來的控制指令。因此兩輪自平衡小車由中央微處理器、陀螺儀、加速度計(jì)、步進(jìn)電機(jī)、LoRa通信、語音播報(bào)等模塊等構(gòu)成,如圖3所示。而遙控器可通過操作桿遠(yuǎn)程無線控制兩輪自平衡小車的方向與轉(zhuǎn)速,同時(shí)有LED燈顯示兩輪自平衡小車的運(yùn)行狀態(tài)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 陀螺儀與加速度傳感器

陀螺儀與加速度傳感器若集成在一起,具有體積小、集成度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。故采用Cruiz Core R1370P。該芯片是一款超小型的數(shù)字陀螺儀與加速計(jì)集成傳感器,在動(dòng)態(tài)條件下能有效測(cè)定角速度、航向角與加速度。Cruiz Core R1370P內(nèi)部含有1個(gè)3軸MEMS陀螺儀、3軸加速度計(jì)、電壓調(diào)節(jié)器、信號(hào)處理電路、AD轉(zhuǎn)換器和1個(gè)能完成誤差校正算法的RISC微處理器。采用1個(gè)自適應(yīng)降階卡爾曼濾波器,以減少如偏置漂移、比例因素、不對(duì)稱性所造成的誤差,進(jìn)而輸出精確、穩(wěn)定的角速度與航向角[11]。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.2 LoRa通信模塊

LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的低功耗、遠(yuǎn)距離無線通信方式,其特點(diǎn)是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)。采用SZ15-01模塊,其工作頻段為(470~510)MHz,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸,具有超高接收靈敏度,波特率為1 200~115 200 bit/s[12]。其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.3 語音播報(bào)模塊

語音播報(bào)模塊不僅具有播放音樂、評(píng)書、小品等使用人心情愉快,而且還具有若遇到不平衡或突然加速、減速時(shí),友情語音提醒讓使用人多注意安全。語音模塊采用MX6100。該模塊嵌入了串口的MP3芯片,集成了MP3、WAV的硬解碼。通過簡(jiǎn)單的串口指令即可完成播放指定的語音文件,穩(wěn)定可靠。該模塊支持比特率11172-3和ISO13813-3 layer3音頻解碼,支持Normal、Jazz、Classic、Pop、Rock等音效,24位DAC輸出,支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng)與32 G的TF/SD卡;30級(jí)音量可調(diào)[13],其電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.4 中央處理器

中央微處理器整個(gè)系統(tǒng)的最核心部件,負(fù)責(zé)讀取陀螺儀、加速度傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù),然后進(jìn)行匯總、分析與處理,并控制步進(jìn)電機(jī)按所需要的方式平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)把自平衡小車的當(dāng)前運(yùn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)通過LoRa方式發(fā)送給遙控器,讓遙控器及時(shí)知曉自平衡小車的當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。此外,也通過LoRa方式接收遙控器發(fā)來的控制指令及相關(guān)數(shù)據(jù)。因此需要功能強(qiáng)大的中央微處理器,為此采用STM32F103。該芯片使用高性能的32位ARM/Cortex M3內(nèi)核,內(nèi)置20KB SRAM、128KB Flash,含有2個(gè)12bit的A/DC、3個(gè)通用16bit定時(shí)器和多種串行接口,如I2C、SPI與USART等接口[14]。STM32F103外接了實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片SZ2058以及驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),其電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)程序

運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)采用CruizCore R1370P集成傳感器,其程序部分代碼如下:

4.2 卡爾曼濾波程序

卡爾曼濾波對(duì)陀螺儀、加速度采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合、優(yōu)化處理,其程序部分代碼如下:

4.3 語音模塊程序

語音模塊可友情提示和播放音樂等節(jié)目,程序部分代碼如下:

5 測(cè)試數(shù)據(jù)

5.1 平緩路面續(xù)航距離測(cè)試

當(dāng)電池充滿電后,由4名體質(zhì)量為50 kg、55 kg、60 kg、65 kg的人員分別騎行自平衡小車在同一條相對(duì)平緩路面進(jìn)行續(xù)航距離測(cè)試。當(dāng)蓄電池電壓下降到設(shè)定閾值并蜂鳴器報(bào)警時(shí),停止測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

5.2 坡度路面續(xù)航距離測(cè)試

當(dāng)電池充滿電后,同樣由上述4名人員分別騎行自平衡小車在大約15°的坡度路面進(jìn)行續(xù)航距離測(cè)試,測(cè)試要求與5.1一樣。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

5.3 陀螺儀角度數(shù)據(jù)

當(dāng)自平衡代步小車處于駕駛狀態(tài)時(shí),Cruiz Core R1370P輸出的角度數(shù)據(jù)如圖8所示。

6 實(shí)物圖片

遙控器實(shí)物如圖9所示。

基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車實(shí)物如圖10所示。

7 結(jié)束語

基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車采用了陀螺儀、加速度計(jì)、ARM微處理器、語音播報(bào)、步進(jìn)電機(jī)控制、LoRa通信等多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),具有平衡穩(wěn)定、續(xù)航距離遠(yuǎn)、語音預(yù)警、遠(yuǎn)程遙控等特點(diǎn)。

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