基于串級(jí)PID控制的兩輪自平衡車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊皓明 趙唯

摘要：兩輪平衡車的狀態(tài)變量多、系統(tǒng)模型非線性、變量間強(qiáng)耦合、時(shí)變性等不穩(wěn)定，需要高效的控制算法和控制周期。本文采用串級(jí)PID控制系統(tǒng)配合互補(bǔ)濾波算法姿態(tài)解算，實(shí)時(shí)精確地控制無(wú)刷直流電機(jī)，以角速度環(huán)為最內(nèi)環(huán)，角度環(huán)與速度環(huán)為外環(huán)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。系統(tǒng)結(jié)果表明，基于串級(jí)PID控制的控制系統(tǒng)能夠有效控制兩輪自平衡車的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：兩輪自平衡車; 控制算法;控制周期

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）16-0288-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

兩輪平衡車是通過(guò)電機(jī)對(duì)左右兩輪進(jìn)行力矩輸出保持平衡的類倒立擺系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)小巧、控制高效和轉(zhuǎn)彎靈活等特點(diǎn)已經(jīng)成為移動(dòng)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)。對(duì)于自平衡車控制系統(tǒng)，已有不同的控制理論被提出，其中常用于實(shí)際應(yīng)用的控制算法有常規(guī)PID控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等。采用串級(jí)PID控制系統(tǒng)配合互補(bǔ)濾波算法姿態(tài)解算，通過(guò)實(shí)時(shí)精確地控制無(wú)刷直流電機(jī)，以角速度環(huán)為最內(nèi)環(huán)，角度環(huán)與速度環(huán)為外環(huán)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。在實(shí)踐賽道中表現(xiàn)出具有良好的動(dòng)態(tài)特性，反應(yīng)迅速。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文要求能識(shí)別賽道方向信息，自主控制姿態(tài)，通過(guò)兩輪驅(qū)動(dòng)以直立姿態(tài)行駛在鋪有電磁線的賽道上，并且同時(shí)在微控制器上采集到的各個(gè)傳感器信息無(wú)線傳輸?shù)絇C上位機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體架構(gòu)如圖1，微處理器選用飛思卡爾的MK6ODN512ZVLQ1O為控制中心，通過(guò)外接電磁傳感器、MPU6050三軸姿態(tài)傳感器、測(cè)速512線編碼器來(lái)獲取當(dāng)前車體的方向、姿態(tài)、速度信息。通過(guò)微處理器運(yùn)算后輸出PWM控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)NRF24L01無(wú)線傳輸模塊發(fā)送信息到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)視。

2 兩輪自平衡車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自平衡車的硬件系統(tǒng)分為電源電路、運(yùn)放模塊、傳感器電路模塊、控制系統(tǒng)電路模塊、濾波電路模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊等。鎳鎘電池作為總電源，通過(guò)穩(wěn)壓電路為主控芯片、傳感器提供穩(wěn)定的直流電源，傳感器用于檢測(cè)平衡車的行駛狀態(tài)，判斷行駛條件，通過(guò)濾波電路，去除高頻噪聲，由控制電路進(jìn)行信號(hào)處理，調(diào)整控制參數(shù)，制動(dòng)控制隔離電路判斷制動(dòng)條件，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制的同時(shí)保護(hù)主控模塊。

2.1 核心控制電路模塊

（1）電源電路

本文采用7.2V鎳鎘電池，放置于車體的軸線以下，以降低車體的重心?？紤]到車上其他模塊的供電要求，需要穩(wěn)壓電路對(duì)電池電壓進(jìn)行處理。

K60芯片供電電壓為3.3V，攝像頭、液晶顯示屏的供電電壓為3.3V，制動(dòng)控制隔離電路、陀螺儀供電電壓為5V，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供電電壓為12V和7.2V。

1）5V穩(wěn)壓電路

采用LM2940芯片，LM2940是低壓差的線性穩(wěn)壓集成電路，芯片的輸入輸出之間的損耗比較小， 包括靜態(tài)電流降低電路、電流限制、電池反接和反插入保護(hù)電路等。3腳接入輸出端和地之間接入的濾波電容，減少雜波的輸出。

2）3.3V外設(shè)穩(wěn)壓電路

采用AMS3117芯片， AMS1117內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，固定輸出電壓3.3V，為確保輸入和輸出電壓的穩(wěn)定性，需要在AMS1117輸入輸出端并聯(lián)濾波電容。

3）3.3V主控穩(wěn)壓電路

主控穩(wěn)壓電路采用AMS1117穩(wěn)定輸出固定電壓3.3V，電路中需要大量的電源類引腳，電源與地包括很多引腳。電源與地引腳主要用于外接濾波電容，無(wú)須外接電源與地。IC內(nèi)部不能制作電容，需要外接電容。為了改善系統(tǒng)的電磁兼容性，采用電源濾波電路降低電源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，從而增強(qiáng)電路工作的穩(wěn)定性。

4）DC-DC 12V穩(wěn)壓電路

將直流電壓變換為另一種直流電壓利用半導(dǎo)體或者電阻都會(huì)降低轉(zhuǎn)換的效率，DC-DC轉(zhuǎn)換電路具有更高的轉(zhuǎn)換效率，其具有超低波紋系數(shù)和低靜態(tài)電流，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)中起到隔離的作用，避免大電流灌滿電路，產(chǎn)生較強(qiáng)的波紋。

（2）運(yùn)算放大電路

自平衡車判斷道路性質(zhì)狀況需要通過(guò)電感采集電壓值，但感應(yīng)到的信號(hào)強(qiáng)度較小，因此需要進(jìn)行運(yùn)算放大，采用OPA4377芯片，其具有零漂移，低噪聲等特點(diǎn)，在有效增強(qiáng)信號(hào)的同時(shí)引入較少的干擾。

（3）控制系統(tǒng)電路.

本文采用作為微控制器，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，把傳感器（圖像數(shù)據(jù)，編碼器，陀螺儀等）采集的信號(hào)，在控制算法的決策下驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成控制平衡車。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用PWM調(diào)壓調(diào)節(jié)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，根據(jù)能量沖量等效原理PWM通過(guò)將固定不變的電壓系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換成占空比可變的PWM波，占空比的改變會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電樞兩端的平均電壓的方式的改變。優(yōu)點(diǎn)主要有體積小、調(diào)速性能好、成本較低、方便控制，易于閉環(huán)的控制。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用全橋驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)電路，由四個(gè)三極管或 MOS 管組成的驅(qū)動(dòng)臂組成。電橋驅(qū)動(dòng)芯片hip2408一方面控制對(duì)角線上MOS的導(dǎo)通，另一方面控制另一條對(duì)角線上的 MOS的斷開從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)改變每個(gè)臂上點(diǎn)MOS的狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的剎車和反向。

（2）制動(dòng)控制隔離電路的設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)停止以及正反轉(zhuǎn)需要專門的電路進(jìn)行控制，系統(tǒng)計(jì)算獲得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)制動(dòng)控制隔離電路進(jìn)行隔離，同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)的功率，進(jìn)行后續(xù)電平的匹配，確?？梢哉ｒ?qū)動(dòng)MOS管，同時(shí)利用隔離，將輸入信號(hào)的IO口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行有效隔離，防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的電流回灌。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件總體設(shè)計(jì)框架

由于兩輪平衡車是一種典型的倒立擺模型，根據(jù)平衡車的自平衡原理，當(dāng)檢測(cè)到傳感器解算出的角度與預(yù)設(shè)機(jī)械零點(diǎn)角度不同即車體發(fā)生傾斜時(shí)，為保持車體平衡，需要電機(jī)發(fā)力驅(qū)動(dòng)車向前或向后獲得加速度，讓重心移動(dòng)來(lái)達(dá)到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡。

在開通電源后，傳感器必須進(jìn)行初始化，從而保證傳感器的工作正常。獲取MPU6050的初始溫漂進(jìn)行清零，并配置軟件中斷優(yōu)先級(jí)，分別配置中斷1（姿態(tài)控制）2ms、中斷2（速度、電磁賽道采集）5ms，將串級(jí)控制優(yōu)先級(jí)置高來(lái)確保平衡車直立為第一優(yōu)先級(jí)。軟件整體框架流程如圖3所示。

3.2互補(bǔ)濾波姿態(tài)解算

姿態(tài)解算的精確與動(dòng)態(tài)性將影響控制是否高效，為此選用了一階互補(bǔ)濾波作為姿態(tài)解算的方案?；パa(bǔ)濾波算法有效地利用加速度計(jì)的時(shí)效性彌補(bǔ)了角速度的溫漂問題。首先利用加速度傳感器的Y軸和Z軸加速度用反三角函數(shù)解算出當(dāng)前角度，但是由于加速度計(jì)容易獲受尖峰的影響，所以需要對(duì)角速度進(jìn)行積分獲得當(dāng)前角度，再對(duì)二者進(jìn)行融合得到最終角度。由圖可知互補(bǔ)濾波算法充分發(fā)揮了這兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，消除了加速度計(jì)的高頻噪聲和角速度的積分累計(jì)誤差。與DMP讀取方案相比，互補(bǔ)濾波算法動(dòng)態(tài)性更高，對(duì)閉環(huán)控制有更好的幫助。

3.3串級(jí)閉環(huán)控制

直立車上的傳感器反饋的變量有角速度、加速度、編碼器速度三個(gè)量，通過(guò)構(gòu)建串級(jí)PID控制系統(tǒng)，分別使用位置式PID和增量式PID來(lái)得到輸出到驅(qū)動(dòng)模塊的PWM。由于串級(jí)的調(diào)試相比于普通PID有著更好的規(guī)律性，所以該控制系統(tǒng)比普通的方案能夠更好更快地進(jìn)行參數(shù)調(diào)制。并且出現(xiàn)問題現(xiàn)象后能夠分析出是哪一環(huán)出的問題。設(shè)計(jì)并調(diào)試以角速度環(huán)為系統(tǒng)主回路的三閉環(huán)串級(jí)PID控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文研究串級(jí)PID控制系統(tǒng)配合互補(bǔ)濾波算法姿態(tài)解算，通過(guò)實(shí)時(shí)精確地控制無(wú)刷直流電機(jī)，以角速度環(huán)為最內(nèi)環(huán)，角度環(huán)與速度環(huán)為外環(huán)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。自平衡車的硬件系統(tǒng)分為電源電路、運(yùn)放模塊、傳感器電路模塊、控制系統(tǒng)電路模塊、濾波電路模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】