基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車的設(shè)計(jì)

黃義豪 符長友

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、動態(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新興的行業(yè)，近年來在我國迎來爆炸式增長，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、操作方便簡單、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]。這種新穎的個人可移動代步工具已成功地應(yīng)用于城市車站、廣場、購物中心等場所，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、動態(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，其重心恰好落在兩個車輪的軸線上，此時系統(tǒng)便處于自平衡點(diǎn)上。若這時θ對時間的高階導(dǎo)數(shù)全為0且外界沒有對系統(tǒng)有擾動的情況下，小車將會一直維持著這穩(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，系統(tǒng)的平衡態(tài)就會被破壞。只有加以控制，否則整個狀態(tài)還會發(fā)散，更不會自行恢復(fù)到平衡態(tài)。因此必須使系統(tǒng)的各個參數(shù)一直維持在平衡態(tài)，或者在平衡態(tài)附近波動[9]。下面對兩輪自平衡小車的運(yùn)動狀態(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電機(jī)軸線上，此時小車處于平衡態(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，此時若要恢復(fù)到平衡態(tài)，必須使車輪向前加速運(yùn)動，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，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)時監(jiān)測車體的傾斜角度，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，微處理器就會自動控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動方向與速度，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。并且這個過程一直持續(xù)著，系統(tǒng)才能保持動態(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)偏差較大時采用模糊控制，響應(yīng)速度快、動態(tài)性能高；當(dāng)姿態(tài)數(shù)據(jù)偏差較小時采用傳統(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)時感知運(yùn)動姿態(tài)信息，中央微處理器根據(jù)姿態(tài)信息控制兩個獨(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，在不平衡或突然加速、減速時，通過語音發(fā)預(yù)警信號，以友情提醒使用人注意安全；而在勻速行駛時，語音可提示當(dāng)前時速或播放使用人喜歡的音樂、評書、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，在動態(tài)條件下能有效測定角速度、航向角與加速度。Cruiz Core R1370P內(nèi)部含有1個3軸MEMS陀螺儀、3軸加速度計(jì)、電壓調(diào)節(jié)器、信號處理電路、AD轉(zhuǎn)換器和1個能完成誤差校正算法的RISC微處理器。采用1個自適應(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，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。同時把自平衡小車的當(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12bit的A/DC、3個通用16bit定時器和多種串行接口，如I2C、SPI與USART等接口[14]。STM32F103外接了實(shí)時時鐘芯片SZ2058以及驅(qū)動步進(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)動姿態(tài)檢測程序

運(yùn)動姿態(tài)檢測采用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 測試數(shù)據(jù)

5.1 平緩路面續(xù)航距離測試

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平緩路面進(jìn)行續(xù)航距離測試。當(dāng)蓄電池電壓下降到設(shè)定閾值并蜂鳴器報(bào)警時，停止測試。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

5.2 坡度路面續(xù)航距離測試

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)航距離測試，測試要求與5.1一樣。測試數(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，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)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛艷.代步出行唯選江昕—上海平衡車展江昕華麗出擊[J].電動自行車，2016（12）：20-21.

[2] 徐文凱.載人平衡車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2014.

[3] 張明.載人兩輪自平衡車控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2017.

[4] 梁光勝，杜夢楠，周子豪，等.基于互補(bǔ)濾波的兩輪自平衡車姿態(tài)控制[J].測控技術(shù)，2015，34（5）：72-73.

[5] 路成強(qiáng)，曾潔，李千振.基于卡爾曼濾波的兩輪自平衡遙控小車設(shè)計(jì)[J].自動化儀表，2017，38（9）：44-47，52.

[6] 行陽陽.基于模糊PD的兩輪自平衡車的設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué)，2013.

[7] 夏玫.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)泛化能力改進(jìn)研究[D].太原：太原科技大學(xué)， 2009.

[8] 許亞朝.兩輪平衡車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2016.

[9] 袁帥.兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)， 2012.

[10] 辛斌，陳杰，彭志紅.智能優(yōu)化控制：概述與展望[J].自動化學(xué)報(bào)， 2013，（11）：49-54.

[11] Micro infinity Co.， Ltd. Cruiz Core R1370P Technical Manual Rev1.1[M/OL].http：//www.minfinity.com/Manual/ CruizCore%20R1370P%20Technical%20Manual%20 Rev1.1.pdf，2015，05.

[12] 上海順舟智能科技股份有限公司. SZ15-01 LoRa模塊用戶使用手冊V1.0 [M/OL]. http：//pmo47b088.pic37.websiteonline.cn/upload/SZ15-01LoRa.pdf，2018（6）.

[13] 廣州美芯電子科技有限公司.MX6100-16P模塊使用手冊V1.2[M/OL]. http：//www.mxic168.com/sczs/hby/mp31/123. html.

[14] STMicroelectronics Co.， Ltd. STM32F103t8ST user manual [M/OL].https：//www.st.com/resource/en/datasheet/ stm32f103t8.pdf，2013，08.