電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在智能巡邏車(chē)上的應(yīng)用

聶咸豐，徐新琳，張　旭

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

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電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在智能巡邏車(chē)上的應(yīng)用

聶咸豐，徐新琳，張旭

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

摘要：傳統(tǒng)的智能巡邏車(chē)要想做到直線行走，就必須在兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝同軸的編碼盤(pán)，通過(guò)PID時(shí)刻調(diào)整左右輪轉(zhuǎn)速一致。編碼盤(pán)價(jià)格比較昂貴，且需要相同尺寸的聯(lián)軸器等配套器件，安裝也很麻煩。在對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和MPU-6050進(jìn)行了進(jìn)行分析研究后，提出了一種控制智能巡邏車(chē)轉(zhuǎn)向的低成本解決方案。STM32控制助力電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)開(kāi)發(fā)者設(shè)定的角度，MPU6050來(lái)實(shí)時(shí)反饋巡邏車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度給STM32處理器，STM32通過(guò)“PID閉環(huán)控制”控制實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度不斷趨近設(shè)定角度，直至保持一致。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；MPU6050；PID閉環(huán)控制

目前多數(shù)智能巡邏車(chē)要想做到直線行走，必須安裝編碼盤(pán)來(lái)實(shí)時(shí)反饋兩輪的速度，通過(guò)PID調(diào)節(jié)左右兩輪的速度時(shí)刻保持一致才行。本文將汽車(chē)中的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)移植在智能巡邏車(chē)上，拋棄了采用“編碼盤(pán)”的低性?xún)r(jià)比方案，對(duì)實(shí)現(xiàn)巡邏車(chē)的轉(zhuǎn)向角度控制進(jìn)行了探究。

1　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)-簡(jiǎn)介及應(yīng)用

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，信號(hào)傳感裝置（包括轉(zhuǎn)角傳感器和車(chē)速傳感器），轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)（助力電機(jī)、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）及電子控制裝置。電動(dòng)機(jī)僅在需要助力時(shí)工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，扭矩轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)輸入扭矩和轉(zhuǎn)向角的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，車(chē)速傳感器檢測(cè)到車(chē)速信號(hào)，控制單元根據(jù)電壓和車(chē)速的信號(hào)，給出指令控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)向助力。

本文是在圖1所示的智能巡邏車(chē)上，應(yīng)用圖2所示的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖1　智能巡邏車(chē)

圖2　智能巡邏車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖

本文所提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與一般汽車(chē)上的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有很大的區(qū)別，其一采用了MPU6050來(lái)取代轉(zhuǎn)角傳感器和車(chē)速傳感器；其二電機(jī)的位置是放置在轉(zhuǎn)向軸下方，而不是轉(zhuǎn)向軸側(cè)方位置。不管是對(duì)于轉(zhuǎn)角傳感器、車(chē)速傳感器，還是對(duì)于單軸陀螺儀和單軸加速度計(jì)，MPU6050的性?xún)r(jià)比最高，因?yàn)槠鋬r(jià)格最低廉，且能夠同時(shí)測(cè)量角度和速度。因此，跟采用“編碼盤(pán)”測(cè)速的方案相比，本方案更容易實(shí)現(xiàn)，且成本更低，能夠控制車(chē)轉(zhuǎn)任意角度的彎，更適合搭載在中小型智能巡邏車(chē)上，且經(jīng)測(cè)試穩(wěn)定可靠。

2　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)-轉(zhuǎn)向控制原理

2.1MPU6050傳感器簡(jiǎn)介

MPU6050是 InvenSense公司推出的全球首款整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，其內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個(gè)IIC接口，并利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP:Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通過(guò)主IIC接口，向應(yīng)用端輸出穩(wěn)定可靠的角度、速度等數(shù)據(jù)[1]。有了DMP，我們可以使用 InvenSense公司提供的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)，非常方便的計(jì)算出偏航角，大大降低了智能巡邏車(chē)角度控制的開(kāi)發(fā)難度。

2.2MPU6050傳感器應(yīng)用

本方案采用MPU6050來(lái)實(shí)時(shí)反饋巡邏車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和速度給STM32處理器，要想保證巡邏車(chē)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度與設(shè)定角度最終無(wú)較大偏差，則必須保證MPU6050輸出的是穩(wěn)定可靠的角度。

MPU6050輸出角度有兩種方式：一種是利用MPU6050內(nèi)部的姿態(tài)融合器DMP，直接輸出姿態(tài)角，優(yōu)點(diǎn)是CPU參與少，但融合參數(shù)不可調(diào)整，調(diào)試?yán)щy；另一種是用卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法[2]，或者簡(jiǎn)化版的濾波，這種方法用好了效果會(huì)非常好，有些參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，改進(jìn)效果。

最初是選擇直接DMP輸出角度數(shù)據(jù)，但用上位機(jī)察看波形發(fā)現(xiàn)漂移誤差較大（如圖3所示）。所以后來(lái)選擇采用卡爾曼濾波，波形較穩(wěn)定，雖不理想，但已滿(mǎn)足要求了（如圖4所示）。

圖3　DMP直接輸出

圖4　經(jīng)卡爾曼濾波后

表1是5組比較有代表性的角度值，本文作者驗(yàn)證了總共50組左右的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論本電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相對(duì)誤差基本能維持在百分之一以下，屬于可接受范圍。

表1　巡邏車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)誤差表

3　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)-控制算法

3.1控制原理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)巡邏車(chē)角度的準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)巡邏車(chē)直線行走或拐30°的彎，需要把MPU6050采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較處理，所以本文采取PID閉環(huán)控制算法，把MPU6050采集的角度進(jìn)行卡爾曼濾波后，作為輸入量輸入到控制中心，CPU對(duì)其角度與原設(shè)定角度進(jìn)行偏差比較后做比例、積分、微分運(yùn)算，然后轉(zhuǎn)換成PWM調(diào)節(jié)信息，把PWM調(diào)節(jié)信息輸入給電機(jī)進(jìn)行矯正，直至巡邏車(chē)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度與設(shè)定角度的偏差時(shí)刻保持在可接受范圍內(nèi)[3]。

巡邏車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)算法控制流程圖如圖5所示。

圖5　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)角控制流程圖

3.2PID簡(jiǎn)介及其實(shí)現(xiàn)

經(jīng)典PID控制理論中，基本數(shù)學(xué)模型有兩種（連續(xù)型、增量型），

本文通過(guò)PID控制系統(tǒng)的研究，決定采用增量型，PID模型的增量控制數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)單地用下式表示。

上式中：

Kp，Kd，Ki分別為比例、微分、積分控制參數(shù)[4]。

e（k），E_1，E_2分別為當(dāng)前誤差，前一次誤差值，前兩次誤差值。

在確定PID的比例、積分、微分系數(shù)時(shí)，首先應(yīng)確定系統(tǒng)響應(yīng)的周期，然后再確定系統(tǒng)周期后，再依次確定Kp，Kd，Ki.當(dāng)要確定Kp，Kd，Ki的時(shí)候，應(yīng)先設(shè)定一個(gè)較大的Kp，將Kd和Ki設(shè)置為0，通過(guò)觀察，逐漸減小Kp，直到系統(tǒng)出現(xiàn)規(guī)律的振蕩，然后再用相同的方法，確定Ki，若Kd和Ki都不能滿(mǎn)足所需的調(diào)節(jié)精度，再調(diào)試Kd，直到滿(mǎn)足要求為止。

系統(tǒng)采樣周期設(shè)置為0.1 s時(shí)，調(diào)節(jié)后數(shù)據(jù)結(jié)果如下圖6所示。

圖6　角度數(shù)據(jù)示意圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、MPU6050工作原理、PID算法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的描述，介紹了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在巡邏車(chē)上的應(yīng)用。該系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定可靠的轉(zhuǎn)角控制，且成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)，在國(guó)內(nèi)的巡邏車(chē)市場(chǎng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]KALMAR-NAGY T，GANGULY P，D'ANDREA R.Real-time trajectory generation for omnidirectional vehicles[C].Proceed ings of the 2002 American Control Conference．Anchorage，AK:[s．n．]，2002:286－291．

[2]MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions Revision 3.2[Z].MPU-6050的芯片手冊(cè).

[3]伍瑾斐，秦東興，劉?。妮喪揭苿?dòng)機(jī)器人非完整運(yùn)動(dòng)控制[J]．電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（2）:302－304．

[4]張榮輝，賈宏光，陳濤，等．基于四元數(shù)法的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)解算[J].光學(xué)·精密工程，2008，16（10）：1963－1970．

中圖分類(lèi)號(hào):TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0215-03

收稿日期：2016-01-25

項(xiàng)目基金:區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目＂基于STM32嵌入式系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛小區(qū)巡邏車(chē)＂（編號(hào)：201410595012）

作者簡(jiǎn)介：聶咸豐（1995-），男，湖南婁底人，本科，主要研究方向:機(jī)械電子工程。

Electric Power Steering System in the Application of Intelligent Patrol Car

NIE Xian-feng，XU Xin-lin，ZHANG Xu
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract:The traditional intelligent patrol car to do walk straight and it must be installed on both sides of the drive motor coaxial coding plate，through PID adjust left and right wheel speed.Encoding plate prices more expensive，and require the same size of the coupling and other supporting device，installation is also very troublesome.For electric power steering system and MPU-6050 after carried on the analysis，this paper proposes a control of the intelligent patrol car to low cost solution.STM32 control power motor rotation set a developer's perspective，the MPU6050 to real-time feedback car rotation angle to the STM32 processor，STM32 through the PID closed-loop control control constantly reaching set actual rotation angle，and consistent.

Key words:electric power steering system；MPU6050；the PID closed-loop control