基于PID控制算法的自主平衡小車的設(shè)計

嚴(yán)冬

【摘 要】隨著電子科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，兩輪平衡小車的研究和應(yīng)用越來越廣泛。本文提出了一種兩輪平衡小車，采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為整個硬件電路的控制核心，利用NRF24L01無線模塊來調(diào)整小車的PID參數(shù)設(shè)計。小車能夠自主的保持平衡狀態(tài)，并在保持直立的基礎(chǔ)上完成前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退動作。

【關(guān)鍵字】角度數(shù)據(jù)；PID算法；四元數(shù)濾波算法；單片機(jī)

中圖分類號： TP13-4；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0014-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.006

1 研究背景

自主平衡小車具備運動靈活、智能控制、操作簡單、節(jié)省能源、綠色環(huán)保、轉(zhuǎn)彎半徑小等可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電動車成為新的代步工具，尤其適合于在狹小空間內(nèi)運行，如大型購物中心、國際性會議或展覽場所、辦公大樓、生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)、生活住宅小區(qū)等。本文主要是研究車身運動過程當(dāng)中陀螺儀加速度計數(shù)據(jù)變化，針對小車車身在運動過程產(chǎn)生的白噪聲對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響采用了四元數(shù)濾波算法輸出正確的數(shù)據(jù)，采用PID控制算法實現(xiàn)對小車基本控制。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)整合了多種傳感器電路設(shè)計，為了保證各傳感器會傳數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以要做好電路信號的隔離，做好各部分的接地、濾波等工作，提高電路的穩(wěn)定性。整個系統(tǒng)分為控制上位機(jī)和受控下位機(jī)，控制上位機(jī)主要模塊有：STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤電路、MIC5207鋰電池充電電源、OLED液晶顯示電路、NRF24L01無線通信模塊、CH340串口通信模塊，受控下位機(jī)：STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)、陀螺儀加速度計模塊、無線通信模塊等。硬件框圖如圖1、2所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 NRF24L01無線通信函數(shù)設(shè)計

本設(shè)計采用了NRF24L01無線模塊設(shè)計，其主要的功能是可以利用上位機(jī)調(diào)節(jié)PID數(shù)據(jù)，使得在調(diào)試平衡車的過程中更加的便利高效。當(dāng)系統(tǒng)開始時會對NRF24L01無線模塊進(jìn)行初始化，然后對NRF24L01模塊進(jìn)行檢測，如果不能進(jìn)行通信則在OLED液晶顯示屏上保錯，反之則在OLED液晶顯示屏上顯示正常。本設(shè)計軟件流程圖3：

3.2 陀螺儀與加速度計輸出值轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)采用MPU6050陀螺儀加速度模塊，將MPU6050模塊讀取的數(shù)據(jù)，最終送入四元數(shù)濾波器轉(zhuǎn)化為更加準(zhǔn)確的角度數(shù)據(jù)和角加速度數(shù)據(jù)。軟件流程圖4.6：

3.3 PID控制軟件實現(xiàn)

為了實現(xiàn)自主平衡小車的基本動作，本系統(tǒng)采用PID控制算法，當(dāng)傳感器讀取到小車傾斜的角度時，將數(shù)據(jù)傳給主控電路。主控電路通過PID算法計算出相應(yīng)的PWM值。在保持車身平衡的基礎(chǔ)上，改變車身的機(jī)械中值，使車身向一邊傾斜，這時傳感器將車身傾斜角度讀取出來，主控為了保持車身平衡會輸出相應(yīng)的PWM值，使小車加速向傾斜方向運動，保持動態(tài)平衡。這樣就完成了前進(jìn)的動作。后退亦是如此。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1

（1）開機(jī)時界面中NRF24L01 OK 表示無線通信芯片能正常工作。Oled液晶顯示屏左邊可以調(diào)節(jié)PID參數(shù)，右邊的按鍵可以進(jìn)入不同的UI界面。

（2）控制上位機(jī)調(diào)試界面，在界面中有期望調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)，可以通過這2個功能來調(diào)節(jié)小車的機(jī)械中值以及PID的數(shù)值參數(shù)?？刂粕衔粰C(jī)的調(diào)試界面如圖6

4.2 受控下位機(jī)

（1）受控下位機(jī)的主要硬件電路包括：主控電路、驅(qū)動電路、OLED顯示

屏、無線通信電路、角度檢測電路等。

（2）受控下位機(jī)正常工作，使小車實現(xiàn)直立效果，如圖7。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)主要設(shè)計包括各個模塊的驅(qū)動程序設(shè)計、以及四元數(shù)濾波算法和PID控制算法設(shè)計。驅(qū)動程序設(shè)計包括OLED屏、TB6612FNG驅(qū)動芯片等。四元數(shù)濾波算法設(shè)計是為了使角度傳感器能夠讀取正確的角度數(shù)據(jù)。PID算法控制是為了使主控板輸出相應(yīng)的PWM值，使小車完成直立、前進(jìn)、后退等基本動作。