基于麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的智能車精確控制設(shè)計(jì)

楊明

【摘 要】該設(shè)計(jì)基于直立二輪電磁車以KEA128作為核心處理器，通過(guò)MPU6050測(cè)量的數(shù)據(jù)反饋計(jì)算得出小車當(dāng)前姿態(tài)信息，并通過(guò)電感檢測(cè)磁場(chǎng)的大小，程序計(jì)算小車出于的賽道中心的偏移量，經(jīng)過(guò)濾波，最后通過(guò)PID算法產(chǎn)生輸出量控制小車左右輪的轉(zhuǎn)速，使小車保持正常直立前行姿態(tài)且穩(wěn)定的速度沿著鋪設(shè)銅線的賽道運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整程序參數(shù)，最終使小車在一定速度的范圍內(nèi)都能夠很穩(wěn)定的完成賽道全程。

【關(guān)鍵字】智能車;直立行走;自動(dòng)尋跡;PID控制

中圖分類號(hào)： U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）04-0121-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.048

Precise Control Design of Intelligent Vehicle Based on Maxwells Electromagnetic Field Theory

YANG Ming

（Anhui University of Finance and Economics， Bengbu Anhui ?233030， China）

【Abstract】The design is based on the vertical two-wheeled electromagnetic vehicle KEA128 as the core processor. The current attitude information of the car is calculated by data feedback from MPU6050 measurement. The magnetic field is detected by inductance. The program calculates the offset of the car from the track center. After filtering， the output is generated by the PID algorithm to control the speed of the car's left and right wheels so as to keep the car normal. Stand upright and move at a steady speed along a copper-wire track. By adjusting the parameters of the program， the car can finish the whole course of the track stably in a certain speed range.

【Key words】Intelligent vehicle; Upright walking; Automatic tracking; PID control

隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的日益發(fā)展，要求生產(chǎn)過(guò)程中在脫離人工干預(yù)的情況下，系統(tǒng)可以自動(dòng)完成預(yù)期任務(wù)。二輪直立車和自主尋跡已經(jīng)成為生產(chǎn)生活中的趨勢(shì)。采用KEA128作為處理器，以其高速的運(yùn)算速度，多元化的功能，完備的適應(yīng)環(huán)境可以很好的接受各類傳感器收集的數(shù)據(jù)、經(jīng)程序處理將收集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為需要的控制參數(shù)并處理得出最后的輸出量用以及時(shí)控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成二輪車的直立、速度和轉(zhuǎn)向的綜合控制。

1 直立控制

直立原理 直立二輪車可以看做是一個(gè)倒立的單擺。當(dāng)其偏離平衡位置時(shí)，其受力如圖所示，這時(shí)候物體所受合力F=mgsinθ，方向向左，這個(gè)力使得物體最終回到平衡位置，但是物體并非在平衡位置立刻靜止，而是在平衡位置做阻尼振動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才能最終靜止，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間則是由阻尼力（空氣阻力）的大小決定，阻尼力與回復(fù)時(shí)間成反比。最終確定了物體靜止在平衡位置的兩個(gè)條件：

（1）與物體偏離平衡位置角度相反的回復(fù)力

（2）與物體恢復(fù)時(shí)角速度相反的阻尼力

當(dāng)然倒立的單擺并不能像一般單擺那樣的簡(jiǎn)單，是因?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)的方向和所受回復(fù)力的方向相同，加速物體偏離平衡位置。但是可以通過(guò)增加額外力的方法來(lái)改變回復(fù)力的方向，F(xiàn)=mgsinθ-macosθ，由此可以看出小車的平衡是依靠電機(jī)加減速控制的。

直立控制 二輪車想要保持直立靜止?fàn)顟B(tài)，其重心就必須在車輪與地面的接觸面上。當(dāng)小車偏離平衡位置時(shí)，通過(guò)MPU6050的數(shù)據(jù)反饋可以得出小車當(dāng)前的姿態(tài)即角度和角速度，向左偏離還是向右偏離，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向使小車加減速，從而實(shí)現(xiàn)小車的平衡。

2 速度控制

速度原理 在四輪車或三輪車的速度控制上，是采用控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)直接控制小車的速度的，因?yàn)橛蒄=kv2可知小車的速度越快，所受的空氣阻力越大，為了能夠達(dá)到預(yù)定速度，電機(jī)必須為為小車提供足夠的力來(lái)克服阻力，當(dāng)然這力是通過(guò)輪胎與地面的摩擦力間接作用的。但是二輪車的控制在于如果直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速控制速度會(huì)直接導(dǎo)致小車的平衡的破壞，或者是在小車直立控制下，速度的控制會(huì)沒(méi)有效果，這種更為常見(jiàn)，所以速度控制就不僅僅控制電機(jī)輸出那么簡(jiǎn)單。由于平衡車的不平衡狀態(tài)的合力是向左或右的，所以速度控制采用控制小車的傾斜角間接控制。傾斜角越大小車速度就可以越快，同樣的弊端便是其速度上限和加速度的大小都是由其質(zhì)量和傾斜角決定，這很大程度上限制了小車的機(jī)動(dòng)性。

速度控制 通過(guò)編碼器記錄的脈沖數(shù)再通過(guò)KEA128對(duì)數(shù)據(jù)的及時(shí)收集和清零，就可以測(cè)出小車擔(dān)當(dāng)前的速度，再通過(guò)調(diào)節(jié)小車的傾斜角來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的控制。當(dāng)然這里的控制與一般的PID控制不同，速度控制需要采用串級(jí)PID控制，意思是將速度的控制量反饋到直立控制上，由控制角度來(lái)間接控制速度，由于直立控制也是負(fù)反饋，也可以將速度控制轉(zhuǎn)換為正反饋直接反饋到電機(jī)上。

3 轉(zhuǎn)向控制

轉(zhuǎn)向原理 根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，按照一定規(guī)律分布。通過(guò)電感檢測(cè)相應(yīng)位置的電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向可以反過(guò)來(lái)計(jì)算出距離導(dǎo)線的空間位置。由于軌跡上導(dǎo)引電線和小車尺寸都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)， 電磁場(chǎng)輻射能量很小，所以能夠感應(yīng)到電磁波的能量非常小。為此，我們將導(dǎo)線周圍變化的磁場(chǎng)近似緩變的磁場(chǎng)， 按照檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布，然后將結(jié)果應(yīng)用到交變的條件下，從而進(jìn)行位置檢測(cè)。

轉(zhuǎn)向控制 二輪車只有當(dāng)左右輪的轉(zhuǎn)速相同時(shí)才能保持直線行駛，當(dāng)左右輪子速度不同時(shí)，不僅可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向還能夠通過(guò)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的彎道。所以當(dāng)小車前瞻的電感檢測(cè)值反饋到處理器上，經(jīng)過(guò)處理便可以計(jì)算出小車偏離中心線的位置，經(jīng)過(guò)PID算法的計(jì)算，確定左右電機(jī)應(yīng)保證多大的輸出差才能夠使得小車能夠回到中心位置。

4 PID算法應(yīng)用

算法簡(jiǎn)介 在自動(dòng)化系統(tǒng)中，若想系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的維持在一個(gè)預(yù)期的狀態(tài)，就必須將能夠根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且能夠自適應(yīng)各種外界環(huán)境的變化。這里就涉及了幾個(gè)重要因素：輸入量、輸出量、當(dāng)前狀態(tài)、預(yù)期狀態(tài);根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)和預(yù)期狀態(tài)的差，調(diào)節(jié)輸入量來(lái)控制輸出量，從而使當(dāng)前狀態(tài)迫近預(yù)期狀態(tài)。這就最終形成了PID算法。PID的分別是比例、積分、微分控制，通過(guò)測(cè)量元件將系統(tǒng)狀態(tài)反饋給處理器，處理器根據(jù)目的值與測(cè)量值結(jié)合其比例、積分、微分計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)輸出量作出反應(yīng)，反復(fù)操作后最終使系統(tǒng)狀態(tài)趨近于預(yù)期目標(biāo)。

串級(jí)PID是PID的一種延伸，是將整個(gè)系統(tǒng)分為內(nèi)外環(huán)，以外環(huán)作為主，內(nèi)環(huán)為輔，外環(huán)進(jìn)行細(xì)調(diào)，內(nèi)環(huán)進(jìn)行粗調(diào)，從而起到超前控制的效果。

小車應(yīng)用 想要小車在人為不干預(yù)的情況下，能夠穩(wěn)定前行，就要使用PID算法，而作為直立小車的三個(gè)主要的控制：直立、速度、轉(zhuǎn)向，當(dāng)然也是應(yīng)用了該算法。

4.1 直立PID

在通過(guò)MPU6050測(cè)回小車的角度和角速度后，經(jīng)過(guò)濾波處理，除去噪音，就可以得到當(dāng)前較為準(zhǔn)確的值，而后由下列公式則可以算出控制直立所需要的輸出量。這里的PID我們只用到P、D控制角度輸出=（設(shè)定角度-當(dāng)前角度）*角度P+（設(shè)定角速度-當(dāng)前角速度）*角度D;

4.2 速度PID

在控制速度是采用了控制直立的方法控制角度間接控制速度的，這里就不能采用正常的PID了，而是采用串級(jí)PID。首先利用編碼器將速度測(cè)回，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的速度大小，然后經(jīng)過(guò)平滑濾波，但這里采用的是P、I控制

速度輸出=（設(shè)定速度-當(dāng)前速度）*速度P+每次速度差的積累*速度I;

將速度輸出串入到角度中去得出

新角度輸出=（設(shè)定角度-當(dāng)前角度-速度輸出）*角度P+（設(shè)定角速度-當(dāng)前角速度-速度輸出）*角度D=原角度輸出-（角度P+角度D）*速度輸出

4.3 轉(zhuǎn)向PID

小車的前瞻是用來(lái)測(cè)量小車偏離正常軌道的位置的，且比車輪長(zhǎng)幾十厘米留以足夠的時(shí)間讓處理器處理反應(yīng)。通過(guò)左右電感值，歸一化后就可以用簡(jiǎn)單的差比和算出偏離中心位置的距離，還用到了小車轉(zhuǎn)向使所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角速度，這通過(guò)MPU6050測(cè)回的，這里采用P、D控制轉(zhuǎn)向輸出=距離*轉(zhuǎn)向P+轉(zhuǎn)向角度速度*轉(zhuǎn)向D;

5 綜合控制

小車的所有控制最終都是通過(guò)電機(jī)的輸出作為最終體現(xiàn)的，而根據(jù)每個(gè)部分的影響不同咋控制周期也就各不相同。例如：直立控制4ms一次，速度控制10ms一次，轉(zhuǎn)向控制20ms一次，最終左右電機(jī)的輸出為：

左電機(jī)=角度輸出-速度輸出+轉(zhuǎn)向輸出

右電機(jī)=角度輸出-速度輸出-轉(zhuǎn)向輸出

6 結(jié)語(yǔ)

直立二輪電磁車是直立與尋跡的結(jié)合體，在其軟硬件結(jié)合、各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作的狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以獨(dú)立自主的完成預(yù)定賽道并且具有一定的抗干擾能力，是很具有發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，也擁有很大的前景！

【參考文獻(xiàn)】

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