基于MPU6050和PID的雙輪平衡小車控制器設(shè)計(jì)

蔣永超

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，科技的發(fā)展，使得雙輪平衡小車控制器無(wú)論在日常生活中還是在機(jī)械生產(chǎn)都得到了廣泛使用。本文提出了一種基于PID的雙輪小車控制器，包括MCU為STM32F103C8T6、NFR24L01無(wú)線收發(fā)、HC-SR04超聲波、LM2596s DC-DC、MPU6050中的三軸加速度計(jì)和內(nèi)置陀螺儀。本文對(duì)設(shè)計(jì)具有無(wú)線控制的雙輪平衡小車控制器的各個(gè)模塊做了詳細(xì)的硬件原理分析，以及規(guī)范的軟件編程調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)有外力作用于小車讓小車失衡時(shí)，小車通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)自平衡靜止，當(dāng)小車運(yùn)行時(shí)遇到障礙物，小車通過(guò)控制器反向運(yùn)動(dòng)一段距離，并且可以通過(guò)無(wú)線控制小車。

關(guān)鍵詞：PID;NFR24L01;MPU6050

引 ?言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，短距離無(wú)線通訊也有了很大的提升。兩輪自平衡車運(yùn)動(dòng)靈活、智能控制、操作簡(jiǎn)便，適合單人使用且適用范圍廣。本文就是圍繞對(duì)兩輪平衡小車控制器進(jìn)行研究，在自平衡控制中利用MPU6050內(nèi)置陀螺儀和三軸加速度計(jì)都可以通過(guò)算法得到傾斜角利用互補(bǔ)濾波得到穩(wěn)定的傾斜角度。再引入PID對(duì)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)精準(zhǔn)控制使小車穩(wěn)定系數(shù)增加。通過(guò)將雙輪平衡車控制系統(tǒng)與短程無(wú)線技術(shù)的結(jié)合，設(shè)計(jì)出了一種自平衡穩(wěn)定，功耗較低，可以進(jìn)行無(wú)線控制的平衡控制器。

1. 雙輪小車平衡控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

總控制系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)兩部分，分機(jī)對(duì)平衡車進(jìn)行控制，主機(jī)對(duì)分機(jī)進(jìn)行無(wú)線控制。此無(wú)線傳輸屬于雙工通信，主機(jī)發(fā)送信息，從機(jī)應(yīng)答，主機(jī)接收到應(yīng)答。從機(jī)系統(tǒng)通過(guò)MCU讀取MPU6050產(chǎn)生的信息通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)小車的自平衡和轉(zhuǎn)向。利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯TB6612對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制不同的占空比速度不同，占空比與速度成正比。通過(guò)編碼器獲得脈沖，利用IO口讀取脈沖程序單位時(shí)間內(nèi)對(duì)其上升沿和下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，這里用了四倍頻技術(shù)，從而得到精確的車輪的轉(zhuǎn)速。利用HC-SRO4超聲波模塊和單片機(jī)端口讀取軟件編程對(duì)小車前方進(jìn)行障礙物距離測(cè)量設(shè)定一定的距離，當(dāng)距離很近進(jìn)行反向慢速運(yùn)動(dòng)。

2. 雙輪平衡車控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路由以下幾個(gè)部分組成電源模塊，MPU6050陀螺儀6DOF模塊，HC-SRO4超聲波測(cè)距模塊，NFR24L01模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

MPU6050是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器內(nèi)置3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)。其工作電壓2.5±5%，3.0±5%，3.3±5% ，我們采用3.3V供電，用SPI傳輸數(shù)據(jù)。無(wú)線收發(fā)模塊是全球開(kāi)放ISM頻段免認(rèn)證可用，最高頻率2M，內(nèi)置硬件RCR檢錯(cuò)和對(duì)點(diǎn)通訊地址控制低功耗，內(nèi)置2.4Ghz天線體積小巧可以直接與所選MCUIO口相連。

無(wú)線收發(fā)模塊采用NFR24L01，它一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊。發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將NFR24L01配置為發(fā)射模式：接著把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫(xiě)入NFR24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫(xiě)入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫(xiě)入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么NFR24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從發(fā)送堆棧中清除;若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)（自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟），若重發(fā)次數(shù)（ARC_CNT）達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不會(huì)被清除;MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，以便通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí)，若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。

超聲波距離測(cè)試模塊，使用RS232轉(zhuǎn)串口與MCU通信，利用壓電效應(yīng)可以監(jiān)測(cè)對(duì)障礙物的距離。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用驅(qū)動(dòng)芯片增加負(fù)載能力使用TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其負(fù)載較強(qiáng)，這個(gè)芯片由東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，其熱耗低，對(duì)于PWM的頻率限制可以達(dá)到100KHZ，其內(nèi)置過(guò)熱保護(hù)和低壓檢測(cè)。

3. 雙輪平衡車控制系統(tǒng)（分機(jī)）軟件設(shè)計(jì)

PID由3個(gè)單元組成，分別是比例（P）單元、積分（I）單元、微分（D）單位。在微處理器中，因?yàn)榭刂破饕獙?shí)現(xiàn)其控制算法必須通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，因此要對(duì)模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行離散化處理，如此它只需根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量。于是，我們需要使用離散的差分方程代替連續(xù)的微分方程。 常用一階差分代替一階微分;常用累加代替積分。根據(jù)位置式離散 PID 公式：e（k）為本次偏差，e（k-1）上一次的偏差，Σe（k）為e（k）以及之前的偏差的累積和;其中 k 為 常數(shù);Pwm代表輸出。關(guān)于 P、I、D 三個(gè)參數(shù)的主要作用，P 用于提高響應(yīng)速度、I 用于減小靜差、D 用于抑制震蕩。對(duì)角速度進(jìn)行測(cè)量可以采用陀螺儀，我使用的MPU6050里面根據(jù)其英文手冊(cè)其內(nèi)部集成了三軸陀螺儀，所以我將繼續(xù)使用MPU6050測(cè)量角速度。我從陀螺儀得到的是角速度，角速度的測(cè)量不受小車運(yùn)動(dòng)的影響。角度得到之后可以通過(guò)積分得到2格努同時(shí)按內(nèi)的角度變化，用陀螺儀可以間接測(cè)量某段時(shí)間角度變化。通過(guò)在10ms的定時(shí)中斷服務(wù)函數(shù)里面執(zhí)行語(yǔ)句就可以得到10ms后的角度的變化有多大。

陀螺儀測(cè)量?jī)A斜角度理論是可以的，但在聯(lián)系實(shí)際情況進(jìn)行分析角速度信號(hào)存在微小的偏差和漂移。傳感器靜止的情況下，輸出不為零時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，經(jīng)過(guò)積分放大誤差，誤差的不斷疊加最終無(wú)法測(cè)得正確的角度。所以可以將角加速度計(jì)和線加速度計(jì)聯(lián)合使用，通過(guò)互補(bǔ)濾波實(shí)現(xiàn)的自平衡控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

4. 結(jié)論

本文介紹了雙輪平衡小車控制器系統(tǒng)的硬件電路和無(wú)線接收發(fā)模塊，按鍵控制模塊，超聲波探測(cè)距離模塊，MCU控制模塊等。實(shí)現(xiàn)了主機(jī)對(duì)從機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，而且對(duì)其控制是極其靈活，可以進(jìn)行速度控制，運(yùn)行方向控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)定距離位移和設(shè)定角度旋轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)小車在操作不當(dāng)情況下，遇到障礙物后退的功能，可以反向行走。在KEIL開(kāi)發(fā)環(huán)境中使用JLINK在線仿真調(diào)試，使各個(gè)模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行。事實(shí)表明調(diào)試很成功。雙輪平衡車的控制器實(shí)現(xiàn)了基本功能，其使用價(jià)值較高。

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