星空体育app官方下载 基于PID控制算法的自平衡机器人平衡小车设计

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机器人学的发展日益精进，其于工业制造、安全防护、家庭自动化、配送网络等范畴的运用愈发普遍，实际运用时或许会面对错综的任务场景。与具备多轮结构的移动设备相较，双轮平衡型机器人占地更少，活动更为敏捷，可以在空间有限且需大幅度转向的环境中运行。这种机器人以双轮共轴为设计，依靠动态调整维持稳定姿态，具备向前行进、向后移动、改变方向、固定位置等核心操作能力，因为构造独特，可以应对多种地面状况，探索双轮稳定型机器人，具备显著价值。

这项设计选用两轮车模型作为实验载体，以飞利浦企业生产的32位微控制器MK60FX512VLQ15作为主要运算单元。借助加速度感应装置和角速度测量仪，研发了滤波方法，用以确定倾斜角度；借助规划MOS晶体管电机驱动回路，利用微控制器发出脉冲宽度调制信号，用以调节电机运行速率；借助编程控制程序，使两轮载具模型达成自我平衡状态；借助码盘检测电机运转快慢星空体育app官方下载，实施速度闭环管理，使两轮自动平衡载具的速率控制功能得以实现。借助无线控制器，车辆得以在保持平衡状态下，完成自主移动的操作。

关键词： 单片机，PID，倾角测量，MOS驱动，自平衡

1 绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外发展现状

1.3设计内容

以Freescale K60单片机作为核心控制器，该器件搭载ARM Cortex-M4内核，负责整合加速度计与陀螺仪的测量信息，从而精确推算出车辆的倾斜角度，并以此为基础进行最优估算，同时规划MOS电机驱动方案，并开发PID控制程序，用以操控车轮运动，最终实现机器人自主保持直立状态。通过编码器建立速度响应闭环，借助PID调节手段控制速度与转向，确保其稳定并达成预定动作目标。本文将探讨倾角整合方法、机器人操控策略等议题，详细情况包含：

1）硬件电路设计：设计制作主控电路板、电机驱动控制板。

陀螺仪的测量结果同加速度计的测量结果进行整合，从而获得稳定可靠的倾斜角度数据

控制程序开发：借助对状态回授操控、比例积分微分等技术的钻研，规划控制方案，让车辆能达成挺立、行进、倒退、转向等动作效果。

单片机程序开发：需要开发单片机程序，该程序要能实现人与机器之间的沟通，同时也要能够进行控制操作。

2 总体设计方案

2.1 设计思路

从管理层面分析，马达是整个体系里唯一需要调控的部分。车辆模型的活动管理目标能够划分成三个核心管理环节：

保持车模直立状态，以倾斜角度为控制依据，借助比例微分控制方法，使车模稳定在平衡点位置。

速度控制任务：直立车模的行驶速度调控方式与常规车模有所区别，在直立形态下，速度调控依赖于调整车模的倾斜角度实现。具体操作方法是，向电机转速施加扰动，促使车身偏离平衡点，借此激发直立控制功能，进而达成速度管理目标，速度控制环节采用PI算法进行调节。

（3）转向操控工作：依靠调节两个马达的转速差异来实现，转向操控运用了比例微分方法，以X轴的角速率作为微分部分的系数，能显著提升转向的瞬态响应，防止出现来回摆动现象。

程序开发中，三项管理职责各自开展运算工作。不过所有职责的作用目标均为马达，故此它们之间必然产生相互影响和关联作用。在规划每项管理职责时，为了方便研究，假定另外两项职责运行平稳当开展速率调整方案制定时，车辆模型能够保持平衡站直；在实施航向调整方案制定时，车辆模型的平衡站直调控与速率调整调控均能稳定实施；在执行平衡站直调控时，车辆模型的速率调整调控与航向调整调控均能稳定实施。

维持车模稳定是这三项工作中最重要的。车模同时受到三种控制作用，从稳定控制角度分析，另外两种控制就会产生干扰。为了减少对稳定控制的影响，车模倾斜角度的调整必须极其缓慢。所以，这三种操控活动各自开展，不过彼此间存在主次之分，具体来说，操控需首先保证主体保持直立状态，然后才是调整朝向的需求，最终才是关于快慢的要求。

2.2 硬件设计方案

这个系统运用一个主控电路板搭配一个电机驱动电路板的方式，将两者分离设计，一方面是为了防止电机驱动对主控造成干扰以及电磁干扰问题，另一方面也是为了节省成本。

核心控制板由几项关键单元构成，具体涵盖微处理器单元、供能单元、控制接口单元、操作开关单元、警报单元。供能单元又可细分出3.3伏特供能单元和5伏特供能单元，5伏特单元采用型号为LM2940的三端稳压器件，它以7.2伏特电池电压为输入，产生5伏特电压作为输出。该3.3V控制电路采用LM1117作为三端线性电压调节器，其输入端连接自LM2940的5V电源，输出端提供3.3V的电压供应，由于本系统内集成多种电子元件和感应设备星空·综合体育官网入口，故5V控制电路与3.3V控制电路均配置了双路版本微控制器连接方式涵盖多个方面，具体包括：用于显示的OLED连接端口，实现无线通信的蓝牙通道，测量加速度的MMA7361感应单元，检测角速度的L3G4200D感应单元，处理旋转信号的编码器正交解析端口设有两个，控制电机速度的N路脉宽调制通道，接收无线指令的遥控器信号解析模块，以及为后续开发预留的通用输入输出引脚，这些接口设计有助于设备的测试与调试工作。

2.3 机械结构设计方案

3 硬件电路设计

3.1 单片机最小系统电路

3.2 加速度传感器模块

恩智浦公司（原飞思卡尔）出品的MMA7361是一款微型电容式加速度传感器，它能耗不高，体积极小，售价也较为实惠。该传感器内部配置了初级低通滤波器，支持温度校正、自我检测，以及自由落体识别等特性。它的工作电压范围在2.2到3.6伏之间，能够输出模拟信号，并且提供两种不同的灵敏度设置。当设备正常运作时，电流的消耗量达到400微安，而切换到休眠状态后，仅需3微安的电流即可维持运行。MMA7361的芯片引脚布局见下图3-1，引脚顺序参见表格3.1。

3.3 陀螺仪模块

3.4 电机驱动模块

单片机要操控电机运转，必须配备电机驱动装置。电机驱动装置的作用至关重要，它直接关联到车模的表现，并且影响着整个系统的运行平稳性。目前流行的电机驱动方法主要有两种途径。

（1）采用集成电机驱动芯片；

选用集成式电机驱动方案星空体育官方网站，例如BTS7970或L298N这类常见的芯片，其外围构造较为简洁，运行稳定性良好，不过所能达到的驱动效能存在局限。本系统车模电机内阻低于10毫欧，而集成驱动芯片内每个场效应管导通电阻都超过120毫欧，因此电机驱动回路的总电阻偏大，导致驱动电路输出功率和热量都显著增加，电机性能无法得到有效利用。

（2）采用N沟道场效应管和专用栅极驱动芯片设计。

独立的 N 沟道场效应管具有很小的导通电阻，通常低于10毫欧，显著降低了电机驱动回路的整体阻抗。此外，专门的栅极驱动集成电路能够加快场效应管的开关速率，使得PWM控制方法的调制频率得以提升，进而减小了电枢电流的波动情况。

反复尝试和优化后，我们决定采用大电路电机半桥驱动芯片IR2184，该芯片能够驱动高端和低端两个N沟道场效应管，可以输出较大的栅极驱动电流，还具备硬件死区控制、硬件防同臂导通等特性。通过使用两片IR2184型半桥驱动芯片，可以构建完整的直流电机H桥式驱动电路，其性能表现突出、成本较低，因此我们选择它来完成设计任务。

3.5 电源管理模块

4 软件程序设计

4.1 系统流程图

4.2 程序初始化

4.3 PID控制算法

4.3.1 PID控制算法介绍

4.3.2 PID控制算法参数整定

4.4 倾角估计算法

维持车模稳定，必须先确定车身倾斜度数。确定倾斜度数，存在两大途径：

借助加速度感应设备，当该设备保持静止状态时，重力加速度的作用会导致其三个轴向测得的加速度值，与设备同地面之间的倾斜角度存在关联，详细情况可通过下图了解。

加速度传感器的值与地面之间的倾角呈三角函数关系：

然而车辆行驶时，会发出很大声响，仅依据加速度仪的即时读数来推算倾斜偏差，误差会非常显著，难以得到可靠的倾斜角度信息。

通过陀螺仪获取的角速度数据加以累积。角速度的累积能够导出角度的变动。然而各类传感器均带有偏差，陀螺仪也不例外，并且陀螺仪还受到温度变化的影响，所以长时间的累积运算，难以确保角度结果的精确性。

因此必须研发一种方法，可以融合陀螺仪的运动特性与加速度计的稳定测量能力，以便获取可信的倾斜角度信息。

4.4.1 互补滤波法

互补滤波方法，短时间利用陀螺仪测得的角度数据最为精确，借助加速度仪的计算值对角度数据加以修正。加速度计需排除高频波动，陀螺仪需剔除低频干扰，互补滤波装置正是基于传感器性能差异，选用不同滤波器（如高通、低通），从而获取全频段信号。这种滤波器的设置简便，所需参数不多，在造价不高的惯性导航系统中运用普遍。

这个互补率程序需要根据实际状况和需求来调整K1和dt参数，调整到令人满意的程度即可。K1是互补滤波里的一个权重参数，当K1数值变大时，系统对加速度传感器的依赖性就会增强。

 float angle;
float   K=0.08f;               // 对加速度计取值的权重
float   dt=0.003f;             //采样时间
void Yijie_Lvbo(float accel_pro,float gyro_pro)
{
    angle=K * accel_pro+ (1-K) * (angle + gyro_pro * dt);
}

4.4.2 卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波法源自匈牙利数学家Rudolf Emil Kalman所著的论文《线性滤波与预测问题的新方法》。该算法是一种最优化的递归式数据处理器。该技术能高效解决诸多工程难题，且运行极为稳定，应用领域十分广泛，已有三十余年历史，涵盖控制、制导、导航、通讯等现代工程领域，近期更在计算机图像处理领域崭露头角，诸如人脸识别、图像分割、图像边缘检测等任务均有涉及。

4.5 直立控制程序设计

车模维持稳定需要反向调节，必须能够确定车身倾斜的程度，形成调节循环。在可以确定倾斜程度的前提下，确立期望的平衡姿态，运用比例积分微分方法实施闭环管理。由于车身仅会在一个方向上发生位移，仅存在一个方向的倾斜，因此只需测量该方向的倾斜角度，然后操控轮子旋转，消除车身在该方向上的倾斜，就能够达成稳定控制。如图2.2.1所示。

我们针对系统展开基础构建，首先，两轮自平衡车能够抽象为单阶倒立摆模型，假定车体高度为 L，整体质量为 m，在受力影响下，车模出现角加速度变化 x(t)。如图4.5所示，按照垂直于底盘的方位实施受力解析，可以推导出运动加速度 a(t) 与外力扰动加速度 x(t) 之间的运动关联式。

k1和k2分别是比例与微分调节因子，微分调节因子类似减震作用，能够有效控制车辆模型的振荡现象。

所以，车模的稳定调节能够通过检测车模的倾斜程度和倾斜速率，控制车模轮子的加减速，来抵消车模的倾斜现象。

以下是直立控制程序：

void Angle_Calculate()
{
int16_t AngleControlOut_P,AngleControlOut_D;
	angle_Accel = (A_Z-AZ_ZERO);  
	angle_Accel*=0.0039f;
	angle_Accel = asin(angle_Accel);
	angle_Accel*=500;
	Gyro_Now = (T_Y-TY_OFFSET) * TY_Ratio;
	Erjie_Lvbo(angle_Accel,Gyro_Now);
	if(FilterSwitch==0)	myfilter=QingHua_AngleCalaulate;
	else if(FilterSwitch==1)	myfilter=Yijie_Lvbo;
	else if(FilterSwitch==2)	myfilter=Erjie_Lvbo;
	else if(FilterSwitch==3)	myfilter=Kalman_Filter;
	if(FilterSwitch==3)
	{
		myfilter(angle_Accel,Gyro_Now);
		ZL.error=angle_now_kal-(Balance_Point);
	}	
	else
	{
		myfilter(angle_Accel,Gyro_Now);
		ZL.error=angle_now-(Balance_Point);
	}
    AngleControlOut_P=-(int16_t)(ZL.P*ZL.error);
    AngleControlOut_D=-(int16_t)(ZL.D*Gyro_Now);
    if(AngleControlOut_D>500) AngleControlOut_D=500;//对微分项限幅
    else if(AngleControlOut_D<-500) AngleControlOut_D=-500;
    AngleControlOut=AngleControlOut_P+AngleControlOut_D;
    if(AngleControlOut>800) AngleControlOut=800;
    else if(AngleControlOut<-800) AngleControlOut=-800;
}

4.6 速度控制程序设计

4.7 方向控制程序设计

5 开发工具及调试结果

5.1 开发工具介绍

5.2 调试结果

5.2.1 PID算法控制电机调试结果

为研究并检验PID算法，制作了位置式PID算法，在电机无负载状态下开展测试，通过反复调整参数并仔细观察，熟悉了PID算法的参数调整技巧，现将调试情况汇报如下。

如图所示，黄色代表速度的目标，红色是测量的实际速度。

5.2.1 互补滤波法调试结果

互补滤波着重调整的是加速度计的增益系数K，K值越高，则追踪速率越快，不过滤波作用越弱。要依据实际需求，挑选适配系统的K值。接下来展示两张图，分别呈现K等于0.01和K等于0.05时的滤波状况。图中红色标识加速度计的原始数据，黄色显示陀螺仪的测量值，蓝色则是整合后的最终数据。当K取0.01时，滤波作用更为显著，数据曲线的平稳程度十分理想。当K=0.05时，跟踪效果好，平滑度差。

5.2.1 卡尔曼滤波法调试结果

此方法展现的滤波成效十分显著，其收敛速率迅猛，该系统将卡尔曼滤波技术选作倾角测量的手段。

概括而言，请点击下方的小卡片，在对话框输入“资源”二字，即可获取完整的源代码文件，以及相应的论文和答辩演示文稿等材料。