基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車(chē)的設計*

*基金項目：1. 企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測控技術(shù)四川省院士(專(zhuān)家)工作站基金項目(2016WZY201)；2.四川省教育廳重點(diǎn)科研項目(16ZA0258)；3.2017年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目(201702109051)

0   引言

兩輪自平衡代步小車(chē)作為一個(gè)新興的行業(yè)，近年來(lái)在我國迎來(lái)爆炸式增長(cháng)，其行業(yè)年產(chǎn)值已超過(guò)了100 億元，生產(chǎn)廠(chǎng)家也已超過(guò)了300 家^[1]。與其他代步工具相比，兩輪自平衡代步小車(chē)具有噪音小、操作方便簡(jiǎn)單、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)^[2]。這種新穎的個(gè)人可移動(dòng)代步工具已成功地應用于城市車(chē)站、廣場(chǎng)、購物中心等場(chǎng)所，起著(zhù)城市短途代步、安保巡邏、休閑娛樂(lè )等作用^[3]。

兩輪自平衡代步小車(chē)集姿態(tài)信息感知、電機驅動(dòng)、動(dòng)態(tài)平衡控制于一體。其設計難點(diǎn)在于車(chē)體姿態(tài)信息的準確感知與自平衡控制。車(chē)體姿態(tài)信息的感知可通過(guò)陀螺儀、加速度等傳感器來(lái)實(shí)時(shí)采集，再通過(guò)互補濾波^[4]、卡爾曼濾波^[5]等方式能很好地獲得準確的姿態(tài)信息。而自平衡控制現有傳統PID、LQR、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等控制方式。由于傳統PID（比例、積分、微分控制）的參數固定，無(wú)法進(jìn)行自行修正，缺乏靈活性與應變性。而兩輪自平衡代步小車(chē)是一個(gè)非線(xiàn)性、多階次、不穩定的系統，采用傳統PID 就難以保證控制的準確性、穩定性。LQR(Linear Quadratic Regulator，線(xiàn)性二次型調節器)利用系統的狀態(tài)方程與數學(xué)模型，由于兩輪自平衡代步小車(chē)數學(xué)模型過(guò)于理想化，與實(shí)際所需相差較遠，導致LQR 參數不準確，不能達到所需的控制效果^[6]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是一種仿生物神經(jīng)傳導特性的控制，但其算法過(guò)于復雜，需占用微處理器大量的系統資源而影響微處理器的整體性能，在實(shí)際應用中也有很大難度^[7]。

由于上述自平衡控制方式均存在某些缺陷與不足，需尋求一種全新的自平衡控制方式，而模糊控制魯棒性強，且專(zhuān)門(mén)針對于非線(xiàn)性、不穩定的復雜系統，其算法也完全不依賴(lài)于系統的數學(xué)模型、狀態(tài)空間方程等^[8]。因此將模糊控制與傳統PID 有機結合起來(lái)，構成模糊PID 來(lái)實(shí)現兩輪自平衡代步小車(chē)的自平衡控制。

1   系統工作原理

1.1 兩輪自平衡小車(chē)

兩輪自平衡小車(chē)為了實(shí)現自平衡，必須使得其整個(gè)狀態(tài)維持在平衡態(tài)，如圖1 所示。當車(chē)體傾斜角θ 為0 時(shí)，其重心恰好落在兩個(gè)車(chē)輪的軸線(xiàn)上，此時(shí)系統便處于自平衡點(diǎn)上。若這時(shí)θ 對時(shí)間的高階導數全為0 且外界沒(méi)有對系統有擾動(dòng)的情況下，小車(chē)將會(huì )一直維持著(zhù)這穩定的平衡態(tài)。事實(shí)上這平衡態(tài)是不穩定的，若外界有很小很小的擾動(dòng)，系統的平衡態(tài)就會(huì )被破壞。只有加以控制，否則整個(gè)狀態(tài)還會(huì )發(fā)散，更不會(huì )自行恢復到平衡態(tài)。因此必須使系統的各個(gè)參數一直維持在平衡態(tài)，或者在平衡態(tài)附近波動(dòng)^[9]。下面對兩輪自平衡小車(chē)的運動(dòng)狀態(tài)分三類(lèi)情況進(jìn)行闡述。

圖1 兩輪自平衡小車(chē)自平衡示意圖

1）靜止狀態(tài)。車(chē)體重心恰好垂直落在兩個(gè)電機軸線(xiàn)上，此時(shí)小車(chē)處于平衡態(tài)，無(wú)需做任何控制。

2）前傾狀態(tài)。車(chē)體向前傾斜，其重心向前偏離車(chē)軸線(xiàn)，此時(shí)若要恢復到平衡態(tài)，必須使車(chē)輪向前加速運動(dòng)，使重心重新回到車(chē)軸線(xiàn)，系統保持平衡。

3）后仰狀態(tài)。車(chē)體向后傾斜，其重心向后偏離車(chē)軸線(xiàn)，此時(shí)若要恢復到平衡態(tài)，與前傾狀態(tài)相反，必須使車(chē)輪向后加速運動(dòng)，使重心重新回到車(chē)軸線(xiàn)。

在實(shí)際運行中，兩輪自平衡小車(chē)的工作狀態(tài)始終在這三類(lèi)狀態(tài)中變換。平衡控制就是通過(guò)姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)監測車(chē)體的傾斜角度，一旦發(fā)現傾角偏離了平衡點(diǎn)，即車(chē)體的重心偏離了車(chē)軸線(xiàn)，微處理器就會(huì )自動(dòng)控制驅動(dòng)電機轉動(dòng)方向與速度，以向前或向后、加速或減速使車(chē)體再次恢復到平衡點(diǎn)上。并且這個(gè)過(guò)程一直持續著(zhù)，系統才能保持動(dòng)態(tài)平衡。

圖3 兩輪自平衡小車(chē)系統設計圖

1.2 模糊PID控制

模糊PID 控制是將模糊技術(shù)與傳統PID 控制有機結合起來(lái)，以達到有效的控制精度。當姿態(tài)數據偏差較大時(shí)采用模糊控制，響應速度快、動(dòng)態(tài)性能高；當姿態(tài)數據偏差較小時(shí)采用傳統PID 控制，靜態(tài)性能高，這樣才能滿(mǎn)足系統的控制精度^[10]。因此模糊PID 控制比單獨的模糊控制和單獨的傳統PID 控制都有更好的控制效果與控制精度。

2   系統設計

兩輪自平衡代步小車(chē)由兩輪自平衡小車(chē)與遙控器構成，二者之間通過(guò)LoRa (Long Range Radio，遠距離無(wú)線(xiàn)電) 無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行數據交換，如圖2 所示。兩輪自平衡小車(chē)通過(guò)陀螺儀、加速度計實(shí)時(shí)感知運動(dòng)姿態(tài)信息，中央微處理器根據姿態(tài)信息控制兩個(gè)獨立的步進(jìn)電機的方向與轉速，以實(shí)現車(chē)體的平衡控制。同時(shí)，在不平衡或突然加速、減速時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音發(fā)預警信號，以友情提醒使用人注意安全；而在勻速行駛時(shí)，語(yǔ)音可提示當前時(shí)速或播放使用人喜歡的音樂(lè )、評書(shū)、小品等節目。再者，可把當前的姿態(tài)信息通過(guò)LoRa 無(wú)線(xiàn)傳輸給遙控器。此外，也可通過(guò)LoRa 無(wú)線(xiàn)接收遙控器發(fā)來(lái)的控制指令。因此兩輪自平衡小車(chē)由中央微處理器、陀螺儀、加速度計、步進(jìn)電機、LoRa 通信、語(yǔ)音播報等模塊等構成，如圖3 所示。而遙控器可通過(guò)操作桿遠程無(wú)線(xiàn)控制兩輪自平衡小車(chē)的方向與轉速，同時(shí)有LED 燈顯示兩輪自平衡小車(chē)的運行狀態(tài)。

3.2 LoRa通信模塊

LoRa 是一種基于擴頻技術(shù)的低功耗、遠距離無(wú)線(xiàn)通信方式，其特點(diǎn)是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線(xiàn)方式傳播的距離更遠。采用SZ15-01 模塊，其工作頻段為（470~510）MHz，可實(shí)現數據透明傳輸，具有超高接收靈敏度，波特率為1 200~115 200 bit/s^[12]。其電路設計如圖5 所示。

3.3 語(yǔ)音播報模塊

語(yǔ)音播報模塊不僅具有播放音樂(lè )、評書(shū)、小品等使用人心情愉快，而且還具有若遇到不平衡或突然加速、減速時(shí)，友情語(yǔ)音提醒讓使用人多注意安全。語(yǔ)音模塊采用MX6100。該模塊嵌入了串口的MP3 芯片，集成了MP3、WAV 的硬解碼。通過(guò)簡(jiǎn)單的串口指令即可完成播放指定的語(yǔ)音文件，穩定可靠。該模塊支持比特率11172-3 和ISO13813-3 layer3 音頻解碼，支持Normal、Jazz、Classic、Pop、Rock 等音效，24 位DAC輸出，支持FAT16、FAT32 文件系統與32 G的TF/SD 卡；30 級音量可調^[13]，其電路設計如圖6 所示。

3.4 中央處理器

中央微處理器整個(gè)系統的最核心部件，負責讀取陀螺儀、加速度傳感器的姿態(tài)數據，然后進(jìn)行匯總、分析與處理，并控制步進(jìn)電機按所需要的方式平穩轉動(dòng)。同時(shí)把自平衡小車(chē)的當前運行姿態(tài)數據通過(guò)LoRa 方式發(fā)送給遙控器，讓遙控器及時(shí)知曉自平衡小車(chē)的當前的運行狀態(tài)。此外，也通過(guò)LoRa 方式接收遙控器發(fā)來(lái)的控制指令及相關(guān)數據。因此需要功能強大的中央微處理器，為此采用STM32F103。該芯片使用高性能的32位ARM/Cortex M3 內核， 內置20KB SRAM、128KB Flash，含有2 個(gè)12bit 的A/DC、3 個(gè)通用16bit 定時(shí)器和多種串行接口，如I2C、SPI 與USART 等接口^[14]。STM32F103 外接了實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片SZ2058 以及驅動(dòng)步進(jìn)電機，其電路設計如圖7 所示。

4   程序設計

4.1 運動(dòng)姿態(tài)檢測程序

運動(dòng)姿態(tài)檢測采用CruizCore R1370P 集成傳感器，其程序部分代碼如下：

void Attitude_Data(void)

{ X_ACCEL=Get_Data(ACCEL_XOUT);

Y_ACCEL=Get_Data(ACCEL_YOUT);

Z_ACC EL=Get_Data(ACCEL_ZOUT);

X_GYROS=Get_Data(GYROS_XOUT);

Y_GYROS=Get_Data(GYROS_YOUT);

Z_GYROS=Get_Data(GYROS_ZOUT);

......

}

4.2 卡爾曼濾波程序

卡爾曼濾波對陀螺儀、加速度采集的數據進(jìn)行深度融合、優(yōu)化處理，其程序部分代碼如下：

void Kalman_Filter(void)

{

rate=(data_str[0]&0xFF)|((data_str[1]<<8)&0xFF00);

a n g l e = ( d a t a _ s t r [ 2 ] & 0 x F F ) | ( ( d a t a _

str[3]<<8)&0xFF00);

x _ a c c = ( d a t a _ s t r [ 4 ] & 0 x F F ) | ( ( d a t a _

str[5]<<8)&0xFF00);

y _ a c c = ( d a t a _ s t r [ 6 ] & 0 x F F ) | ( ( d a t a _

str[7]<<8)&0xFF00);

z _ a c c = ( d a t a _ s t r [ 8 ] & 0 x F F ) | ( ( d a t a _

str[9]<<8)&0xFF00);

sum=data_str[0]+data_str[1]+data_str[2]+data_

str[3]+

data_str[4]+data_str[5]+data_str[6]+data_str[7];

gRate=rate/100.0;

gAngle=angle/100.0;

gX_accel=x_acc;

gY_accel=y_acc;

gZ_accel=z_acc;

......

}

4.3 語(yǔ)音模塊程序

語(yǔ)音模塊可友情提示和播放音樂(lè )等節目，程序部分代碼如下：

void Voice(void)

{Open_FileName(&File_Name)

{ for(j=0,i=0;File_Name[j];j++,i++)

{ if(File_Name[j]==’’)

{File_Name[i++]=File_Name[j];

File_Name[i]=’’;

}

      wait(5);

......

}

4.4 LoRa通信程序

LoRa 通信程序部分代碼如下：

void LoRa_Send_data(void)

{ unsigned char sum = 0;

sum += Send_Byte1(0x88);

sum += Send_Byte1(4);

sum += Send_Byte1(BYTE0(Left_value));

sum += Send_Byte1(BYTE1(Left_value));

sum += Send_Byte1(BYTE2(Right_value));

sum += Send_Byte1(BYTE3(Right_value));

Send_Byte_1(sum);

......

}

5   測試數據

5.1 平緩路面續航距離測試

當電池充滿(mǎn)電后，由4 名體質(zhì)量為50 kg、55 kg、60 kg、65 kg 的人員分別騎行自平衡小車(chē)在同一條相對平緩路面進(jìn)行續航距離測試。當蓄電池電壓下降到設定閾值并蜂鳴器報警時(shí)，停止測試。測試數據如表1 所示。

表1 平緩路面續航距離測試數據

5.2 坡度路面續航距離測試

當電池充滿(mǎn)電后，同樣由上述4 名人員分別騎行自平衡小車(chē)在大約15° 的坡度路面進(jìn)行續航距離測試，測試要求與5.1 一樣。測試數據如表2 所示。

表2 約15°坡度路面續航距離測試數據

5.3 陀螺儀角度數據

當自平衡代步小車(chē)處于駕駛狀態(tài)時(shí)，Cruiz CoreR1370P輸出的角度數據如圖8 所示。

圖8 Cruiz Core R1370P輸出的角度數據

6   實(shí)物圖片

遙控器實(shí)物如圖9 所示。

圖9 遙控器實(shí)物圖

基于模糊PID 的兩輪自平衡代步小車(chē)實(shí)物如圖10所示。

圖10 基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車(chē)實(shí)物圖

7   結束語(yǔ)

基于模糊PID 的兩輪自平衡代步小車(chē)采用了陀螺儀、加速度計、ARM微處理器、語(yǔ)音播報、步進(jìn)電機控制、LoRa 通信等多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有平衡穩定、續航距離遠、語(yǔ)音預警、遠程遙控等特點(diǎn)。

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http://www.mxic168.com/sczs/hby/mp31/123.html.

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）