電動助力轉向系統在智能巡邏車上的應用

聶咸豐，徐新琳，張　旭

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林541004）

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電動助力轉向系統在智能巡邏車上的應用

聶咸豐，徐新琳，張旭

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林541004）

摘要：傳統的智能巡邏車要想做到直線行走，就必須在兩側的驅動電機安裝同軸的編碼盤，通過PID時刻調整左右輪轉速一致。編碼盤價格比較昂貴，且需要相同尺寸的聯軸器等配套器件，安裝也很麻煩。在對電動助力轉向系統和MPU-6050進行了進行分析研究后，提出了一種控制智能巡邏車轉向的低成本解決方案。STM32控制助力電機轉動一個開發者設定的角度，MPU6050來實時反饋巡邏車轉動的角度給STM32處理器，STM32通過“PID閉環控制”控制實際轉動角度不斷趨近設定角度，直至保持一致。

關鍵詞：電動助力轉向系統；MPU6050；PID閉環控制

目前多數智能巡邏車要想做到直線行走，必須安裝編碼盤來實時反饋兩輪的速度，通過PID調節左右兩輪的速度時刻保持一致才行。本文將汽車中的電動助力轉向系統移植在智能巡邏車上，拋棄了采用“編碼盤”的低性價比方案，對實現巡邏車的轉向角度控制進行了探究。

1　電動助力轉向系統-簡介及應用

電動助力轉向系統是一種汽車轉向系統，利用電動機產生的動力來幫助駕駛員進行轉向操作。系統主要由三大部分構成，信號傳感裝置（包括轉角傳感器和車速傳感器），轉向助力機構（助力電機、減速傳動機構）及電子控制裝置。電動機僅在需要助力時工作，駕駛員在操縱轉向盤時，扭矩轉角傳感器根據輸入扭矩和轉向角的大小產生相應的電壓信號，車速傳感器檢測到車速信號，控制單元根據電壓和車速的信號，給出指令控制電動機運轉，從而產生所需要的轉向助力。

本文是在圖1所示的智能巡邏車上，應用圖2所示的電動助力轉向系統。

圖1　智能巡邏車

圖2　智能巡邏車結構簡化示意圖

本文所提出的電動助力轉向系統與一般汽車上的電動助力轉向系統有很大的區別，其一采用了MPU6050來取代轉角傳感器和車速傳感器；其二電機的位置是放置在轉向軸下方，而不是轉向軸側方位置。不管是對于轉角傳感器、車速傳感器，還是對于單軸陀螺儀和單軸加速度計，MPU6050的性價比最高，因為其價格最低廉，且能夠同時測量角度和速度。因此，跟采用“編碼盤”測速的方案相比，本方案更容易實現，且成本更低，能夠控制車轉任意角度的彎，更適合搭載在中小型智能巡邏車上，且經測試穩定可靠。

2　電動助力轉向系統-轉向控制原理

2.1MPU6050傳感器簡介

MPU6050是 InvenSense公司推出的全球首款整合性6軸運動處理組件，其內部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個IIC接口，并利用自帶的數字運動處理器（DMP:Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通過主IIC接口，向應用端輸出穩定可靠的角度、速度等數據[1]。有了DMP，我們可以使用 InvenSense公司提供的運動處理資料庫，非常方便的計算出偏航角，大大降低了智能巡邏車角度控制的開發難度。

2.2MPU6050傳感器應用

本方案采用MPU6050來實時反饋巡邏車轉動的角度和速度給STM32處理器，要想保證巡邏車實際轉動角度與設定角度最終無較大偏差，則必須保證MPU6050輸出的是穩定可靠的角度。

MPU6050輸出角度有兩種方式：一種是利用MPU6050內部的姿態融合器DMP，直接輸出姿態角，優點是CPU參與少，但融合參數不可調整，調試困難；另一種是用卡爾曼動態濾波算法[2]，或者簡化版的濾波，這種方法用好了效果會非常好，有些參數可以根據實際應用進行調整，改進效果。

最初是選擇直接DMP輸出角度數據，但用上位機察看波形發現漂移誤差較大（如圖3所示）。所以后來選擇采用卡爾曼濾波，波形較穩定，雖不理想，但已滿足要求了（如圖4所示）。

圖3　DMP直接輸出

圖4　經卡爾曼濾波后

表1是5組比較有代表性的角度值，本文作者驗證了總共50組左右的數據，得出結論本電動助力轉向系統的相對誤差基本能維持在百分之一以下，屬于可接受范圍。

表1　巡邏車轉動度數誤差表

3　電動助力轉向系統-控制算法

3.1控制原理

為了實現對巡邏車角度的準確控制，實現巡邏車直線行走或拐30°的彎，需要把MPU6050采集回來的數據進行比較處理，所以本文采取PID閉環控制算法，把MPU6050采集的角度進行卡爾曼濾波后，作為輸入量輸入到控制中心，CPU對其角度與原設定角度進行偏差比較后做比例、積分、微分運算，然后轉換成PWM調節信息，把PWM調節信息輸入給電機進行矯正，直至巡邏車實際轉動角度與設定角度的偏差時刻保持在可接受范圍內[3]。

巡邏車電動助力轉向系統算法控制流程圖如圖5所示。

圖5　電動助力轉向系統轉角控制流程圖

3.2PID簡介及其實現

經典PID控制理論中，基本數學模型有兩種（連續型、增量型），

本文通過PID控制系統的研究，決定采用增量型，PID模型的增量控制數學模型可以簡單地用下式表示。

上式中：

Kp，Kd，Ki分別為比例、微分、積分控制參數[4]。

e（k），E_1，E_2分別為當前誤差，前一次誤差值，前兩次誤差值。

在確定PID的比例、積分、微分系數時，首先應確定系統響應的周期，然后再確定系統周期后，再依次確定Kp，Kd，Ki.當要確定Kp，Kd，Ki的時候，應先設定一個較大的Kp，將Kd和Ki設置為0，通過觀察，逐漸減小Kp，直到系統出現規律的振蕩，然后再用相同的方法，確定Ki，若Kd和Ki都不能滿足所需的調節精度，再調試Kd，直到滿足要求為止。

系統采樣周期設置為0.1 s時，調節后數據結果如下圖6所示。

圖6　角度數據示意圖

4　結束語

本文對電動助力轉向系統、MPU6050工作原理、PID算法進行了簡要的描述，介紹了電動助力轉向系統在巡邏車上的應用。該系統可以提供穩定可靠的轉角控制，且成本低廉、易于實現，在國內的巡邏車市場中具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]KALMAR-NAGY T，GANGULY P，D'ANDREA R.Real-time trajectory generation for omnidirectional vehicles[C].Proceed ings of the 2002 American Control Conference．Anchorage，AK:[s．n．]，2002:286－291．

[2]MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions Revision 3.2[Z].MPU-6050的芯片手冊.

[3]伍瑾斐，秦東興，劉俊．四輪式移動機器人非完整運動控制[J]．電子科技大學學報，2007，36（2）:302－304．

[4]張榮輝，賈宏光，陳濤，等．基于四元數法的捷聯式慣性導航系統的姿態解算[J].光學·精密工程，2008，16（10）：1963－1970．

中圖分類號:TP273.5

文獻標識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0215-03

收稿日期：2016-01-25

項目基金:區級大學生創新創業訓練項目＂基于STM32嵌入式系統的自動駕駛小區巡邏車＂（編號：201410595012）

作者簡介：聶咸豐（1995-），男，湖南婁底人，本科，主要研究方向:機械電子工程。

Electric Power Steering System in the Application of Intelligent Patrol Car

NIE Xian-feng，XU Xin-lin，ZHANG Xu
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract:The traditional intelligent patrol car to do walk straight and it must be installed on both sides of the drive motor coaxial coding plate，through PID adjust left and right wheel speed.Encoding plate prices more expensive，and require the same size of the coupling and other supporting device，installation is also very troublesome.For electric power steering system and MPU-6050 after carried on the analysis，this paper proposes a control of the intelligent patrol car to low cost solution.STM32 control power motor rotation set a developer's perspective，the MPU6050 to real-time feedback car rotation angle to the STM32 processor，STM32 through the PID closed-loop control control constantly reaching set actual rotation angle，and consistent.

Key words:electric power steering system；MPU6050；the PID closed-loop control