基于ARM的自適應二輪智能車系統

姜承昊　王子淳　燕向德

摘要：近年來，對非完整移動機器人的理論和應用研究日益受到國內外控制界的重視。此類動力學系統由于具有多變量、非線性、強耦合、時變、參數不確定性等特性，使傳統控制理論遇到極大困難。因此研究非完整輪式移動機器人具有十分重要的意義。本項目將傳統自平衡車與超聲波、遙控器相結合，利用距離傳感器感知躲避環境障礙和采用PID控制算法來維持車體平衡。

關鍵詞：移動機器人;自平衡;閉環控制;PID算法

基本內容：

本項目基于ARM芯片，能夠自主適應環境情況的智能二輪車系統。其核心部分是對車體的控制，智能性主要體現在它的功能上，在能夠穩定運行的基礎上，同時檢測周圍環境障礙物以避障，另外添加遙控器以實現智能車加速、減速、旋轉等多功能的無線控制。因此，該系統的基本研究內容主要分為以下三個部分：

（1）姿態及路況數據的準確獲取

姿態數據的獲取在車體行駛時尤為重要，智能車的每一個動作都需要通過角度傳感器來獲取相應數據，以反饋給控制芯片，進而迅速作出控制反應。

（2）算法控制

算法控制主要分為對傳感器數據的處理以及主控芯片對整個系統運行的控制兩個方面。傳感器數據是通過一定取值算法獲取，用以保證數據來源準確無誤。系統控制主要以經典的PID算法為主體，根據不同的控制目的調整相應PID參數，完成不同的操作動作。

（3）電機控制

通過上述算法把結果轉化成PWM波電信號，輸出給執行機構—直流電機，從而實現對電機的實時控制。

研究思路和方法：

智能車是一個集動態決策、環境感知、行為控制和執行等多種功能于一體的綜合復雜系統，其關鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應在各種環境下的控制任務。

技術關鍵：

（1）測量小車的空間姿態、角加速度等。

（2）讀取和處理姿態信息和速度信息。

（3）使用STM32F103RCT6主控芯片分析數據，用PID控制算法控制小車的平衡。

（4）在保證平衡的前提下，通過超聲波感知環境障礙用以避障前進。

（5）通過NRF24L01無線通信模塊實現對小車的實時控制。

主要技術指標：在斷電狀態實現一鍵站立和自主平衡;在受到外界一定干擾下能自主恢復平衡;在保持平衡的同時實現旋轉、避障、遙控等多種功能。

（1）旋轉功能為遙控被動功能，采用航向角積分策略。在收到旋轉信號后，智能車按控制速度進行航向角積分，并設置航向角期望控制執行機構完成轉向。積分策略能實現智能車在360度任意方向上的角度旋轉。

（2）避障功能為系統的另一個主要功能，在車體0度平衡狀態下讀取超聲波數據，分析障礙物距離，再根據車體自身的旋轉半徑做出避障行為。超聲波的0度檢測方案保證了讀出的數據即為車體距障礙物的距離。

（3）遙控功能使用無線通信模組NRF24L01實現，獨立遙控器包括2維搖桿、油門搖桿和獨立按鍵，分別控制x，y軸轉向、速度和模式，經過控制信號的整合通信模組會定時向智能車發出控制信號。

項目研究過程：

控制流程：

首先進行硬件的初始化，之后開始數據的采集，如果車體處于歪倒狀態則會觸發一鍵起立，起立完成后便維持平衡。如果在平衡過程中接收到遙控數據，則會根據接收到的數據觸發相應準備動作、啟動航向角積分和設置俯仰角期望。然后進行PID算法的控制完成動作。其中如果超聲波檢測到障礙，則會觸發車體主動轉彎避開障礙。

主控部分：

主控芯片采用STM32F103C8T6，這是一款基于ARM Cortex-M3 內核的32位嵌入式微控制器，主頻能夠達到72MHz，用以滿足項目的計算使用。

電源部分：

本項目采用航模電池供電，電壓為12V，一級采用LM2576開關電源芯片使輸入直流12V穩壓至5V給電機編碼器和超聲波供電，二級采用AMS1117線性穩壓芯片使5V穩壓至3.3V給單片機和其他模塊供電。

關鍵算法：

PID控制其實就是指比例，積分，微分控制。本項目采用并聯PID的控制算法：速度環與角度環并聯。期望的俯仰角為0度，目的是能讓智能車平穩的直立;期望的速度為0，目的是能讓智能車趨于靜止。

P參數的給定增加了系統反應的快速性，P參數越大反應越迅速，但是P參數過大容易導致系統的震蕩;I參數的給定能調節系統的穩態誤差，在該系統中I參數用于角度環，用于補救車體的傾斜，避免歪倒;D參數的給定主要用來克服系統的滯后，加快系統的動作速度，減少調節時間和系統的震蕩。

無線遙控算法：被控智能車在一次接收中接受6字節的數據，其中包含1字節的地址校驗位、4字節的數據位和1字節的和校驗位，其中4字節數據包含車體x，y兩個方向的控制數據、速度控制數據和模式控制數據。方向控制是被控智能車通過航向角積分和設置俯仰角期望完成的。

結束語：

本設計主要針對生活中較火熱的平衡單車進行研究設計，將經典PID算法與環境檢測、遙控器相結合，利用角度和距離傳感器等獲取環境數據，然后將數據反饋到主控形成閉環控制。在調試小車直立時會遇到左右輕微搖擺的情況，經過排查發現，直流電機的減速比對整個系統的控制精度有很大影響，應該選擇減速比較小的直流電機，還應注意減速齒輪間的空程引起的執行誤差。此外小車機械結構也很重要，需將小車重心保持穩定，重心越低，車子越穩定。現階段項目已基本完成，后續階段會繼續開發，爭取使用更少的資源達到更高的性能！

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