基于ARM的自适应二轮智能车系统

姜承昊　王子淳　燕向德

摘要：近年来，对非完整移动机器人的理论和应用研究日益受到国内外控制界的重视。此类动力学系统由于具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，使传统控制理论遇到极大困难。因此研究非完整轮式移动机器人具有十分重要的意义。本项目将传统自平衡车与超声波、遥控器相结合，利用距离传感器感知躲避环境障碍和采用PID控制算法来维持车体平衡。

关键词：移动机器人;自平衡;闭环控制;PID算法

基本内容：

本项目基于ARM芯片，能够自主适应环境情况的智能二轮车系统。其核心部分是对车体的控制，智能性主要体现在它的功能上，在能够稳定运行的基础上，同时检测周围环境障碍物以避障，另外添加遥控器以实现智能车加速、减速、旋转等多功能的无线控制。因此，该系统的基本研究内容主要分为以下三个部分：

（1）姿态及路况数据的准确获取

姿态数据的获取在车体行驶时尤为重要，智能车的每一个动作都需要通过角度传感器来获取相应数据，以反馈给控制芯片，进而迅速作出控制反应。

（2）算法控制

算法控制主要分为对传感器数据的处理以及主控芯片对整个系统运行的控制两个方面。传感器数据是通过一定取值算法获取，用以保证数据来源准确无误。系统控制主要以经典的PID算法为主体，根据不同的控制目的调整相应PID参数，完成不同的操作动作。

（3）电机控制

通过上述算法把结果转化成PWM波电信号，输出给执行机构—直流电机，从而实现对电机的实时控制。

研究思路和方法：

智能车是一个集动态决策、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。

技术关键：

（1）测量小车的空间姿态、角加速度等。

（2）读取和处理姿态信息和速度信息。

（3）使用STM32F103RCT6主控芯片分析数据，用PID控制算法控制小车的平衡。

（4）在保证平衡的前提下，通过超声波感知环境障碍用以避障前进。

（5）通过NRF24L01无线通信模块实现对小车的实时控制。

主要技术指标：在断电状态实现一键站立和自主平衡;在受到外界一定干扰下能自主恢复平衡;在保持平衡的同时实现旋转、避障、遥控等多种功能。

（1）旋转功能为遥控被动功能，采用航向角积分策略。在收到旋转信号后，智能车按控制速度进行航向角积分，并设置航向角期望控制执行机构完成转向。积分策略能实现智能车在360度任意方向上的角度旋转。

（2）避障功能为系统的另一个主要功能，在车体0度平衡状态下读取超声波数据，分析障碍物距离，再根据车体自身的旋转半径做出避障行为。超声波的0度检测方案保证了读出的数据即为车体距障碍物的距离。

（3）遥控功能使用无线通信模组NRF24L01实现，独立遥控器包括2维摇杆、油门摇杆和独立按键，分别控制x，y轴转向、速度和模式，经过控制信号的整合通信模组会定时向智能车发出控制信号。

项目研究过程：

控制流程：

首先进行硬件的初始化，之后开始数据的采集，如果车体处于歪倒状态则会触发一键起立，起立完成后便维持平衡。如果在平衡过程中接收到遥控数据，则会根据接收到的数据触发相应准备动作、启动航向角积分和设置俯仰角期望。然后进行PID算法的控制完成动作。其中如果超声波检测到障碍，则会触发车体主动转弯避开障碍。

主控部分：

主控芯片采用STM32F103C8T6，这是一款基于ARM Cortex-M3 内核的32位嵌入式微控制器，主频能够达到72MHz，用以满足项目的计算使用。

电源部分：

本项目采用航模电池供电，电压为12V，一级采用LM2576开关电源芯片使输入直流12V稳压至5V给电机编码器和超声波供电，二级采用AMS1117线性稳压芯片使5V稳压至3.3V给单片机和其他模块供电。

关键算法：

PID控制其实就是指比例，积分，微分控制。本项目采用并联PID的控制算法：速度环与角度环并联。期望的俯仰角为0度，目的是能让智能车平稳的直立;期望的速度为0，目的是能让智能车趋于静止。

P参数的给定增加了系统反应的快速性，P参数越大反应越迅速，但是P参数过大容易导致系统的震荡;I参数的给定能调节系统的稳态误差，在该系统中I参数用于角度环，用于补救车体的倾斜，避免歪倒;D参数的给定主要用来克服系统的滞后，加快系统的动作速度，减少调节时间和系统的震荡。

无线遥控算法：被控智能车在一次接收中接受6字节的数据，其中包含1字节的地址校验位、4字节的数据位和1字节的和校验位，其中4字节数据包含车体x，y两个方向的控制数据、速度控制数据和模式控制数据。方向控制是被控智能车通过航向角积分和设置俯仰角期望完成的。

结束语：

本设计主要针对生活中较火热的平衡单车进行研究设计，将经典PID算法与环境检测、遥控器相结合，利用角度和距离传感器等获取环境数据，然后将数据反馈到主控形成闭环控制。在调试小车直立时会遇到左右轻微摇摆的情况，经过排查发现，直流电机的减速比对整个系统的控制精度有很大影响，应该选择减速比较小的直流电机，还应注意减速齿轮间的空程引起的执行误差。此外小车机械结构也很重要，需将小车重心保持稳定，重心越低，车子越稳定。现阶段项目已基本完成，后续阶段会继续开发，争取使用更少的资源达到更高的性能！

参考文献

[1]王蕾，宋文忠. PID控制[J]. 自动化仪表，2004，25（4）：1-6.

[2]杨智，朱海锋，黄以华. PID控制器设计与参数整定方法综述[J]. 化工自动化及仪表，2005，32（5）：1-7.

[3]吴宏鑫，沈少萍. PID控制的应用与理论依据[J]. 控制工程，2003，10（1）：37-42.

[4]胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2013年：1-2

[5]杨巨庆，黄健，段麗华. PID控制技术与应用[J]. 哈尔滨师范大学自然科学学报，2004，20（2）：76-79.

[6]秦勇，闫继宏，王晓宇，等. 两轮自平衡机器人运动控制研究[J]. 哈尔滨工业大学学报，2008，40（5）：721-726.

[7]李开生，宗光华. 机器人控制器体系结构研究的现状和发展[J]. 机器人，2000，22（3）：235-240.8、

[8]王国军，陈松乔. 自动控制理论发展综述[J]. 微型机与应用，2000，19（6）：4-7.