基于PID的蓝牙平衡车系统的设计*

2020-08-11王晶

计算机与数字工程 2020年6期

王晶

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院合肥 230022）

1 引言

进入21世纪以来，随着世界多个国家对平衡车的不断探索开发，平衡车项目早已为全球机器人控制领域的研究热点［1］。平衡车作为科技与载具结合的标志性产物，它是人工智能与自动控制融合更进一步的突破，是载人工具未来重点发展的方向［2］。本设计首先建立平衡车的数学模型，以STM32系统单片机为主控芯片，硬件系统包括MPU6050陀螺仪加速度计、BT06蓝牙模块、霍尔编码器、TB6612FNG电机驱动和OLED显示屏［14～16］。软件系统结合PID控制算法实现了平衡车直立控制、速度控制、转向控制、蓝牙APP遥控、数据显示等功能［13］。实验结果验证了平衡车系统的稳定性和快速性。

2 平衡车模型建立

根据平衡车的运行特点，平衡车可以简化为底部可以运动的一阶倒立摆模型［3］，如图1所示。车体的重心高度为L，质量为m，倾角为θ。

对模型进行受力分析［4，11］，可以得到平衡车车轮加速度 a（t）和外力干扰加速度 x（t）之间的运动方程：

图1 平衡车等效模型

当平衡车倾角θ很小时，式（1）等效为

当平衡车处于平衡状态时，即a（t）=0，式（2）化简为

因此得到系统的传递函数为

其中系统传递函数的一个极点位于虚轴的右半平面（S平面），导致系统发散不稳定。因此，通过自动控制理论系统校正的相关知识，对系统引入PD控制器（比例、微分控制）［4］。校正过后的系统框如图2所示。

图2 引入PD控制之后的系统框图

此时，系统的传递函数为

当k1＞g，k2＞0时，系统传递函数的两个极点都位于虚轴左半平面（校正后为二阶欠阻尼系统）。其中k1、k2为PD控制器的比例系数和微分系数。比例系数决定平衡车能否回到平衡位置，微分系数相当于额外阻尼力，能够有效抑制由比例控制引起的震荡。

3 平衡车硬件系统设计

系统以STM32F103C8T6微控制器为主控核心，系统主要包括：显示屏模块、蓝牙遥控模块、姿态解算模块、电机驱动模块、电机模块、电机测速模块及电源模块，如图3所示。

图3 系统硬件结构

3.1 电源模块

整个设计的电源模块需实现将12V直流电源稳压到 5V 和 3.3V 两路［6］，选用 LM2596T-5和AMS1117-3.3两款降压芯片。两款降压芯片加上电容、电感构成LC滤波电路，起到抑制干扰信号的作用。电路原理如图4所示。

3.2 姿态解算模块

选择MPU6050模块作为姿态解算系统的传感器模块，用来测量系统的角速度和角加速度。MPU-6050集成了3轴陀螺仪、3轴加速度计和一个数字运动处理器DMP。通过MPU6050获得欧拉角和四元数［5］实现姿态解算。

图5是MPU6050传感器电路原理图，本设计采用 I/O 口模拟 I2C（PB11：SDA、PB10：SCL）与MPU6050通信获取数据，再利用滤波算法得到欧拉角和四元数，解算出当前平衡车的倾角进行控制。

3.3 显示模块

0.96寸OLED显示区域是128*64的密集点阵，有自发光、支持3V～5V直流电压、低功耗0.06W～0.08W、可视角度大于160°、采用SPI或I2C通信方式等优点。图6是OLED模块的接线图，本设计采用 I/O 模拟 SPI（PC15：RST、PC14：DC、PB12：SCL、PB13：SDA）通信方式控制OLED显示角度、速度、PID参数等信息。

图4 电源模块电路

图5 MPU6050姿态解算电路

图6 OLED模块接线电路

3.4 电机驱动模块

图7 TB6612FNG电机驱动电路

TB6612FNG是一款直流电机驱动芯片［6］，内部设计有双路MOSFET-H桥结构，即可同时控制2个电机。图7是TB6612FNG电机驱动电路图，本设计采用STM32F103C8T6的TIMER4产生两路（PB8、PB9）PWM波控制电机调速，PB4、PB5和PB6、PB7两组四个通用GPIO产生电机控制电平［7］。

3.5 蓝牙模块

BT06蓝牙模块遵循V3.0蓝牙规范，默认连接密码：1234。本模块支持UART接口和SPP蓝牙串口协议，具有低成本、低功耗、数据传输稳定快速等优点。支持AT指令集，默认波特率9600，接口兼容3.3V/5V TTL电平，通信成功时LED指示灯常亮。

图8 蓝牙模块接线电路

图8是BT06蓝牙从机模块的接线图，本设计采用STM32F103C8T6的USART2与蓝牙BT06模块进行串口通信（PA2：USART2_TX，PA3：USART2_RX），配置成从机模式接收移动设备串口发送APP的蓝牙信号［12］。

4 平衡车软件系统设计

系统的软件程序采用模块化的设计思想，主要分为平衡车直立控制、平衡车速度控制、平衡车转向控制、蓝牙遥控、数据显示。本设计使用到STM32F103C8T6的外设有Timer1、Timer2、Timer3、Timer4、USART1、USART2、I/O模拟I2C、I/O模拟SPI和多个通用GPIO。

4.1 软件系统主流程

系统的主流程如图9所示。首先对各个模块外设的初始化、通过MPU6050进行姿态解算获得角度，角加速度信息、通过霍尔编码器测取速度信息、通过OLED显示各项实时数据和接收蓝牙信号并处理。其中为了达到精确控制的目的，初始化应按照系统时钟配置→延时函数（Systick定时器配置）→LED和按键GPIO配置→OLED通信配置→USART1和USART2初始化→Timer4 PWM模式配置和Timer2、Timer3编码器模式配置→模拟I2C配置→MPU6050通信配置→Timer1 5ms定时器中断配置的顺序进行。

4.2 控制算法设计

1）直立控制算法

直立控制就是通过两个电机正反转动来维持平衡车的平衡，在第2节对平衡车进行数学建模得到的直立公式，经过线性化化处理得到直立的PD控制算法［8］：

图9 主程序流程图

图10 平衡车直立PD控制框图

2）速度控制算法

速度控制就是通过改变平衡车的倾角来改变速度，实质上还是通过对电机的控制来实现速度控制。给定速度后，为了获得向前的加速度，平衡车会向前倾斜。因此，车轮需要反转，由于直立的负反馈控制，车模会加速倒下。因此，利用串级PID控制的思想，将速度PI控制器的输出用作直立PD控制器的输入，起到速度控制的结果仅改变直立控制的目标值的效果［9］。串级控制器如图11所示。