孫長偉 唐斌 王志強

摘 要：基于卡爾曼濾波算法自平衡智能車系統(tǒng)設(shè)計，以STM32F103為控制核心，采用卡爾曼濾波算法和PID算法。該設(shè)計提高了平衡車傾角的計算精度和平衡車的穩(wěn)定性。通過系統(tǒng)調(diào)試和分析，獲得了適合平衡車運行的各項系統(tǒng)參數(shù)，運行結(jié)果表明該平衡車運動平穩(wěn)，適應(yīng)性強。

關(guān)鍵詞：STM32F103;卡爾曼濾波;PID 控制算法;智能平衡車;控制系統(tǒng)

引言

兩輪自平衡小車是一個綜合復雜的系統(tǒng)，集動態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體[1]。STM32單片機作為控制單元，陀螺儀、加速度計、光電編碼器和電流檢測等傳感器采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息[2]，基于卡爾曼濾波算法和PID算法，實現(xiàn)平衡車的自動直立與快速運動[3]。

1 平衡智能車原理

平衡智能車的動力輸出來自車身底部的兩路直流電機與車輪之間運動，根據(jù)電機之間不同轉(zhuǎn)速引起車輪之間不同轉(zhuǎn)速控制智能車的直立不同、速度不同、方向不同。智能車車體的控制任務(wù)可分解成三個基本任務(wù)：

（1）控制車模平衡：電機的正向反向運動控制保持車模的直立平衡狀態(tài);

（2）控制車模速度：車模的傾角的調(diào)節(jié)控制車模速度，實質(zhì)通過控制電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)車輪速度的控制。

（3）控制車模方向：通過控制兩個電機之間的轉(zhuǎn)速差控制車模轉(zhuǎn)向 [4]。

智能車控制采用的核心算法是PID算法。平衡小車速度控制系統(tǒng)由負反饋PD 直立控制器和正反饋PI 速度控制器組成[5]。

在直立控制中，只要一產(chǎn)生角度偏差信號，在負反饋的作用下角度偏差最終被消除，小車保持直立狀態(tài);在速度控制中，一旦檢測到角度偏差信號，即明白小車要產(chǎn)生速度的變化，在正反饋的速度控制器作用下，速度會朝著期望方向上逐漸增加，以達到速度控制的目的。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)由五部分組成：中央處理部分，電源管理部分，運動控制部分，數(shù)據(jù)感知部分，人機交互部分。

中央處理部分，作為整個系統(tǒng)的核心部分，主要功能是數(shù)據(jù)運算與運動控制，對其他部分進行實時工作監(jiān)測，采集系統(tǒng)運行的必要數(shù)據(jù)，反饋系統(tǒng)整個運動控制。電源管理部分，作為整個系統(tǒng)的能量來源部分，主要功能是提供電源與電池保護，系統(tǒng)中不同器件存在多種不同電壓要求，需要不同方式的電源輸出模塊。運動控制部分，主要功能為提供智能車運動動力，主要有直流電機與電機驅(qū)動模塊多個子部分組成。數(shù)據(jù)感知部分，作為系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)來源渠道，其提供了車體姿態(tài)的角度，運動過程車身速度與目標物體空間距離等多個系統(tǒng)運行起來不可缺少的數(shù)據(jù)。人機交互部分，由于平衡智能車設(shè)計與使用過程，存在相當多的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)，利用本部分實現(xiàn)與人的良好的交互功能，本部分包含液晶顯示模塊，按鍵輸入模塊，無線通信模塊等等。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 單片機最小系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用 STM32單片機為控制器，該控制器是具備并行運算功能，適用于交復雜環(huán)境下的系統(tǒng)控制[6]。

3.2姿態(tài)采集模塊

姿態(tài)采集模塊包含加速度傳感器和角速度傳感器兩部分。加速度傳感器MMA7260，其外圍電路如圖1所示。MMA7260是一款基于重力分量換算原理的低功耗高靈敏度的加速度傳感器，同時輸出x，y，z三個方向的加速度值，用于測量平衡車的運動姿態(tài)和方向。角速度傳感器，采用陀螺儀ENC-03，其輸出的模擬電壓信號與角速度成正比，將該角速度對時間積分便得到用于測量平衡車相對于靈敏軸的傾角。

3.3電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動電路為H橋式電機驅(qū)動電路，該電路包括4個三極管和一個電機。增加總線驅(qū)動芯片74LVC245來提高信號驅(qū)動能力，隔離三極管和單片機，保護單片機芯片。電機驅(qū)動隔離電路電路如圖2所示。防止電機瞬間換向產(chǎn)生峰值電壓進而損壞其它芯片，在電機輸出端增加壓敏電阻，考慮到死區(qū)時間與高邊導通電壓使用IR2104作為全橋驅(qū)動芯片。HH橋式電機驅(qū)動電路如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)卡爾曼濾波

數(shù)據(jù)濾波是一種去除噪聲的非線性方法，該方法可以還原真實檢測值的數(shù)據(jù)?？柭鼮V波技術(shù)是數(shù)字濾波技術(shù)的一種，在測量方差己知的前提下從存在噪聲的數(shù)據(jù)中估算系統(tǒng)的狀態(tài)。在智能車姿態(tài)檢測系統(tǒng)中，加速度傳感器測量車體靜態(tài)時的角度，但該傳感器對震動較敏感，并受動態(tài)加速度的影響較大[7];角速度傳感器用于檢測車體傾斜角的變化，通過對測量的角速率累加計算傾斜角，但存在累積漂移誤差。通過卡爾曼濾波算法對加速度傳感器和角速度傳感器的輸出值進行有效的融合，使加速傳感器與角速度傳感器得到的值更接近真實值。

4.2 雙閉環(huán)PID控制算法

加速度計用來檢測小車是否傾斜和傾斜程度，一旦傾斜，由陀螺儀觸發(fā)控制電機啟動，再由加速度計控制小車是否回正，并停止電機驅(qū)動[8-10]。

通過PID控制算法對車體角速度、角度、車體速度和車體位置等參數(shù)值進行整合，利用輸出的PWM信號驅(qū)動電機，產(chǎn)生相應(yīng)的力矩，以此保持車體的動態(tài)平衡。采用雙閉環(huán) PID控制算法對平衡車進行控制，其原理如下：

（1）位置閉環(huán)控制實現(xiàn)靜態(tài)自平衡。

車體的位姿信息通過兩個姿態(tài)傳感器獲得，將融合后的位姿信息發(fā)送給主控芯片從而實現(xiàn)機器人位置閉環(huán)控制。位置閉環(huán)可以實現(xiàn)車體在平衡點處無外界干擾時的靜態(tài)自平衡。

（2）速度閉環(huán)控制實現(xiàn)動態(tài)自平衡。

用于驅(qū)動電機的PWM信號，通過軟件算法的處理，獲得車輪的速度和位置信息，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。此環(huán)可在沒有編碼盤等傳感器提供硬件支持的前提下，通過軟件編碼算法獲取機器人的速度信息，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。速度閉環(huán)主要功能在于實現(xiàn)機器人在外界干擾狀態(tài)時的動態(tài)自平衡。

4.3 總體程序設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計首先對各個模塊進行初始化設(shè)置，對人機交互界面進行初始化設(shè)計。然后獲取各傳感器數(shù)值，其中加速度計傳感器信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的角度值;接著將角度傳感器采集的數(shù)值進行優(yōu)化，將兩個數(shù)值調(diào)整到同樣規(guī)格，通過卡爾曼濾波算法將信號進行濾波及角度融合。通過PID算法后的PWM波控制電機的輸出，從而保持車體平衡。

5 結(jié)語

本文基于卡爾曼濾波算法和PID 算法實現(xiàn)兩輪平衡車控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，統(tǒng)使用模塊化的設(shè)計，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，各模塊之間既可獨立又可協(xié)調(diào)運行，既減少了系統(tǒng)的響應(yīng)時間又增加了系統(tǒng)的可靠性。該設(shè)計具有穩(wěn)定性能良好，對地形適應(yīng)能力強，可以在復雜環(huán)境工作等優(yōu)點。本設(shè)計采用的技術(shù)在避障小車、機器人和無人駕駛汽車等領(lǐng)域中，具有較高的應(yīng)用價值。

參考文獻

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作者簡介：孫長偉，女，（1982-），碩士研究生。主要研究方向為信號處理。