黃義豪 符長友

摘 要：兩輪自平衡代步小車集姿態(tài)信息感知、電機驅動、動態(tài)平衡控制于一體，設計難點在于姿態(tài)信息準確感知與自平衡控制。姿態(tài)信息感知通過帶有自適應降階卡爾曼濾波器的陀螺儀、加速度計集成傳感器來實現。針對傳統(tǒng)PID、LQR、人工神經網絡等自平衡控制方式的缺陷與不足，提出采用模糊PID控制。利用陀螺儀、加速度計、ARM微處理器、語音播報、LoRa通信等技術，設計出基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車。詳細闡述了系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)架構、硬件設計及相關程序設計。實踐表明，基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車具有平衡穩(wěn)定、續(xù)航距離遠、語音預警、遙控等特點。

關鍵詞：兩輪自平衡；模糊PID；陀螺儀；加速度計；ARM；LoRa；卡爾曼濾波；姿態(tài)信息

*基金項目：1. 企業(yè)信息化與物聯網測控技術四川省院士（專家）工作站基金項目（2016WZY201）；2. 四川省教育廳重點科研項目（16ZA0258）；3. 2017年教育部產學合作協(xié)同育人項目（201702109051）

0 引言

兩輪自平衡代步小車作為一個新興的行業(yè)，近年來在我國迎來爆炸式增長，其行業(yè)年產值已超過了100億元，生產廠家也已超過了300家[1]。與其他代步工具相比，兩輪自平衡代步小車具有噪音小、操作方便簡單、低碳環(huán)保等優(yōu)點[2]。這種新穎的個人可移動代步工具已成功地應用于城市車站、廣場、購物中心等場所，起著城市短途代步、安保巡邏、休閑娛樂等作用[3]。

兩輪自平衡代步小車集姿態(tài)信息感知、電機驅動、動態(tài)平衡控制于一體。其設計難點在于車體姿態(tài)信息的準確感知與自平衡控制。車體姿態(tài)信息的感知可通過陀螺儀、加速度等傳感器來實時采集，再通過互補濾波[4]、卡爾曼濾波[5]等方式能很好地獲得準確的姿態(tài)信息。而自平衡控制現有傳統(tǒng)PID、LQR、人工神經網絡等控制方式。由于傳統(tǒng)PID（比例、積分、微分控制）的參數固定，無法進行自行修正，缺乏靈活性與應變性。而兩輪自平衡代步小車是一個非線性、多階次、不穩(wěn)定的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)PID就難以保證控制的準確性、穩(wěn)定性。LQR（Linear Quadratic Regulator，線性二次型調節(jié)器）利用系統(tǒng)的狀態(tài)方程與數學模型，由于兩輪自平衡代步小車數學模型過于理想化，與實際所需相差較遠，導致LQR參數不準確，不能達到所需的控制效果[6]。人工神經網絡是一種仿生物神經傳導特性的控制，但其算法過于復雜，需占用微處理器大量的系統(tǒng)資源而影響微處理器的整體性能，在實際應用中也有很大難度[7]。

由于上述自平衡控制方式均存在某些缺陷與不足，需尋求一種全新的自平衡控制方式，而模糊控制魯棒性強，且專門針對于非線性、不穩(wěn)定的復雜系統(tǒng)，其算法也完全不依賴于系統(tǒng)的數學模型、狀態(tài)空間方程等[8]。因此將模糊控制與傳統(tǒng)PID有機結合起來，構成模糊PID來實現兩輪自平衡代步小車的自平衡控制。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 兩輪自平衡小車

兩輪自平衡小車為了實現自平衡，必須使得其整個狀態(tài)維持在平衡態(tài)，如圖1所示。當車體傾斜角θ為0時，其重心恰好落在兩個車輪的軸線上，此時系統(tǒng)便處于自平衡點上。若這時θ對時間的高階導數全為0且外界沒有對系統(tǒng)有擾動的情況下，小車將會一直維持著這穩(wěn)定的平衡態(tài)。事實上這平衡態(tài)是不穩(wěn)定的，若外界有很小很小的擾動，系統(tǒng)的平衡態(tài)就會被破壞。只有加以控制，否則整個狀態(tài)還會發(fā)散，更不會自行恢復到平衡態(tài)。因此必須使系統(tǒng)的各個參數一直維持在平衡態(tài)，或者在平衡態(tài)附近波動[9]。下面對兩輪自平衡小車的運動狀態(tài)分三類情況進行闡述。

1）靜止狀態(tài)。車體重心恰好垂直落在兩個電機軸線上，此時小車處于平衡態(tài)，無需做任何控制。

2）前傾狀態(tài)。車體向前傾斜，其重心向前偏離車軸線，此時若要恢復到平衡態(tài)，必須使車輪向前加速運動，使重心重新回到車軸線，系統(tǒng)保持平衡。

3）后仰狀態(tài)。車體向后傾斜，其重心向后偏離車軸線，此時若要恢復到平衡態(tài)，與前傾狀態(tài)相反，必須使車輪向后加速運動，使重心重新回到車軸線。

在實際運行中，兩輪自平衡小車的工作狀態(tài)始終在這三類狀態(tài)中變換。平衡控制就是通過姿態(tài)傳感器實時監(jiān)測車體的傾斜角度，一旦發(fā)現傾角偏離了平衡點，即車體的重心偏離了車軸線，微處理器就會自動控制驅動電機轉動方向與速度，以向前或向后、加速或減速使車體再次恢復到平衡點上。并且這個過程一直持續(xù)著，系統(tǒng)才能保持動態(tài)平衡。

1.2 模糊PID控制

模糊PID控制是將模糊技術與傳統(tǒng)PID控制有機結合起來，以達到有效的控制精度。當姿態(tài)數據偏差較大時采用模糊控制，響應速度快、動態(tài)性能高；當姿態(tài)數據偏差較小時采用傳統(tǒng)PID控制，靜態(tài)性能高，這樣才能滿足系統(tǒng)的控制精度[10]。因此模糊PID控制比單獨的模糊控制和單獨的傳統(tǒng)PID控制都有更好的控制效果與控制精度。

2 系統(tǒng)設計

兩輪自平衡代步小車由兩輪自平衡小車與遙控器構成，二者之間通過LoRa （Long Range Radio，遠距離無線電）無線通信進行數據交換，如圖2所示。兩輪自平衡小車通過陀螺儀、加速度計實時感知運動姿態(tài)信息，中央微處理器根據姿態(tài)信息控制兩個獨立的步進電機的方向與轉速，以實現車體的平衡控制。同時，在不平衡或突然加速、減速時，通過語音發(fā)預警信號，以友情提醒使用人注意安全；而在勻速行駛時，語音可提示當前時速或播放使用人喜歡的音樂、評書、小品等節(jié)目。再者，可把當前的姿態(tài)信息通過LoRa無線傳輸給遙控器。此外，也可通過LoRa無線接收遙控器發(fā)來的控制指令。因此兩輪自平衡小車由中央微處理器、陀螺儀、加速度計、步進電機、LoRa通信、語音播報等模塊等構成，如圖3所示。而遙控器可通過操作桿遠程無線控制兩輪自平衡小車的方向與轉速，同時有LED燈顯示兩輪自平衡小車的運行狀態(tài)。

3 硬件設計

3.1 陀螺儀與加速度傳感器

陀螺儀與加速度傳感器若集成在一起，具有體積小、集成度高、可靠性高等優(yōu)點。故采用Cruiz Core R1370P。該芯片是一款超小型的數字陀螺儀與加速計集成傳感器，在動態(tài)條件下能有效測定角速度、航向角與加速度。Cruiz Core R1370P內部含有1個3軸MEMS陀螺儀、3軸加速度計、電壓調節(jié)器、信號處理電路、AD轉換器和1個能完成誤差校正算法的RISC微處理器。采用1個自適應降階卡爾曼濾波器，以減少如偏置漂移、比例因素、不對稱性所造成的誤差，進而輸出精確、穩(wěn)定的角速度與航向角[11]。其電路設計如圖4所示。

3.2 LoRa通信模塊

LoRa是一種基于擴頻技術的低功耗、遠距離無線通信方式，其特點是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠。采用SZ15-01模塊，其工作頻段為（470～510）MHz，可實現數據透明傳輸，具有超高接收靈敏度，波特率為1 200～115 200 bit/s[12]。其電路設計如圖5所示。

3.3 語音播報模塊

語音播報模塊不僅具有播放音樂、評書、小品等使用人心情愉快，而且還具有若遇到不平衡或突然加速、減速時，友情語音提醒讓使用人多注意安全。語音模塊采用MX6100。該模塊嵌入了串口的MP3芯片，集成了MP3、WAV的硬解碼。通過簡單的串口指令即可完成播放指定的語音文件，穩(wěn)定可靠。該模塊支持比特率11172-3和ISO13813-3 layer3音頻解碼，支持Normal、Jazz、Classic、Pop、Rock等音效，24位DAC輸出，支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng)與32 G的TF/SD卡；30級音量可調[13]，其電路設計如圖6所示。

3.4 中央處理器

中央微處理器整個系統(tǒng)的最核心部件，負責讀取陀螺儀、加速度傳感器的姿態(tài)數據，然后進行匯總、分析與處理，并控制步進電機按所需要的方式平穩(wěn)轉動。同時把自平衡小車的當前運行姿態(tài)數據通過LoRa方式發(fā)送給遙控器，讓遙控器及時知曉自平衡小車的當前的運行狀態(tài)。此外，也通過LoRa方式接收遙控器發(fā)來的控制指令及相關數據。因此需要功能強大的中央微處理器，為此采用STM32F103。該芯片使用高性能的32位ARM/Cortex M3內核，內置20KB SRAM、128KB Flash，含有2個12bit的A/DC、3個通用16bit定時器和多種串行接口，如I2C、SPI與USART等接口[14]。STM32F103外接了實時時鐘芯片SZ2058以及驅動步進電機，其電路設計如圖7所示。

4 程序設計

4.1 運動姿態(tài)檢測程序

運動姿態(tài)檢測采用CruizCore R1370P集成傳感器，其程序部分代碼如下：

4.2 卡爾曼濾波程序

卡爾曼濾波對陀螺儀、加速度采集的數據進行深度融合、優(yōu)化處理，其程序部分代碼如下：

4.3 語音模塊程序

語音模塊可友情提示和播放音樂等節(jié)目，程序部分代碼如下：

5 測試數據

5.1 平緩路面續(xù)航距離測試

當電池充滿電后，由4名體質量為50 kg、55 kg、60 kg、65 kg的人員分別騎行自平衡小車在同一條相對平緩路面進行續(xù)航距離測試。當蓄電池電壓下降到設定閾值并蜂鳴器報警時，停止測試。測試數據如表1所示。

5.2 坡度路面續(xù)航距離測試

當電池充滿電后，同樣由上述4名人員分別騎行自平衡小車在大約15°的坡度路面進行續(xù)航距離測試，測試要求與5.1一樣。測試數據如表2所示。

5.3 陀螺儀角度數據

當自平衡代步小車處于駕駛狀態(tài)時，Cruiz Core R1370P輸出的角度數據如圖8所示。

6 實物圖片

遙控器實物如圖9所示。

基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車實物如圖10所示。

7 結束語

基于模糊PID的兩輪自平衡代步小車采用了陀螺儀、加速度計、ARM微處理器、語音播報、步進電機控制、LoRa通信等多種物聯網技術，具有平衡穩(wěn)定、續(xù)航距離遠、語音預警、遠程遙控等特點。

參考文獻：

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[13] 廣州美芯電子科技有限公司.MX6100-16P模塊使用手冊V1.2[M/OL]. http：//www.mxic168.com/sczs/hby/mp31/123. html.

[14] STMicroelectronics Co.， Ltd. STM32F103t8ST user manual [M/OL].https：//www.st.com/resource/en/datasheet/ stm32f103t8.pdf，2013，08.