史云天+吳光華

摘要：該文主要是對農(nóng)業(yè)植保平衡車的研究。本系統(tǒng)主要分為兩部分，分別為無線收發(fā)部分和智能控制部分。智能控制部分主要是使得小車能夠穩(wěn)定的行走。首先對卡爾曼濾波進行研究，調(diào)節(jié)參數(shù)，使得電機轉(zhuǎn)動穩(wěn)定，在進行調(diào)節(jié)直立環(huán)pid，小車能夠直立行走，再進行速度環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)和硬件調(diào)試，小車能夠穩(wěn)定的站立和行走。轉(zhuǎn)彎閉環(huán)調(diào)節(jié)，能夠使得轉(zhuǎn)彎時車身保持穩(wěn)定。無線接收部分主要是通過小車使用ppm調(diào)制方式，對小車進行遠距離控制盒調(diào)試，使得平衡車能夠直立前進和后退行走，轉(zhuǎn)彎行走和急?？刂啤Ｔ谲嚿淼那岸思由蠂姙⒀b置，使得車子能夠噴灑農(nóng)藥作業(yè)，車上會使用無線遙控，方便操作人員觀察前方的路況和觀察植保車的噴灑情況。

關(guān)鍵詞：馬農(nóng)業(yè)植保平衡車；卡爾曼濾波；pid；噴灑裝置

1 系統(tǒng)測量方案

系統(tǒng)主要有車體直立模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、噴灑模塊、無線視頻模塊。車體直立模塊主要包括角度測量模塊、加速度測量模塊、電機驅(qū)動模塊和主控制芯片模塊。無線傳輸數(shù)據(jù)模塊主要發(fā)送控制車身各種指令，對車身進行操控。噴灑模塊進行噴灑作業(yè)，而無線遙控模塊方便操作人員進行道路的觀察。

1.1 車身直立原理

卡爾曼濾波是采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型[1]，利用前一時刻的估計值和現(xiàn)時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計，求出現(xiàn)時刻的估計值。實質(zhì)是由量測值重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)向量。它以“預(yù)測—實測—修正”的順序遞推，根據(jù)系統(tǒng)的量測值來消除隨機干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，或根據(jù)系統(tǒng)的量測值從被噪聲干擾的系統(tǒng)中恢復(fù)系統(tǒng)的本來面目。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容[2]。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。

1.2 角度采集模塊

由圖1知道，enc-03供電電壓為3.3 v，為4腳芯片，分別為Vcc，GND，Vref，Out。此傳感器通過lm358將信號進行放大，最后得到角度值。測量范圍在0-180°之間，我們規(guī)定基準職位90°。

1.3 加速度傳感器

加速度傳感器我們采用的MMA7260，需要3.3 v的供電電壓，采用3軸加速度傳感器主要是為角度傳感器進行校正，我們使用Z軸為方向軸，采集數(shù)據(jù)范圍為正負90°。輸出量為模擬量，通過單片機的ad功能進行采集。如圖2所示為加速度傳感器電路[3]。

1.4 電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動電路的電源可以直接使用電池兩端的電壓。模型車在啟動過程中往往會產(chǎn)生很大的沖擊電流，一方面會對其它電路造成電磁干擾；另一方面由于電池內(nèi)阻造成電池兩端的電壓下降，甚至?xí)陀诜€(wěn)壓電路所需要的最低電壓值，產(chǎn)生單片機復(fù)位現(xiàn)象[4]。為了克服啟動沖擊電流的影響，可以在電源中增加容值較大的電解濾波電容，也可以采用緩啟動的方式控制電機[5]。在啟動時，驅(qū)動電路輸出電壓有一個漸變工程，使得電機啟動速度略為降低從而減小啟動沖擊電流的幅度。

1.5 農(nóng)藥噴灑桿

此車主要用于農(nóng)藥噴灑和農(nóng)田灌溉，用多個噴灑頭能夠增加噴灑面積，減少噴灑次數(shù)。噴灑使用的是高壓力噴頭，在噴灑效果和效果方面增加了許多。

2 直立車算法

兩輪自平衡遙控植保車不僅需要外部的各項驅(qū)動，同時也需要相應(yīng)的算法來支持平衡車進行平衡調(diào)節(jié)[6]，采用的卡爾曼濾波pid調(diào)節(jié)，使得車模能夠很好的直立行走和完成各種指令動作。

2.1 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計的最佳準則，來尋求一套遞推估計的算法，其基本思想是：采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時刻地估計值和現(xiàn)時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計，求出現(xiàn)時刻的估計值。實質(zhì)是由量測值重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)向量。它以“預(yù)測—實測—修正”的順序遞推，根據(jù)系統(tǒng)的量測值來消除隨機干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，或根據(jù)系統(tǒng)的量測值從被噪聲干擾的系統(tǒng)中恢復(fù)系統(tǒng)的本來面目[7]。

2.2 PID控制

PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r（t）與實際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e（t），偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差[8]。

積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。

微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。

2.3 采樣時間對系統(tǒng)的影響

采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，控制效果越接近連續(xù)控制。對大多數(shù)算法，縮短采樣周期可使控制回路性能改善，但采樣周期縮短時，頻繁的采樣必然會占用較多的計算工作時間，同時也會增加計算機的計算負擔。而對有些變化緩慢的受控對象無需很高的采樣頻率即可滿意地進行跟蹤，過多的采樣反而沒有多少實際意義。最大采樣周期根據(jù)耐奎斯特采樣定理可知[9]。

3 直立車程序

直力車的程序包括電機轉(zhuǎn)動的控制，角度傳感器采集程序[10]，加速度采集的程序，卡爾曼濾波的程序，PID調(diào)節(jié)的程序等，將這些程序綜合起來使得小車能夠直立行走。

3.1 采集程序

此部分程序主要是進行加速度傳感器和角度傳感器的數(shù)據(jù)采集，選通兩路AD端口，采集回來的值通過相應(yīng)的公式計算出對應(yīng)的數(shù)量。

void Ad_data_proc（void）

{

int i；

Acc_z_data=0；