甄圣超，高 遠(yuǎn)，黃 康，張 昭，楊培東

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

基于PID算法控制的電動(dòng)自平衡獨(dú)輪車(chē)設(shè)計(jì)

甄圣超，高 遠(yuǎn)，黃 康，張 昭，楊培東

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

針對(duì)當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)中電動(dòng)自平衡獨(dú)輪車(chē)開(kāi)環(huán)控制、穩(wěn)定性及可靠性不強(qiáng)等問(wèn)題，提出一種基于PID算法控制的電動(dòng)自平衡獨(dú)輪車(chē)設(shè)計(jì)，選用DSP作為主控芯片，利用傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，采集陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量的車(chē)身姿態(tài)信息，并利用位置式PID控制算法計(jì)算直流無(wú)刷電機(jī)的控制力矩，形成閉環(huán)控制，平衡車(chē)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、穩(wěn)定、魯棒性好的優(yōu)勢(shì)。

電動(dòng)自平衡獨(dú)輪車(chē)；傳感器數(shù)據(jù)融合；PID算法；閉環(huán)控制

0 引言

電動(dòng)自平衡獨(dú)輪車(chē)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、攜帶方便、運(yùn)動(dòng)性靈活等很多優(yōu)點(diǎn)，成為一種新興的電動(dòng)代步工具[1]。獨(dú)輪車(chē)的控制主要分俯仰和橫滾平衡控制，其中橫滾平衡主要由騎行者來(lái)實(shí)現(xiàn)，俯仰平衡的控制原理和一級(jí)倒立擺類(lèi)似[2]，人往前傾時(shí)，采用陀螺儀的控制器控制電機(jī)往前運(yùn)動(dòng)，人往后傾時(shí)，電機(jī)往后運(yùn)動(dòng)，保持人的平衡。倒立擺和陀螺都是動(dòng)態(tài)平衡、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)，決定了獨(dú)輪車(chē)需要時(shí)刻不斷調(diào)節(jié)使其處于動(dòng)態(tài)平衡的本質(zhì)[3]。

目前實(shí)際生產(chǎn)中電動(dòng)自平衡獨(dú)輪車(chē)開(kāi)環(huán)控制、穩(wěn)定性及可靠性不強(qiáng)等問(wèn)題，本文提出一種基于PID算法控制的電動(dòng)自平衡獨(dú)輪車(chē)設(shè)計(jì)，采用直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪轂電機(jī)，DSP數(shù)字信號(hào)處理器為主控制器，控制系統(tǒng)包括陀螺儀傳感器、直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、平衡控制組成，通過(guò)陀螺儀傳感器的加速度計(jì)和陀螺儀檢測(cè)角度信息，這兩個(gè)角度經(jīng)過(guò)處理，形成沒(méi)有漂移的、抗干擾能力強(qiáng)的角度信號(hào)，利用PID算法對(duì)角度信號(hào)進(jìn)行處理，得到控制信號(hào)，進(jìn)而控制直流無(wú)刷電機(jī)使獨(dú)輪車(chē)保持平衡。

1 獨(dú)輪車(chē)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的獨(dú)輪車(chē)機(jī)構(gòu)主要由輪轂電機(jī)、塑料外殼、DSP、電源和踏板等部分組成，其模型如圖1所示，其總重量為10kg，外輪直徑為360mm，其中踏板采用鋁合金材質(zhì)，降低重量增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，踏板和車(chē)體剛性連接，其傾斜角度反應(yīng)車(chē)體的俯仰角度，進(jìn)而來(lái)保持人體的平衡。DSP和電源分別布置在外殼箱體的兩側(cè)，利于布線方便和平衡重心。

圖1 SolidWorks工程圖獨(dú)輪車(chē)模型

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

獨(dú)輪車(chē)通過(guò)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的控制進(jìn)而保持整體的動(dòng)態(tài)平衡，其控制系統(tǒng)原理如圖2所示。通過(guò)陀螺儀及其加速度計(jì)來(lái)采集人體的姿態(tài)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)融合濾波后[4]，將得到的漂移、抗干擾能力強(qiáng)的角度信號(hào)發(fā)給DSP，利用PID算法對(duì)角度信號(hào)進(jìn)行處理后，DSP輸出轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)給直流無(wú)刷電機(jī)，通過(guò)其自帶的霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)的位置信號(hào)，形成電機(jī)閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)主要包括DSP控制器、陀螺儀數(shù)據(jù)采集和無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，已開(kāi)發(fā)出的硬件板如圖3所示。尺寸：長(zhǎng)×寬=134mm×79mm；工作電壓：36V～68V下可正常工作；最大工作電流：30A；最大總功率：1500w；通訊方式：模擬量和串口控制；工作模式：力矩和速度模式。

圖2 控制原理圖

圖3 控制器硬件板

1）陀螺儀采用性能穩(wěn)定的9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU6050陀螺儀，集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器。MPU-6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的角度模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)，同時(shí)具有測(cè)量范圍可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g。一個(gè)片上1024字節(jié)的FIFO（First-In First-Out），有助于降低系統(tǒng)功耗。

2）主處理器采用功能強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)的TMS320F2809DSP作為主處理器,基本兼容TMS320F2812DSP程序，同時(shí)擁有豐富外設(shè)資源和100M的運(yùn)算能力，使開(kāi)發(fā)難度大幅度降低，可以實(shí)現(xiàn)控制器的快速開(kāi)發(fā)。其與陀螺儀接口線路如圖4所示。

3）直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用德州儀器集成型三相無(wú)刷電機(jī)前置驅(qū)動(dòng)器DRV8301，可在驅(qū)動(dòng)達(dá)60 A FET的同時(shí)，將板級(jí)空間銳減60%，其三相無(wú)刷柵極驅(qū)動(dòng)器通過(guò)8V～60V單電源提供源極達(dá)1.7A、汲極達(dá)2.3A的柵極驅(qū)動(dòng)電流，可調(diào)節(jié)壓擺率與停滯時(shí)間來(lái)優(yōu)化性能。

1.2.2 陀螺儀、加速度計(jì)信號(hào)融合和程序

為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪車(chē)的自平衡控制，首先應(yīng)該得到足夠的車(chē)身傾斜角度的數(shù)據(jù)。采用MPU6050陀螺儀來(lái)采集獨(dú)輪車(chē)的姿態(tài)信息?？刂葡到y(tǒng)除了需要實(shí)時(shí)傾角信號(hào)，還需要角速度加以控制。即采用加速度計(jì)測(cè)量?jī)A斜角度，陀螺儀輸出相對(duì)靈敏軸的角速率。

1.2.2.1 傳感器數(shù)據(jù)處理

加速度計(jì)可以測(cè)量動(dòng)態(tài)及靜態(tài)的線性加速度。其中，加速度傳感器靜止時(shí)，輸出作用在其靈敏軸上的重力加速度值，可以根據(jù)各軸上的重力加速度的分量值算出物體垂直和水平方向上的傾斜角度。但是加速度計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)且過(guò)快響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較大噪聲。

陀螺儀測(cè)量角速度信號(hào)，通過(guò)對(duì)其積分得到角度制，但是考慮溫度變化、摩擦力及不穩(wěn)定力矩等因素，陀螺儀會(huì)產(chǎn)生漂移誤差[5]。

圖4 DSP與陀螺儀接口圖

故為了克服上述困難，本文采用一種簡(jiǎn)易互補(bǔ)濾波方法來(lái)融合陀螺儀和加速度記輸出信號(hào)，補(bǔ)償加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差及陀螺儀的漂移誤差，得到更優(yōu)的傾角值。

1.2.2.2 傳感器數(shù)據(jù)融合

針對(duì)加速度計(jì)靜態(tài)響應(yīng)好，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題，需采用低通濾波算法除去短時(shí)行快速變化的信號(hào)，保留長(zhǎng)時(shí)性緩慢變化信號(hào)。采用的方法是給變化較快的信號(hào)乘上較小的權(quán)重系統(tǒng)，以削弱突變信號(hào)對(duì)整體的影響。對(duì)于陀螺儀情況正好相反，采用高通濾波方法處理其數(shù)據(jù)，進(jìn)而抑制陀螺儀積分的漂移。

陀螺儀的高通濾波和加速度計(jì)的低通濾波兩部分恰好構(gòu)成一個(gè)互補(bǔ)濾波器，在通過(guò)四元數(shù)法進(jìn)行姿態(tài)解算，獲取精確的獨(dú)輪車(chē)實(shí)際傾斜角度值。其融合程序編程變量如圖5所示。

圖5 傳感器融合程序變量

3 平衡控制算法

將MPU6050陀螺儀來(lái)采集獨(dú)輪車(chē)的姿態(tài)信息，通過(guò)互補(bǔ)濾波、四元數(shù)法姿態(tài)解算后，得到實(shí)際精確的獨(dú)輪車(chē)傾斜角度值θact。再將獲取的實(shí)際傾斜角度值θact與目標(biāo)傾斜角度值θref相減，計(jì)算出誤差e(k)：

利用位置式PID控制算法計(jì)算直流無(wú)刷電機(jī)的控制力矩u(k)[6,7]：

其中Kp為比例系數(shù)，Ki微積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)；u(k)是第k個(gè)采樣時(shí)刻的控制力矩，e(k-1)是第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的誤差，e(i)是第i個(gè)采樣時(shí)刻的誤差，i=0， 1，…，k。具體算法流程如圖6所示，根據(jù)計(jì)算得到的直流無(wú)刷電機(jī)控制力矩u(k)，輸出PMW控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

圖6 PID算法流程圖

經(jīng)過(guò)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)自平衡獨(dú)輪車(chē)，85kg的人可以上15°的坡，時(shí)速可達(dá)16公里每小時(shí)，控制板峰值功率可達(dá)1000W，額定功率500W。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于PID算法的電動(dòng)自平衡獨(dú)輪車(chē)，選用DSP為主控芯片，通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)將加速度計(jì)和陀螺儀信號(hào)進(jìn)行融合，進(jìn)而精確判斷車(chē)輛傾角，運(yùn)用PID控制算法控制直流無(wú)刷電機(jī)，不僅形成閉環(huán)控制策略，形成穩(wěn)定快速的動(dòng)態(tài)平衡響應(yīng)，而且可以使控制板電流達(dá)到60A，控制板可靠性強(qiáng)，魯棒性好，控制穩(wěn)定。

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Design of electric self-balanced wheelbarrow based on PID algorithm

ZHEN Sheng-chao, GAO Yuan, HUANG Kang, ZHANG Zhao, YANG Pei-dong

TP249

：A

：1009-0134(2017)05-0144-03

2017-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51505116）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（JZ2016HGTB0716）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（201510359008）；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2016M590563）

甄圣超（1988 -），男，安徽合肥人，講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及不確定系統(tǒng)控制方法。