路成強(qiáng)，曾 潔，李千振

(大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

基于卡爾曼濾波的兩輪自平衡遙控小車(chē)設(shè)計(jì)

路成強(qiáng)，曾 潔，李千振

(大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

針對(duì)現(xiàn)有兩輪自平衡遙控小車(chē)系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳、實(shí)現(xiàn)功能單一、車(chē)體擺動(dòng)幅度過(guò)大等不足，提出了兩輪自平衡遙控小車(chē)改進(jìn)方案。采用STM32F103單片機(jī)作為主控器，移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，選擇直流電機(jī)、傳感器以及外圍電路，設(shè)計(jì)了兩輪自平衡遙控小車(chē)的硬件控制部分。利用MPU6050模塊實(shí)時(shí)獲取小車(chē)的當(dāng)前運(yùn)行姿態(tài)，經(jīng)卡爾曼濾波處理位姿信息后發(fā)送給主控器，隨后利用線性PID控制算法調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的直立平衡行走。搖桿電位器結(jié)合無(wú)線通信模塊可遠(yuǎn)程遙控小車(chē)，利用超聲波傳感器和GSM模塊實(shí)現(xiàn)避障和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)TFT彩色液晶屏和藍(lán)牙手機(jī)客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，小車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、功能多元、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了自平衡遙控理論的擴(kuò)展，在機(jī)器人領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

STM32F103; 卡爾曼濾波; 線性PID; 雙閉環(huán)控制; 無(wú)線通信; 遠(yuǎn)程遙控

0 引言

隨著科技的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)，兩輪小車(chē)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。兩輪小車(chē)在移動(dòng)機(jī)器人基礎(chǔ)上逐漸探索研究，其本質(zhì)是自主移動(dòng)機(jī)器人，主體結(jié)構(gòu)類(lèi)似于倒立擺系統(tǒng)[1]。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)的進(jìn)步而快速發(fā)展，我國(guó)關(guān)于兩輪小車(chē)的研究正處于飛速發(fā)展的初期階段，開(kāi)展此項(xiàng)研究對(duì)其構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，依賴(lài)自平衡理論實(shí)現(xiàn)控制，將對(duì)于提高我國(guó)在該領(lǐng)域的科研水平具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本文在對(duì)現(xiàn)有兩輪小車(chē)技術(shù)總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，從電子器件選擇、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法應(yīng)用等方面進(jìn)行改進(jìn)，完成了本系統(tǒng)的總體方案。該小車(chē)在穩(wěn)定性和多功能性等方面均有良好的表現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體平衡原理與運(yùn)動(dòng)分析

1.1 兩輪自平衡小車(chē)平衡原理

兩輪自平衡小車(chē)是一個(gè)高度不穩(wěn)定系統(tǒng)。自平衡原理主要描述小車(chē)在運(yùn)動(dòng)情況下如何動(dòng)態(tài)地調(diào)整姿態(tài)使其平衡。理想狀態(tài)下，小車(chē)重力方向和地面對(duì)小車(chē)支持力方向相反，角度相差180°，φ角度為0°，此時(shí)系統(tǒng)受力均衡，小車(chē)保持直立平衡狀態(tài)。但實(shí)際情況下，角度不會(huì)為0°，小車(chē)重力方向和地面對(duì)小車(chē)支持力方向總是不處于一條直線，合力也不為0。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律可知，小車(chē)會(huì)有前傾或后仰的趨勢(shì)，導(dǎo)致角度越來(lái)越大。當(dāng)小車(chē)呈現(xiàn)后仰的傾向狀態(tài)，達(dá)到一定程度后，如果可以改變小車(chē)讓它有后退的傾向狀態(tài)，則使小車(chē)后退產(chǎn)生前傾的趨勢(shì)去及時(shí)糾正原來(lái)小車(chē)前進(jìn)過(guò)程中后仰的傾向狀態(tài)；當(dāng)小車(chē)呈現(xiàn)前傾的狀態(tài)，同理即可。兩種狀態(tài)在行進(jìn)中循環(huán)往復(fù)，則小車(chē)在豎直方向上就會(huì)實(shí)時(shí)保持動(dòng)態(tài)直立平衡狀態(tài)。

1.2 兩輪自平衡小車(chē)遙控原理

搖桿電位器結(jié)合兩個(gè)無(wú)線通信模塊NRF24L01來(lái)控制小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中一直保持平衡穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。例如向前推動(dòng)控制桿，無(wú)線通信模塊發(fā)射方將模擬量的變化傳輸?shù)浇邮辗?，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)給主控器。主控器依據(jù)程序改變速度給定值，速度的反饋值和給定值會(huì)產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致車(chē)體前傾。MPU6050模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)到車(chē)體角度變化信息后傳送到主控器。主控器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩來(lái)維持小車(chē)平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程遙控功能。

1.3 兩輪自平衡小車(chē)運(yùn)動(dòng)分析

小車(chē)在保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下，完成靜止、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等復(fù)雜動(dòng)作。小車(chē)的兩個(gè)車(chē)輪是維持小車(chē)直立行走的動(dòng)力來(lái)源，分別由兩個(gè)直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。從控制角度分析，控制對(duì)象是兩輪小車(chē)，控制輸入量是兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。兩輪小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以分為三個(gè)子系統(tǒng)[2]。

(1)小車(chē)平衡控制系統(tǒng)。

小車(chē)實(shí)時(shí)姿態(tài)信息作為輸入量，保持小車(chē)處于動(dòng)態(tài)直立平衡狀態(tài)是首要任務(wù)，而小車(chē)平衡狀態(tài)是通過(guò)系統(tǒng)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)控制兩個(gè)直流電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)抵消傾斜的趨勢(shì)?？刂菩≤?chē)平衡狀態(tài)穩(wěn)定條件有：

① 利用MPU6050傳感器精確測(cè)量小車(chē)傾角和傾角速度的大小。

② 通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)控制，以控制車(chē)輪的加速度為主要最終目的。

(2)小車(chē)速度控制系統(tǒng)。

通過(guò)車(chē)體傾角和車(chē)輪速度共同控制兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，在保持自平衡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)速度。車(chē)輪速度控制需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，車(chē)體傾角的變化由MPU6050模塊直接測(cè)得Y軸的角速度和角加速度。小車(chē)角度和速度控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 角度和速度控制系統(tǒng)框圖

圖1中：K1和K2分別為角度控制中微分控制參數(shù)和比例控制參數(shù)；K3和K4分別為速度控制中比例控制參數(shù)和微分控制參數(shù)。

利用微分控制的目的是增加車(chē)模角度和速度的穩(wěn)定性，防止控制超調(diào)。

(3)小車(chē)方向控制系統(tǒng)。

主控器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)控制兩個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得左右車(chē)輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)差速來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)方向的控制。實(shí)際過(guò)程中，由于小車(chē)負(fù)載較大，行進(jìn)過(guò)程存在較大慣性，為防止小車(chē)方向控制中過(guò)沖現(xiàn)象發(fā)生，增加了微分控制環(huán)節(jié)來(lái)對(duì)電機(jī)差動(dòng)控制量進(jìn)行修正；依據(jù)小車(chē)差動(dòng)控制方案，小車(chē)方向控制還需簡(jiǎn)單的比例控制；為防止出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象而導(dǎo)致電機(jī)的響應(yīng)速度降低，則將積分控制環(huán)節(jié)舍棄[3]。

小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總框圖

綜上所述，小車(chē)平衡和方向控制系統(tǒng)是用PD控制算法控制電機(jī)的輸出電壓來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制目的；而小車(chē)速度控制系統(tǒng)也是用PD控制算法，但是通過(guò)調(diào)節(jié)小車(chē)的傾角大小實(shí)現(xiàn)控制目的。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件控制系統(tǒng)

兩輪自平衡遙控小車(chē)的硬件系統(tǒng)包括：主控器、電源模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)無(wú)線通信模塊、MPU6050模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。STM32F103RCT6作為系統(tǒng)的主控器，采用超聲波傳感器和GSM模塊實(shí)現(xiàn)避障和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，被測(cè)得的數(shù)據(jù)利用薄膜晶體管(thin film transistor,TFT)液晶屏實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能。利用GSM模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)短信發(fā)送功能，搖桿電位器結(jié)合無(wú)線通信模塊NRF24L01遠(yuǎn)程遙控小車(chē)，最終實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡遙控小車(chē)系統(tǒng)整體功能。小車(chē)硬件控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 硬件控制系統(tǒng)框圖

2.2 主控器電路

選擇STM32F103RCT6作為主控器，這是一款由意法半導(dǎo)體公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的新型32位嵌入式微處理器，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，可以產(chǎn)生多路PWM控制電機(jī)。其具有超低功耗、極低成本、高性能、穩(wěn)定性極強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]，提高了對(duì)工作模式選擇的快速回應(yīng)及對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)完成多項(xiàng)復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理。

2.3 數(shù)據(jù)無(wú)線通信電路

文獻(xiàn)[15] 為準(zhǔn)確估計(jì)內(nèi)蒙河套灌區(qū)灌溉水入滲補(bǔ)給地下水量，采用試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別根據(jù)灌水前后地下水位變化和土壤含水率變化計(jì)算了灌溉水入滲補(bǔ)給地下水系數(shù)，得到作物生育期(最大灌水量183.72 mm)灌溉補(bǔ)給地下水系數(shù)為15%，秋澆灌溉(灌水量491.00 mm)補(bǔ)給地下水系數(shù)為30%。河套灌區(qū)地下水位埋深相對(duì)較淺，通過(guò)灌水前后的土壤含水率變化情況和數(shù)值模擬結(jié)果顯示：灌水2～4 d補(bǔ)給地下水量達(dá)到最大，8～10 d后即完成對(duì)地下水的入滲補(bǔ)給，不同灌水量灌溉水入滲規(guī)律基本一致，入滲補(bǔ)給量和入滲時(shí)間與灌溉水量直接相關(guān)。

無(wú)線通信模塊可實(shí)現(xiàn)兩輪小車(chē)與控制平臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輪小車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。第一種情況：無(wú)線通信模塊采用NRF24L01，它采用通用的四線SPI接口與主控器通信[5]，結(jié)合搖桿電位器傳輸?shù)哪M信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳遞給主控器，然后主控器及時(shí)改變速度給定值來(lái)達(dá)到小車(chē)的遠(yuǎn)程遙控功能。第二種情況：無(wú)線通信模塊采用HC-05藍(lán)牙模塊，通過(guò)設(shè)置AT指令使其配置為主模塊，與手機(jī)藍(lán)牙串口助手配對(duì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)上，可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

2.4 MPU6050模塊電路

姿態(tài)采集模塊采用MPU6050。該模塊是一款整合性的六軸運(yùn)動(dòng)處理器。它整合三軸陀螺儀和三軸加速度器數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)獲取小車(chē)的當(dāng)前運(yùn)行姿態(tài)；然后通過(guò)卡爾曼濾波對(duì)測(cè)得的Y軸角速度和角加速度濾波和解耦，選定正確的狀態(tài)變量，從而得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的傾角和傾角速度；將位姿信息經(jīng)外部設(shè)備電路傳給主控器，避免了陀螺儀與加速度器組合時(shí)的軸間差的問(wèn)題。

2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

采用A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711，它內(nèi)部集成穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快及抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，獨(dú)特之處是所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程操作。輸入開(kāi)關(guān)設(shè)定通道A，模擬差分輸入直接與橋式傳感器的差分輸出相接，經(jīng)過(guò)128倍增益放大后，差分輸出電壓傳輸給主控器。

2.6 GSM短信模塊電路

采用型號(hào)YD-SIM900A的GSM短信模塊，以短消息形式對(duì)指定手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；贕SM模塊的短消息功能的串行口，可以用來(lái)控制指定的手機(jī)快速、可靠地實(shí)現(xiàn)個(gè)人用戶(hù)信息處理等功能。該短信系統(tǒng)由控制中心和顯示屏組成，控制中心實(shí)時(shí)將最新接收的信息內(nèi)容發(fā)送到顯示屏，構(gòu)成控制中心與顯示屏端的通信鏈路[6]。主控器通過(guò)與GSM短信息有關(guān)的AT指令給指定手機(jī)發(fā)送被測(cè)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)小車(chē)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的功能。

2.7 超聲波避障電路

(1)

式中：V為小車(chē)行駛速度；L為小車(chē)行駛距離。

進(jìn)而主控器判斷小車(chē)是否在安全距離范圍之內(nèi)，再進(jìn)一步有效調(diào)節(jié)控制車(chē)輪的轉(zhuǎn)向。

由于超聲波是一種聲波，其聲速與溫度有關(guān)，如溫度每升高1 ℃，傳播速度增加約0.6 m/s。綜合考慮溫度補(bǔ)償，利用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行測(cè)量，以避免溫度因素對(duì)測(cè)量的誤差影響，實(shí)現(xiàn)了速度的精準(zhǔn)測(cè)量。若現(xiàn)場(chǎng)溫度為W時(shí)，超聲波傳播速度的計(jì)算公式[9]為：

V≈331.5+0.607W

(2)

得到超聲波傳播速度后，再精確計(jì)算超聲波模塊距離障礙物的距離。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 線性PID控制算法

采用線性PID控制算法，保證系統(tǒng)處于閉環(huán)控制狀態(tài)，并準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)置的平衡狀態(tài)。直流電機(jī)的速度閉環(huán)控制和小車(chē)的傾角閉環(huán)控制，共同構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。PID算法的輸入是傳感器獲取的角度和角速度值的偏差值，輸出是電機(jī)的PWM占空比值，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，進(jìn)而調(diào)整角度值的偏差，使得角度值趨近系統(tǒng)平衡零點(diǎn)[10]。PID控制器是一種線性控制器，且整個(gè)系統(tǒng)中存在誤差計(jì)算，則采用增量式PID控制算法，其控制公式為：

(3)

式中：Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；u0為系統(tǒng)初始輸出值；e(k)為k時(shí)刻偏差值；u(k)為k時(shí)刻PID控制器的輸出，T為采樣周期。

3.2 卡爾曼濾波融合算法

卡爾曼濾波的基本思想是：采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，從而得出現(xiàn)時(shí)刻的估計(jì)值[11]?？柭鼮V波原理如圖4所示。

圖4 卡爾曼濾波原理圖

選用MPU6050作為兩輪小車(chē)姿態(tài)采集傳感器，由于傳感器采用數(shù)字I2C接口讀取數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)比A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)會(huì)更精準(zhǔn)穩(wěn)定。MPU6050傳感器采集回來(lái)的數(shù)據(jù)具有較大的擾動(dòng)，小車(chē)控制系統(tǒng)不應(yīng)該直接采用捕獲的數(shù)據(jù)，需經(jīng)卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，最終準(zhǔn)確計(jì)算小車(chē)的傾角θ。已知傾角速度和傾角存在導(dǎo)數(shù)關(guān)系，θ可作為狀態(tài)向量；加速度計(jì)估計(jì)陀螺儀的偏差δ，將δ作為另一狀態(tài)向量[12]，則有：

(4)

式中：ωgyro為陀螺儀測(cè)量值；ωg為陀螺儀的測(cè)量噪聲；θacce為加速度計(jì)測(cè)量值轉(zhuǎn)化后的角度；ωa為加速度計(jì)的測(cè)量噪聲；ωa和ωg為相互獨(dú)立的零均值高斯白噪聲。

4 結(jié)果分析

4.1 傾角測(cè)量與調(diào)試

當(dāng)小車(chē)傾斜時(shí)，由受力分析可知，重力加速度g在Y軸方向有加速度分量，于是Y軸輸出電壓不為0，則電壓變化量Δu為：

Δu=kgsinθ≈kgθ

(5)

由電壓變化量Δu得出小車(chē)傾角θ的度數(shù)。但小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)有很大干擾，還需要和陀螺儀測(cè)量的傾角速度進(jìn)行積分得出角度后對(duì)比校正，最終得出穩(wěn)定準(zhǔn)確的傾角值。多次實(shí)際調(diào)試，角度控制中比例控制參數(shù)等于155，微分控制參數(shù)等于0.7。

4.2 速度測(cè)量與調(diào)試

將計(jì)數(shù)器安裝在電機(jī)輸出軸的光電編碼盤(pán)上，在速度控制周期間隔100 ms內(nèi)讀取出光碼盤(pán)脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行累加，從而計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。為了減小安裝光碼盤(pán)帶來(lái)的誤差，小車(chē)速度采用兩個(gè)電機(jī)速度的平均值。速度控制中包括比例和微分控制參數(shù)，而比例和微分定義是指反饋速度而言，如果相對(duì)于車(chē)模的反饋位置(速度的積分量)，這兩個(gè)參數(shù)可分別對(duì)應(yīng)稱(chēng)作積分和比例控制參數(shù)。多次實(shí)際調(diào)試，速度控制中積分控制參數(shù)等于0.18，比例控制參數(shù)等于3.2。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了兩輪自平衡遙控小車(chē)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，分析了兩輪小車(chē)自平衡原理、遙控原理和三個(gè)運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)，逐步完成了硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)。采用線性PID控制算法和卡爾曼濾波，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的遠(yuǎn)程遙控、監(jiān)測(cè)和避障功能。兩輪遙控小車(chē)可作為電子設(shè)計(jì)作品、試驗(yàn)研究模型、高檔玩具等，也可適用于狹小空間探索、復(fù)雜地形偵查、危險(xiǎn)物品運(yùn)輸?shù)葠毫迎h(huán)境?；诳刂谱云胶饫碚撛O(shè)計(jì)的小車(chē)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 袁帥.兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

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DesignofTwo-WheeledSelf-BalancingRemoteControlCarBasedonKalmanFilter

LU Chengqiang,ZENG Jie,LI Qianzhen

(School of Electrical and Information,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

For the inadequacies of the existing two-wheeled self-balancing remote control car system, such as the poor stability, the single realization function and the large swing range of car body, an improved scheme of self-balancing remote control car is proposed.Firstly, using STM32F103 microcontroller as the main controller, transplanting the real-time operation system μC/OS-II, choosing DC motors, sensors and external circuits, and hardware control part of the two-wheeled self balancing car is designed.Secondly, MPU6050 module is used to obtain the current running posture of the car in real time, and kalman filter is given to deal with the posture information to transmit to the main controller.Then the linear PID controller is employed to adjust the motor speed.And combined with double close-loop controller, the balance of the car walking upright is achieved.Thirdly, the rocker potentiometer combined with wireless communication module can remote control car.Integrating ultrasonic sensors and GSM module, some functions can be realized, for example, obstacle avoiding and remote monitoring.Human-computer interaction function is realized through the TFT color LCD screen and bluetooth mobile phone client.Finally, the experiment results demonstrate that the car runs extremely smoothly and realizes the diversitied function, and the anti-interference ability is strong.It has the features of high accuracy and high stability, and the expansion of self-balancing remote control theory is realized.This possesses wide application prospects in robotics field.

STM32F103; Kalman filter; Linear PID; Double close-loop controller; Wireless communication; Remote control

TH-39; TP249

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709011

修改稿收到日期:2016-12-09

路成強(qiáng)(1993—)，男，在讀碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、智能機(jī)器人及控制技術(shù)方向的研究。 E-mail:2305999283@qq.com。 曾潔(通信作者)，男，碩士，教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、智能交通與車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向的研究。 E-mail:zyz@djtu.edu.cn。