随着科技的发展, 两轮直立车的应用越来越广泛。采用飞思卡尔的D型车模, 核心控制板为K60, 设计完成了直立模块, 速度模块, 电源模块和其他部分, 利用软件编程实现了两轮车的直立和自动循迹。
一、系统直立控制
(一) 广义上的直立原理
将一个木棍竖立在手掌中, 通过观察木棍倾斜的方向和倾斜角度大小, 控制手掌跟随木棍向同一方向移动, 就可以抵消木棍的倾斜, 从而保持木棍直立。车模只会在一个维度上进行倾斜, 只要用上述的负反馈机制控制电机抵消车模的倾斜就可以保持车模直立了, 但如何使得车模又快又稳的稳定在我们所需要他直立的位置呢?
下面引入单摆模型:
摆锤离开平衡位置后, 会受到重力和绳子牵引力的合力, 使摆锤摆动起来, 这个力称为回复力:
F≈-mgsinθ
在偏移量较小的情况下, 摆锤所受到的回复力与倾斜角度大小成反比, 方向相反, 在回复力的作用下摆锤会左右周期性摆动。同时, 摆锤在运动中, 会受到空气阻力的影响, 最终又回到垂直位置。摆锤所受到的空气阻力和摆锤角速度大小成正比, 方向相反。
通过以上分析:我们可以得出两个让单摆稳定在垂直状态的原因:
1. 受到与倾斜角度相反的回复力。
2. 受到与角速度方向相反的阻力。
(二) 车模直立的控制原理
类似于摆锤的垂直位置, 我们称车模直立的位置为机械零点。也即在不借助任何外力和电机转动情况下, 能自己站立起来, 此时小车姿态相对于空间来说就是机械零点。没有机械零点的车无法保持原地直立, 所以我们通过合理摆放电路板, 传感器, 电池等器件, 使车模拥有机械零点。良好的机械设计是直立车稳定运行的基础。同摆锤模型一样, 当车模脱离机械零点时, 需要一个回复力, 这里的回复力是电机作用轮胎和角度大小成正比的力, 再加上人为添加与角速度成正比的阻力效应, 就可以使小车稳定的直立了。这样的控制原理也就是自动化中的PID了。可以看到回复力的大小是根据车模偏移的角度得出的。所以采用加速度计和陀螺仪这两个传感器来测量角度。
二、系统速度控制
速度控制原理:
速度控制是要在直立控制的基础上实现的, 在速度的控制过程中, 车模也要始终保持直立。初始设置一个目标倾角, 如果设置的目标倾角和机械零点不一致, 想要保持直立就会倾斜。倾斜后, 小车的受力情况发生变化, 电机开始作用, 车模开始加速跑, 跑到最大速度后, 小车再次受力平衡, 此时车模不再加速, 保持匀速。
选择合适的参数, 使得车模车速稳定, 且起步很快。调节参数可以采用动态调节的方法。选择在开阔地, 让蓝牙UART串口传输实时速度, 给定一个目标速度, 逐渐增大p的值, 使得车模能很快的达到最高速度, 并稳定下来, 再加i使得速度稳定在目标速度上。好的速度控制是完美转向的前决条件。
三、系统转向控制
(一) 图像的处理
实现车模的转向控制才是保证车模完成赛道任务的关键。我们采用ov7725数字摄像头, 将其安装在车中心探出来的15cm碳素纤维杆上, 对赛道信息进行实时的收集。
(二) 差值转向
车模的转向是通过两轮的差值来控制的, 两轮一轮加速一轮减速实现转向的控制。通过PD控制得到方向控制信号。设定一个初始速度, 先令D为0, 调节P的值使得车模跑直线不抖, 过弯有较强控制能力, 当转向控制开始有过冲现象时, 再慢慢加D, 使得过弯顺畅, 这是最基本的转向控制。
在特定速度下的调的一组PD参数, 缺点是适应性差, 对匀速要求高, 表现为超速过弯会冲出赛道, 慢速过弯会内切。
因此, 我们需要使用分段控制的动态PD, 根据当前速度划分区间, 得出不同的PD组合参数, 这样得出的参数适应性较好, 能达到很好的控制效果。
四、直立、速度、方向的融合
三个控制的融合由系统的定时中断决定, 好的中断优先级设定和程序定时器能让系统有条不紊地运行。
优先级设定:摄像头场中断优先级最高;其次是DMA传输中断, 最后是PIT定时器中断。
在PIT定时器中, 角度融合和直立控制5ms一次, 速度采集和速度控制20ms一次, 转向控制50ms一次。
最终左右轮的电机输出为:
PWM_L_OUT=PID_ANGLE_OUT+PID_SPEED_OUT+PID_TRUN_OUT;
PWM_R_OUT=PID_ANGLE_OUT+PID_SPEED_OUT-PID_TRUN_OUT;
五、总结
经过大量的资料的查询和实验, 设计并实现了两轮小车的直立和自动循迹。通过摄像头, 加速度计, 陀螺仪和编码器等传感器, 利用PID控制理论, 结合直立控制, 速度控制和方向控制实现了原定目标。在不断的努力和改进中, 最终小车达到了2m/s, 并在全国大学生飞思卡尔智能车竞赛中获得较满意的成绩。
摘要：设计自动循迹的两轮直立车的运动控制系统, 从直立控制, 速度控制, 方向控制三个方面详细分析直立车的运动控制。使用加速度计和陀螺仪为传感器, 结合互补滤波得到加速度和角速度, 通道PID调节控制实现车模直立。采用编码器测速, 选择合适的PD参数, 使车模稳定。利用摄像头采集赛道中心线, 利用偏差算法实现两轮差速完成车模转向。经测试, 该系统具有较好的稳定性。
关键词：智能车,直立行走,PID控制
参考文献
[1] 智能车竞赛秘书处.直立车调试指南.2010.
[2] 赵岩.编码器测速方法的研究[D].长春:中国科学院研究生院 (长春光学精密机械与物理研究所) , 2002.
[3] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社, 2007.
[4] 吴苗苗, 沈世斌, 王亮等.基于CMOS摄像头的直立循迹智能车系统设计[J].自动化技术与应用, 2014, 33 (7) :21-25.