论文研究-用于物流领域的两轮自平衡小车系统设计 .pdf

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用于物流领域的两轮自平衡小车系统设计,黄康,蒋晓炜,本文介绍一种用于物流应用的两轮自平衡小车系统设计,系统以TMS320F28069型号DSP作为主控制芯片,使用六轴运动传感器MPU6050采集角度信��
山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 螺仪,可实现对各个方向角度和速度的解算。通过IC接冂可以进行三个方向的加速度信号 和角速度信号的读取。 要计算出车体的倾角,可以通过重力加速度在其他轴上产生的分量来计算出角度,但是 这个角度会受到车体运动加速度值所带来的误差,就会导致角度计算的精度不准;如果是通 70 过角速度信号计算则可避兔小车运动的影响,可以将角速度值进行积分得到角度值,但是积 分运算会将角速度信号中的瞬时偏差不断累积,同样没法得到准确的角度值 鉴于这两种方式单独计算角度效果都不是很理恕,我们这里釆用软件上的融合算法将两 种方法计算得到的角度值进行卡尔曼滤波,使得多个传感器信息互补,以计算得到稳定可 靠的角度值用」平衡控制 75 电机驱动模块 电机驱动芯片采用美国德州仪器公司的DRV8833系列驱动芯片,驱动芯片采用11(关 国德州仪器)公司的DRV8833系列驱动芯片,支持2A低电压双路刷式直流电机的驱动, 每个H桥的输出驱动器模垗山配置为H桥的N沟道功率 MOSFET组成,用于驱动电 机绕组。每个H桥均具备调节或限制绕组电流的电路。同时提供了一种低功耗休眠模式 宽电源电压范围:2.7V至10.8V。DRⅴ8833能够同时驱动两路直流电机,如图2所示,通 过四路PWM信号的输入来实现电机的正反转及调速控。 SLEEP AiN HOTI AIN AISEN YINT MU% N1) CIMUT2 BUTN2一E 1FA55 BNI 图2电机驱动模块原理图 Fig. 2 Motor drive module schematic 85 蓝牙串口模块 通过蓝牙串口我们可以观测车轮的速度等信息,蓝牙串口采用的是德州仪器的CC2541 系列芯片,支持AT指令,功耗低,收发灵敏性高,只有宽泛的电源电压范围,不使用外部 前段而支持长距离应用,可以通过监牙40协议快速地与手机、电脑等设备建立链接,从而 接收串行数据,实现手机APP监牙远程遥控 90 线性图像识别模块 线性图像识别模块主要使用的是TAOS公司的TSL1401芯片,其内部包含有128个光 电二极管,光照射在光电二极管上产生光电流,光电流被积分电路积分,在采样器件,积分 电容的一端被接到输出端,积分后的输出电压与该点的光强和积分时间成正比。因此在积分 时间一定的情况下,我们通过AD采样得到128个像素点的电压值,光线越强的点,电压值 95 越髙,越屴的点电压值越低,我们铺改黑线白色背景的轨迹,两者光线反射强度差别较大, 3 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 因此能从像素点信息中提取岀轨道信息,从而实现轨道路径的识别。 控制思路与实现方法 轴运动处理传感器 轴运动处理传感器 信号处理电路 主控芯片 直流电机驱动电路 电机 直流电 直流电机编码器信号 直流电机编码器信号处 理电路 100 图3系统控制框图 Fig 3 System control block diagram 两轮平衡车的机械结构原理来自与舆型的一级倒立摆模型控制起来也较为类似,整个 系统通过陀螺仪加速度计传感器的数据计算到角度,根据编仁器信号计算岀速度信息,角度 和速度作为系统输入量给到控制芯片计算出电机的控制量,最后以PWM信号的方式输出给 05 驱动芯片,驱动执行部件——有刷电札进行运动通过状态反馈建立一个闭坏系统。 基础平衡计算由角度偏差值计算得到,但平衡量不足以维持平衡,加入速度控制量与转 向控制量,三者线性叠加得到最终的电机PWM控制量进行输出。 手机蓝牙发送来的控制信号通过串口中断接收,在速度控制量计算时介入,定速自主寻 迹则通过图像采集模坎得到的电压值进行中线识别,在转向控制量计算出两轮的电机差速 PWM控制量,自主寻迹与APP控制两种模式不同时执行。 系统初始化 进行系统中断的配置,全局中断的开启,IO初始化,PWM初始化,QEP初始化,IC 通讯的初始化以及MPU6050的初始化,最后打廾 Timer0的中断及串口中断。 串囗中断程序 115 根据蓝牙串凵接收到的指令,用于实现设置相应的如前进、转向、调速、停止等运动执 行标忐位以及模式切换的功能,运动执行标忐位作为速度控制量或转向控制量计算时的参考, 从而实现基本的运动的控制以及系统的启停;模式切换用于上中断中选择算法的执行种类, 实现不冋功能及情景上的运动控制。 主中断程序 120 系统主要程序的运行需要精确的时钟周期来保证平衠控制的稳定运行,这里我们用到的 是单片机的定时器 Timers来实现5ms为周期的陀螺仪信号读取,编码器信号读取,PWM 控制量的计算,启停信号的检测以及摄像头信号的读取和中线值的计算的一个过程。具体中 断流程如下图。 4 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 进入三中断 读取所需方向 MPU6050角度值与 加速度值 卖取编码器信息并 计算速度值 否按受到启动 指令 跟随模式 式判断 CCD循迹模式 距离传感器电平采样 APP蓝牙控制模式 CCD传感器电压采样 距离计算,差速计算 平衡控制量计算 轨迹中值计算 平衡、速度、转向 平衡、速度、转向 控制量计算 速度控制量计算 控制量计算 最终控制量 转向控制量计算 最终控制量 最终控空制量 动条件是否满足 PWM赋值 125 图4主中断流程图 Fig 4 Flow chart of main interrupt 进入定时器中断程序后我们首先是读IC接口的陀螺仪角度及角速度数据,用于后面平 衡控制量的计算,读取QFP接口的编码器信息计算出速度,用于后面速度控制量的计算, 然后判断按键标志位或者蓝牙接收的启动标志位,如果顺利检测到就进行下面的模式选择及 控制量计算。 对于平衡控制量的计算用到的是MPU6050反馈的轮轴垂直面的角度值和角速度值计算 出要施加在电机上和倾角成止比的回复力和与角速度成止比的阻尼力,其计算公式如下: K10+K20 如此形成了一个简单的PD控制器。K1θ是比例控制部分K2是微分控制部分。其中微 135 分参数相当」阻尼力,可以有效抑制小车震荡。PID控制策略结构简单,稳定性强。 山国利技论文在线 http:/www.paper.edu.cn KP1 int16 Product Data Type Conversion Balance WiLl ZHONGZHI Turnoff Fla Turn off 图5平衡控制樸型 Fig. 5 Model of balance control 根据这一原理我们建立PID模型如图所示,将角度值 Angle In与我们规定的平衡位 140 置角度 ZHONGZHI做偏差处理后代入比例运算,对角速度值 Gyro In代入微分运算,此外 对角度值进行阈值检测,判断是否置位电机停止的 Turnoff Flag标志位。 速度控制作为平衡控制的补充,简单分析运动特性我们知道其变化规律为正反馈,从速 度偏差到计算电机控剝量相对来说较为复杂,这里運过 Simulink建立控制模型如卜: Movement 0.2HP'odec3 Const? 145 图6速度控制模型 Fig 6 Model of speed control 由丁编码器信号存在噪声,这里采用的是門控制,冋时对速度值进行低通滤波,来减 缓速度值的变化,防止对直立控制产生干扰,积分项 Encoder Integra在检测到电机停止标 志位 Turnoff Flag后进行清零。其中当我们通过APP发送前后指令或者设定速度时,通过 150 在积分计算时融入 Movement值来实现速度的缓慢变化从而减少对平衡的影响。 转向控制较为简单,控饲过程为普通的负反馈,这里我们采用垂直地面的轴方向上的角 速度计算与0作偏差来进行P控制即可,转向控制量Tumn直接叠加在计算值中。 Turn Pwm=-Biasx Kp+Turn 寻迹功能通过安装在车体正前方的CCD图像传感器调整合适俯仰角对准黑线路径来实 现路径采样,由于CCD图像传感器的像素点对应的电压与其积分时间有关,积分时间过短 容易使得采样点的光强过低而导致检测不准确,引入到控制计算中即需要一定的读取间隔, 延长曝光周期到10-20ms较为合适,也就是主循环每执行2-4个周期时执行一次CCD曝光 及电压采样得到128个像素点的电压值,然后通过动态阈值算法,计算出黑线的判断戌值, 进行图像的二值化处理,找出黑线中线像素点,与64作偏差,从而计算出转向的控制量 l60 Turn CCD=Bias×Kp-gyro×Kd 山国利技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 结论 本文针对用于物流仓储搬运领域的两轮自平衡车的控制系统及应用设计进行了研究,给 岀了其硬件设计要求以及软件设计方案及模型的建并在相关控制芯片上进行了调试,实验表 65 明,小午运行平稳,寻迹准确,通过手机APP蓝牙遥控实现远程的载物运动控制,在物流 搬运行业有广泛的应用前景。 参考文献 l]闻双云两轮自平衡小车控制算法的研究与优化[D]吉林:青林大学,2017 [2]陈鵬展,朱年华.两轮自『衡车姿态检测与平衡控制[]控制工程,2017.08(24):1574-1578 3]戴福全,李济泽.两轮自平衡机器人转向稳定性优化研究.札械设计与制造,2017,04:256-258+262 [4]朱车,刘慧君.基丁卡尔曼滤波的自屮衡两轮电动车多传感器信息融合研究[.电气工栏学报, 2016,06(11)25-32 [5]杨华,吴敏基于ARM及蓝牙技术的智能搬运机器人[.数字技术与应用,2017,02:4-5. [6]林永軍耀佳.教学用两轮自平衡机器人系统设计叭白动化应用,2017,01:16-18. 175 [门]李杨,战艺两轮自平衡小车的建模与控制[J装备制造技术,2016,08:27-30 [8]刘志诚.论两纶自平衠机器人控制系统的设计与实现J.科技视界,2017,09:274 刂刘金琨先进PD控制 MATLAB仿真M北京,电子业出版社,2004 Ll0张仁尊.线性(Cn智能车的控制系统设计l山东农业大学学报(自然科学版),2016,09(14):1-4 7

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