1、電氣電子工程學(xué)院自主創(chuàng)新作品兩輪平衡小車摘 要兩輪自平衡小車具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動靈活的特點(diǎn)，適用于狹小和危險(xiǎn)的工作空間，在安防和軍事上有廣泛的應(yīng)用前景。兩輪自平衡小車是一種兩輪左右平衡布置的，像傳統(tǒng)倒立擺一樣，本身是一種自然不穩(wěn)定體，其動力學(xué)方程具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變、參數(shù)不確定性等特性，需要施加強(qiáng)有力的控制手段才能使其保持平衡。本作品采用STM32單片機(jī)作為主控制器，用一個(gè)陀螺儀傳感器來檢測車的狀態(tài)，通過dvr8800控制小車兩個(gè)電機(jī)，來使小車保持平衡狀態(tài)，通過2.4G模塊無線通訊進(jìn)行遙控來控制小車運(yùn)行狀態(tài)。關(guān)鍵詞：智能小車；單片機(jī)；陀螺儀。目錄一前言4一兩輪平衡車的平衡原理

2、42.1 平衡車的機(jī)械結(jié)構(gòu)42.2 兩輪車傾倒原因的受力分析52.3 平衡的方法5三系統(tǒng)方案分析與選擇論證63.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)63.1.1 主控芯片方案63.1.2 姿態(tài)檢測傳感器方案63.1.3 電機(jī)選擇方案73.2 系統(tǒng)最終方案7四主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)84.1.STM32單片機(jī)簡介（stm32rbt6）84.2.陀螺儀傳感器84.3TB661294.4編碼器94.5. 主控電路94.6 電機(jī)驅(qū)動電路10五系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)115.1 PID概述125.2 數(shù)字PID算法135.3 PID控制器設(shè)計(jì)14六硬件電路15七制作困難15八結(jié)論15九參 考 文 獻(xiàn)16一前言應(yīng)用意義。自平衡車巧

3、妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成為運(yùn)動動能的提供者，載重越大，行駛動能也就越大，具有環(huán)保的特點(diǎn)(胡春亮等，2007)。駕駛者不必?fù)?dān)心掌握平衡，車體自身的平衡穩(wěn)定性，使得原本由于平衡能力障礙而無法騎自行車的人群也同樣可以駕馭。車身小巧，轉(zhuǎn)彎靈活，可以在狹窄、大轉(zhuǎn)角的工作場合作業(yè)。自平衡車的種種優(yōu)點(diǎn)使其可以作為一種快速、環(huán)保、安全、舒適、小巧靈活的綠色交通工具，是未來汽車和自行車的替代品，其市場的廣闊性與經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。理論研究意義。自平衡車，在重力作用下車體姿態(tài)本征不穩(wěn)定，需要電機(jī)的控制來維持姿態(tài)的平衡，通過電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動車輪，傳感器、軟件、微處理器及車體機(jī)械裝置整體協(xié)調(diào)控制電

4、動車平衡，是集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜非線性系統(tǒng)，其控制難度大，控制算法復(fù)雜，給控制理論提出了很大的挑戰(zhàn)，具有較強(qiáng)的理論研究價(jià)值。一 兩輪平衡車的平衡原理2.1 兩輪車傾倒原因的受力分析兩輪車是一個(gè)高度不穩(wěn)定系統(tǒng)，在重力作用下車體姿態(tài)本征不穩(wěn)定，致使在沒有外加調(diào)控下必然傾倒的現(xiàn)象(張三川，2011)。其受力如圖2所示。圖2 平衡車受力分析圖理想狀態(tài)下，當(dāng)M(車體重力)的方向與H(車輪支持力)的方向相差180°時(shí)，系統(tǒng)此時(shí)受力平衡，可以達(dá)到穩(wěn)定不倒的狀態(tài)，角度為0°。但自然界存在各式各樣的干擾，角度總不為0，只要產(chǎn)生角，即使角度很小，

5、M的方向與H的方向亦產(chǎn)生了角度，合力不為0，根據(jù)牛頓運(yùn)動定律可知，角度將越來越大，直至車體傾倒在地上。2.2 平衡的方法從以上分析可得，導(dǎo)致車體傾倒的最大因素是角度的產(chǎn)生，因此，欲使小車平衡，需要消除或者將角度控制在一個(gè)足夠小的范圍內(nèi)。其整體控制環(huán)路圖3所示。圖3 小車平衡原理流程圖消除角度的有效方法，是通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動，帶動車體下部的移動，以保持與車體上部在一水平垂直線上。三系統(tǒng)方案分析與選擇論證3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1.1 主控芯片方案方案一：采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM32單片機(jī)作為主控芯片。此芯片是以ARM的Cortex-M系列為內(nèi)核的單片機(jī)，相對其他單片機(jī)，外設(shè)豐富，主頻高，價(jià)

6、格便宜，有專門的軟件庫，操作簡單，調(diào)試方便，低功耗。強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。方案三：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增強(qiáng)型51單片機(jī)作為主控芯片。此芯片內(nèi)置ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)和IIC總線接口，且內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，可達(dá)到1MPS。性價(jià)比低?？紤]到此系統(tǒng)的復(fù)雜度，需要與傳感器進(jìn)行IIC通訊，輸出靈活可控制的PWM信號，以及進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。從性能和價(jià)格上綜合考慮選擇方案一，即用STM32作為本系統(tǒng)的主控芯片，由于外設(shè)比較簡單，只需要IIC和PW

7、M通道，因此具體型號定位為STM32RBT6。3.1.2 姿態(tài)檢測傳感器方案方案一：使用加速度傳感器進(jìn)行傾角。重力加速度傳感器(g-sensor)能過輸出以其芯片為中心的三軸加速度，通過這三個(gè)軸的重力加速度便可以計(jì)算出芯片的傾角，即車體的傾角。該方案的優(yōu)點(diǎn)是重力加速度的靜態(tài)性能很好，在車體靜態(tài)下能測出準(zhǔn)確穩(wěn)定的傾角，而在動態(tài)下，三軸加速度各軸會受到其它加速度的影響，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)并不穩(wěn)定可靠。方案二：使用陀螺儀傳感器進(jìn)行測量。陀螺儀傳感器能輸出圍繞以芯片為中心的三個(gè)軸的角速度，通過讀角速度的積分，即可得出傾角。該方案的優(yōu)點(diǎn)是陀螺儀的動態(tài)性能很好，在動態(tài)下測出的角速度沒有太多的混雜成分，缺點(diǎn)是陀螺儀

8、具有靜態(tài)漂移，即靜態(tài)下，陀螺儀仍然會輸出數(shù)值，而積分卻一直在進(jìn)行，因此靜態(tài)時(shí)，測出來的角度并不是0°。方案三：加速度傳感器與陀螺儀傳感器結(jié)合，通過融合算法，提取出加速度傳感器的靜態(tài)效果和陀螺儀的動態(tài)效果。優(yōu)點(diǎn)是能測出準(zhǔn)確穩(wěn)定的傾角，但融合算法比較復(fù)雜。綜上考慮，由于準(zhǔn)確穩(wěn)定的傾角正是本文要討論的話題，因此最終選擇方案三，即加速度傳感器與陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)融合測量傾角。并為了簡化電路，最終選擇了均為IIC接口的陀螺儀傳感器L3G4200和加速度傳感器ADXL345。3.1.3 電機(jī)選擇方案方案一：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的選擇角度正比于脈沖數(shù)，有較寬的調(diào)速范圍，可以采用開環(huán)方式控制；步進(jìn)電機(jī)有

9、較大的輸出轉(zhuǎn)矩；有優(yōu)秀的起制動性能；控制精度較高，誤差不會累積。但是步進(jìn)電機(jī)步距角固定，分辨率缺乏靈活性，而且步進(jìn)驅(qū)動時(shí)容易造成車體震蕩，不利于小車的穩(wěn)定。步進(jìn)電機(jī)雖然可以使用細(xì)分驅(qū)動方式克服上述缺點(diǎn)，但是細(xì)分驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且功耗增大不適合用于電池供電的應(yīng)用上。方案二：直流有刷電機(jī)。直流有刷電機(jī)具有機(jī)械特性硬，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬的特點(diǎn)，滿足兩輪自平衡小車對靈敏性、快速性等要求，雖然電機(jī)的電刷會是電機(jī)的壽命縮短，還會引發(fā)電磁干擾。但是由于本設(shè)計(jì)負(fù)載較輕，換向器和電刷的損耗較低。小車采用多層機(jī)械結(jié)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動電路與其他電路分離，有效降低電磁干擾。綜上所述，本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)6V帶有減速齒輪的

10、直流有刷電機(jī)驅(qū)動兩輪自平衡小車。3.2 系統(tǒng)最終方案使用STM32RBT6為主控芯片，通過IIC接口讀取陀螺儀傳感器L3G4200和加速度傳感器ADXL345的數(shù)據(jù)，再將兩者數(shù)據(jù)融合測出小車的姿態(tài)，最終通過PID輸出PWM電機(jī)控制信號，由電機(jī)驅(qū)動完成對電機(jī)的控制。此外，為了調(diào)試方便，除了設(shè)計(jì)了上述給模塊外，還擴(kuò)展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調(diào)試，同時(shí)擴(kuò)展了串口電路，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將需要觀察的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)诫娔X上，以記錄數(shù)據(jù)和繪出數(shù)據(jù)波形，查看濾波和PID效果。系統(tǒng)方框圖如圖4所示。圖4系統(tǒng)方框圖四主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)4.1.STM32單片機(jī)簡介（stm32rbt6

11、）主控模塊的STM32單片機(jī)是控制器的核心部分。該單片機(jī)是ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低成本和低功耗的增強(qiáng)型單片機(jī)，它的內(nèi)核采用ARM公司最新生產(chǎn)的CortexM3架構(gòu)，最高工作頻率可達(dá)72MHz，256K的程序存儲空間、48K的RAM，8個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器、兩個(gè)看門狗和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，片上集成通信接口有兩個(gè)I2C、3個(gè)SPI、5個(gè)USART、一個(gè)USB、一個(gè)CAN、兩個(gè)和一個(gè)SDIO，并集成有3個(gè)ADC和一個(gè)DAC，具有80個(gè)I0端口。STM32單片機(jī)要求2.03.6V的操作電壓(VDD)，本設(shè)計(jì)采用5.0V電源通過移動電源給單片機(jī)供電。4.2.陀螺儀傳感器陀螺儀可以用來測量物體的

12、旋轉(zhuǎn)角速度。本設(shè)計(jì)選用MPU-6050。MPU-60X0 是全球首例9 軸運(yùn)動處理傳感器。它集成了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)動處理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。擴(kuò)展之后就可以通過其I2C 或SPI 接口輸出一個(gè)9 軸的信號（SPI 接口僅在MPU-6000 可用）。MPU-60X0 也可以通過其I2C 接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器MPU-60X0 對陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16 位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢

13、速的運(yùn)動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計(jì)可測范圍為±2，±4，±8，±16g。一個(gè)片上1024 字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz 的I2C 接口或1MHz 的SPI 接口（SPI 僅MPU-6000 可用）。對于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用，對寄存器的讀取和中斷可用20MHz 的SPI。另外，片上還內(nèi)嵌了一個(gè)溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動的振蕩器。芯片尺寸4³

14、;4³0.9mm，采用QFN 封裝（無引線方形封裝），可承受最大10000g 的沖擊，并有可編程的低通濾波器。關(guān)于電源，MPU-60X0 可支持VDD 范圍2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。另外MPU-6050 還有一個(gè)VLOGIC 引腳，用來為I2C 輸出提供邏輯電平。VLOGIC 電壓可取1.8±5%或者VDD。4.3TB6612 由于TB6612相對于傳統(tǒng)的L298N效率上提高很多體積上也大幅度減少，在額定范圍內(nèi)，芯片基本不發(fā)熱，所以我們設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇了這款芯片。4.4編碼器編碼器是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為

15、可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。4.5. 主控電路本設(shè)計(jì)的兩輪自平衡小車采用STM32F103R8單片機(jī)為主控芯片。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。ST

16、M32F103R8具有以下特點(diǎn)：采用ARM 32位Cortex-M3內(nèi)核，最高時(shí)鐘頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz,快速的指令執(zhí)行速度使主控芯片能夠運(yùn)行復(fù)雜的濾波和控制算法。提高控制器的實(shí)時(shí)控制能力。片內(nèi)高達(dá)64kB Flash和20kB SRAM，為復(fù)雜的算法程序提供足夠的存儲和運(yùn)行空間。兩個(gè)12位的16通道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),轉(zhuǎn)換速度高達(dá)1Msample/s，ADC支持規(guī)則轉(zhuǎn)換序列和注入轉(zhuǎn)換序列兩種轉(zhuǎn)換模式，支持DMA模式，轉(zhuǎn)換結(jié)果的搬運(yùn)不需要CPU干預(yù)，提高程序運(yùn)行效率。主控及其外圍電路如圖5所示圖5主控芯片及其外圍電路圖5中控制電路包括主控芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、模

17、擬電路供電電路。時(shí)鐘采用8MHz外部晶振作為時(shí)鐘源，通過主控芯片內(nèi)部PLL倍頻后使主控芯片運(yùn)行在72MHz。主控芯片為低電平復(fù)位，復(fù)位電路通過阻容電路構(gòu)成上電復(fù)位電路。芯片采用3.3V供電。最小系統(tǒng)還引出了不需要使用的SPI，IIC，UART等接口，方便后續(xù)功能的擴(kuò)張和調(diào)試。4.6 電機(jī)驅(qū)動電路本設(shè)計(jì)中使用減速直流有刷電機(jī)作為兩輪自平衡車的驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)采用H橋驅(qū)動方式，使用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓有效值，達(dá)到調(diào)速的目的7。電機(jī)驅(qū)動電路如圖6所示。圖6所示電路只給出了半橋驅(qū)動電路，H橋左右兩個(gè)橋臂電路完全相同。圖6電機(jī)驅(qū)動電路本設(shè)計(jì)采用MOSFET作為驅(qū)動電路的開關(guān)器件，MOSFET型號為

18、IRFR1205，開啟電壓最大值為VGS=4.0V，適合電池供電的應(yīng)用；在VGS=10V時(shí)，RDS=0.027，低導(dǎo)通電阻一方面提高開關(guān)效率，另一方面降低開關(guān)器件的發(fā)熱量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性(康少華等，2011)。由于主控芯片輸出信號高電平電壓值VOH=3.3V，不能直接驅(qū)動MOSFET導(dǎo)通，所以電路設(shè)計(jì)了半橋電路，高邊驅(qū)動電路由U1、D1和C1組成。U1使用International Rectifier公司的IR2302芯片，該芯片為專用的半橋驅(qū)動電路，IR2302支持輸出520V的開啟電壓，支持3.3V、5V和15V邏輯輸入。硬件集成100ns死區(qū)控制電路。五系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件總體流程如圖7

19、所示。圖7系統(tǒng)軟件總流程圖系統(tǒng)上電復(fù)位后便開始初始化各個(gè)功能模塊，并啟動了1ms定時(shí)，每1ms進(jìn)行一次姿態(tài)估算和PID控制，即1s內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行了1000次姿態(tài)調(diào)整。同時(shí)為了前期調(diào)試已經(jīng)查看數(shù)據(jù)，使用了主控的串口將程序中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如估算出的最終角度等，上傳到電腦，以觀察數(shù)據(jù)的特性，上傳周期為16ms。5.1 PID概述PID調(diào)節(jié)器是指按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制。在實(shí)際應(yīng)用中，在多數(shù)情況下，根據(jù)具體情況，可以靈活地改變PID的結(jié)構(gòu)，取其一部分進(jìn)行控制(楊德剛等，2010)。PID控制器的輸入輸出

20、關(guān)系為： (15)PID控制有模擬和數(shù)字控制方式：模擬方式采用電子電路調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中，將被測信號與給定值比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID電路運(yùn)算后送到執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，改變給進(jìn)量，達(dá)到調(diào)節(jié)之目的。數(shù)字方式用計(jì)算機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，輸出去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。比例控制對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響：增大時(shí)，將使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，偏大時(shí)，系統(tǒng)振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長；偏小時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度緩慢。選擇以輸出響應(yīng)產(chǎn)生4:1衰減過程為宜。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大Kp可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分時(shí)間對系統(tǒng)性能的影響：積分控制通常影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。太小使，系統(tǒng)不穩(wěn)定，且震蕩次數(shù)較多；太大時(shí)，

21、對系統(tǒng)的影響將削弱；合適時(shí)，系統(tǒng)的過度過程特性比較理性。積分控制有助于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。微分時(shí)間對系統(tǒng)性能的影響：微分作用的增強(qiáng)可以改善系統(tǒng)動態(tài)特性，如減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等，適當(dāng)加大比例控制，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度；另一方面微分作用會放大系統(tǒng)噪聲，降低系統(tǒng)抗干擾能力。微分環(huán)節(jié)的加入可以在誤差出現(xiàn)或變化瞬間，按偏差的變化的趨勢進(jìn)行控制。引進(jìn)一個(gè)早期的修正作用，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。5.2 數(shù)字PID算法數(shù)字PID算法為用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，用數(shù)值逼近和連續(xù)信號離散化實(shí)現(xiàn)的PID控制規(guī)律。有兩種實(shí)現(xiàn)方式：位置性數(shù)字PID、增量型數(shù)字PID。對于位置式PID算法，由于，位置性數(shù)字PID控制算法

22、如公式(16)所示： (16)對于增量式PID算法，由公式()可知： (17)結(jié)合公式(3-12)和(3-13)，可以得到增量式數(shù)字PID控制算法如公式(3-14)所示： (18)增量式數(shù)字PID算法不需要做累加運(yùn)算，計(jì)算誤差和計(jì)算精度問題對控制量的計(jì)算影響較??；位置性數(shù)字PID算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積誤差(王效杰，2006)。5.3 PID控制器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中使用雙環(huán)PID控制實(shí)現(xiàn)小車的平衡控制。信號流圖如圖8所示。角度環(huán)PID速度環(huán)PID電機(jī)小車轉(zhuǎn)速測量測量傾角測量測量圖8 PID控制流圖本設(shè)計(jì)采用雙環(huán)PID控制，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，用于控制電機(jī)輸出，使車輪轉(zhuǎn)速與角度環(huán)輸出值

23、保持一致；外環(huán)為角度環(huán)，用于保持小車傾斜角度為0。圖中為系統(tǒng)輸入，即小車傾斜角度的目標(biāo)值，該值一直為0。為系統(tǒng)角度環(huán)輸出值，即小車電機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值。為輪子轉(zhuǎn)速，為小車實(shí)際的傾斜角度。為系統(tǒng)擾動輸入由于本設(shè)計(jì)采用鋰電池供電，電源的輸出功率有限，而且調(diào)整小車傾角時(shí)電機(jī)需要頻繁起制動，對電源功率要求較高，會引起電源較大幅度的擾動，所以在本系統(tǒng)中主要的擾動為電源電壓的擾動。內(nèi)環(huán)PID控制器控制流圖如圖9所示。微分系數(shù)比例系數(shù)積分系數(shù) 圖9速度環(huán)PID控制器控制流圖六硬件電路 首先通過Altium Designer畫圖軟件設(shè)計(jì)出電路PCB,然后發(fā)去PCB制造產(chǎn)打樣，得到PCB空板。從元器件市場購買所需零器

24、件，將其焊接于打樣所得的PCB空板上。接著分別測試電源電路，主控芯片最系統(tǒng)，傳感器模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊是否能正常工作。至此，硬件調(diào)試完成。七部分程序void PID_init(void)/小車平衡pid初始化pid_pingheng.p = 700; /750 pid_pingheng.i = 0; pid_pingheng.d = 1; /1pid_pingheng.out_max = 8000;pid_pingheng.out_min = -8000;/小車速度pid初始化 pid_speed.p = 180; / pid_speed.i = 4.5; / pid_speed.d = 0;

25、pid_speed.out_max = 8000; pid_speed.out_min = -8000;long speed(float chanshu ,float chanshu1 )long pwm,encoder_zhuo,encoder_you;encoder_zhuo=chanshu;encoder_you=chanshu1;if(encoder_zhuo>60000) encoder_zhuo=encoder_zhuo - 65534;if(encoder_you>60000)encoder_you=encoder_you - 65534;z = encoder_zh

26、uo;y = encoder_you;Encoder_Least =(encoder_zhuo+encoder_you)-0; /=獲取最新速度偏差=測量速度（左右編碼器之和）-目標(biāo)速度（此處為零） Encoder *= 0.7; /=一階低通濾波器 Encoder += Encoder_Least*0.3; /=一階低通濾波器 Encoder_Integral +=Encoder;/=積分出位 if(Encoder_Integral>pid_speed.out_max) Encoder_Integral=pid_speed.out_max; /=積分限幅 if(Encoder_Inte

27、gral<pid_speed.out_min) Encoder_Integral=pid_speed.out_min; /=積分限幅 pwm = (long)(pid_speed.p*Encoder) + (long)(pid_speed.i*Encoder_Integral); return pwm; s16 pingheng(float Angle,float Gyro)s16 pwm;Angle=Angle-2;PID_D=(s16)(pid_pingheng.d*Gyro);PID_P=(s16)(pid_pingheng.p*Angle);pwm=PID_P - PID_D;return pwm;八制作困難本作品制作過程中遇到了很多困難。在硬件方面，STM32燒壞好幾個(gè)，造成了經(jīng)濟(jì)損失，后來經(jīng)過檢查電路和改進(jìn)，能夠穩(wěn)定安全運(yùn)行。設(shè)計(jì)初期我們試驗(yàn)L298N作為電機(jī)驅(qū)動，發(fā)現(xiàn)反映過慢，后來改用TB6612，效果非常好。PID參數(shù)的調(diào)試花費(fèi)