兩輪自平衡遙控植保車的研發(fā)

史云天+吳光華

摘要：該文主要是對(duì)農(nóng)業(yè)植保平衡車的研究。本系統(tǒng)主要分為兩部分，分別為無(wú)線收發(fā)部分和智能控制部分。智能控制部分主要是使得小車能夠穩(wěn)定的行走。首先對(duì)卡爾曼濾波進(jìn)行研究，調(diào)節(jié)參數(shù)，使得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定，在進(jìn)行調(diào)節(jié)直立環(huán)pid，小車能夠直立行走，再進(jìn)行速度環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)和硬件調(diào)試，小車能夠穩(wěn)定的站立和行走。轉(zhuǎn)彎閉環(huán)調(diào)節(jié)，能夠使得轉(zhuǎn)彎時(shí)車身保持穩(wěn)定。無(wú)線接收部分主要是通過(guò)小車使用ppm調(diào)制方式，對(duì)小車進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制盒調(diào)試，使得平衡車能夠直立前進(jìn)和后退行走，轉(zhuǎn)彎行走和急停控制。在車身的前端加上噴灑裝置，使得車子能夠噴灑農(nóng)藥作業(yè)，車上會(huì)使用無(wú)線遙控，方便操作人員觀察前方的路況和觀察植保車的噴灑情況。

關(guān)鍵詞：馬農(nóng)業(yè)植保平衡車；卡爾曼濾波；pid；噴灑裝置

1 系統(tǒng)測(cè)量方案

系統(tǒng)主要有車體直立模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、噴灑模塊、無(wú)線視頻模塊。車體直立模塊主要包括角度測(cè)量模塊、加速度測(cè)量模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和主控制芯片模塊。無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)模塊主要發(fā)送控制車身各種指令，對(duì)車身進(jìn)行操控。噴灑模塊進(jìn)行噴灑作業(yè)，而無(wú)線遙控模塊方便操作人員進(jìn)行道路的觀察。

1.1 車身直立原理

卡爾曼濾波是采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型[1]，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)，求出現(xiàn)時(shí)刻的估計(jì)值。實(shí)質(zhì)是由量測(cè)值重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)向量。它以“預(yù)測(cè)—實(shí)測(cè)—修正”的順序遞推，根據(jù)系統(tǒng)的量測(cè)值來(lái)消除隨機(jī)干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，或根據(jù)系統(tǒng)的量測(cè)值從被噪聲干擾的系統(tǒng)中恢復(fù)系統(tǒng)的本來(lái)面目。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容[2]。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。

1.2 角度采集模塊

由圖1知道，enc-03供電電壓為3.3 v，為4腳芯片，分別為Vcc，GND，Vref，Out。此傳感器通過(guò)lm358將信號(hào)進(jìn)行放大，最后得到角度值。測(cè)量范圍在0-180°之間，我們規(guī)定基準(zhǔn)職位90°。

1.3 加速度傳感器

加速度傳感器我們采用的MMA7260，需要3.3 v的供電電壓，采用3軸加速度傳感器主要是為角度傳感器進(jìn)行校正，我們使用Z軸為方向軸，采集數(shù)據(jù)范圍為正負(fù)90°。輸出量為模擬量，通過(guò)單片機(jī)的ad功能進(jìn)行采集。如圖2所示為加速度傳感器電路[3]。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電源可以直接使用電池兩端的電壓。模型車在啟動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，一方面會(huì)對(duì)其它電路造成電磁干擾；另一方面由于電池內(nèi)阻造成電池兩端的電壓下降，甚至?xí)陀诜€(wěn)壓電路所需要的最低電壓值，產(chǎn)生單片機(jī)復(fù)位現(xiàn)象[4]。為了克服啟動(dòng)沖擊電流的影響，可以在電源中增加容值較大的電解濾波電容，也可以采用緩啟動(dòng)的方式控制電機(jī)[5]。在啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓有一個(gè)漸變工程，使得電機(jī)啟動(dòng)速度略為降低從而減小啟動(dòng)沖擊電流的幅度。

1.5 農(nóng)藥噴灑桿

此車主要用于農(nóng)藥噴灑和農(nóng)田灌溉，用多個(gè)噴灑頭能夠增加噴灑面積，減少噴灑次數(shù)。噴灑使用的是高壓力噴頭，在噴灑效果和效果方面增加了許多。

2 直立車算法

兩輪自平衡遙控植保車不僅需要外部的各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也需要相應(yīng)的算法來(lái)支持平衡車進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)[6]，采用的卡爾曼濾波pid調(diào)節(jié)，使得車模能夠很好的直立行走和完成各種指令動(dòng)作。

2.1 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計(jì)的最佳準(zhǔn)則，來(lái)尋求一套遞推估計(jì)的算法，其基本思想是：采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)刻地估計(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)，求出現(xiàn)時(shí)刻的估計(jì)值。實(shí)質(zhì)是由量測(cè)值重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)向量。它以“預(yù)測(cè)—實(shí)測(cè)—修正”的順序遞推，根據(jù)系統(tǒng)的量測(cè)值來(lái)消除隨機(jī)干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，或根據(jù)系統(tǒng)的量測(cè)值從被噪聲干擾的系統(tǒng)中恢復(fù)系統(tǒng)的本來(lái)面目[7]。

2.2 PID控制

PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差[8]。

積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

2.3 采樣時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響

采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，控制效果越接近連續(xù)控制。對(duì)大多數(shù)算法，縮短采樣周期可使控制回路性能改善，但采樣周期縮短時(shí)，頻繁的采樣必然會(huì)占用較多的計(jì)算工作時(shí)間，同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。而對(duì)有些變化緩慢的受控對(duì)象無(wú)需很高的采樣頻率即可滿意地進(jìn)行跟蹤，過(guò)多的采樣反而沒(méi)有多少實(shí)際意義。最大采樣周期根據(jù)耐奎斯特采樣定理可知[9]。

3 直立車程序

直力車的程序包括電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，角度傳感器采集程序[10]，加速度采集的程序，卡爾曼濾波的程序，PID調(diào)節(jié)的程序等，將這些程序綜合起來(lái)使得小車能夠直立行走。

3.1 采集程序

此部分程序主要是進(jìn)行加速度傳感器和角度傳感器的數(shù)據(jù)采集，選通兩路AD端口，采集回來(lái)的值通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的數(shù)量。

void Ad_data_proc（void）

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int i；

Acc_z_data=0；