一階小車倒立擺的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李豫南 郭夢(mèng)輝 閆德建 劉林博

摘要：倒立擺系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域，所以倒立擺系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了使一階小車倒立擺系統(tǒng)處于平衡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在主控模塊中采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控制器，并采用18650鋰電池提供電源且LM317穩(wěn)壓，通過(guò)MPU6050模塊陀螺儀和加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)車內(nèi)的傾角和加速度，用TB6612FNG驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，利用霍爾編碼器獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速。算法上是運(yùn)用了PI和PD串級(jí)控制，并對(duì)MPU6050采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)一階小車倒立擺系統(tǒng)的控制。

關(guān)鍵詞：小車倒立擺系統(tǒng);STM32單片機(jī);PID

1項(xiàng)目背景

小車倒立擺系統(tǒng)的特點(diǎn)是復(fù)雜、不穩(wěn)定和非線性，控制倒立擺系統(tǒng)的任務(wù)是使擺體不作大角度和大速度的擺動(dòng)，以達(dá)到平衡位置，然后系統(tǒng)克服擾動(dòng)保持穩(wěn)定。對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究可以反映許多典型的控制問(wèn)題，如非線性問(wèn)題、可靠性問(wèn)題、跟蹤問(wèn)題等。同時(shí)倒立擺系統(tǒng)具有重要的工程背景，在其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2硬件設(shè)計(jì)

圖1為一階小車倒立擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)主要包含了主控模塊、穩(wěn)壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和MPU6050模塊。

2.1主控最小控制系統(tǒng)

主控模塊是以 STM32F103C8T6為最小控制系統(tǒng)，它是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微型處理器，具有高性能、低成本的特點(diǎn)。STM32單片機(jī)通過(guò)調(diào)用多個(gè)內(nèi)部和外部模塊，對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在單片機(jī)的一塊液晶顯示屏上面顯示。

2.2穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊采用LM317集成電路，外形簡(jiǎn)單，具有輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)，同時(shí)還具有穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。 所以當(dāng)18650鋰電池為小車倒立擺系統(tǒng)供電時(shí)，LM317可以為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是可獨(dú)立雙向控制兩個(gè)直流電機(jī)的一種新型驅(qū)動(dòng)器件。當(dāng)單片機(jī)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，STM32的I/O口輸出單片機(jī)帶載能力較弱，信號(hào)需要功率放大，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用TB6612FNG。由于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速高，輸出扭矩小，需要使用減速器來(lái)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加輸出扭矩。

在電機(jī)的末端是一個(gè)霍爾傳感器，它是一個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器，可以將角位移或角速度轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖。霍爾碼盤周圍有兩個(gè)霍爾元件，因此可以產(chǎn)生兩個(gè)速度脈沖：分別為A相和B相。小車的速度可以通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算。

2.4 MPU6050模塊

MPU6050傳感器用于采集小車擺體姿態(tài)的信號(hào)，MPU6050是一個(gè)六軸方位傳感器，結(jié)合了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀。在MPU6050中，陀螺儀用來(lái)測(cè)量擺體的傾斜角，加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量加速度，采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波處理。 MPU6050的通信方式為IIC通信，芯片內(nèi)置16字節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器，可輸出16位數(shù)據(jù)。

3 PID算法設(shè)計(jì)

獲取小車倒立擺系統(tǒng)的傾斜角和速度是系統(tǒng)平衡的前提，這些數(shù)據(jù)在STM32中斷控制中結(jié)合PID算法，將輸出值賦給PWM寄存器來(lái)控制電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的平衡控制。倒立擺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制分為平衡控制、速度控制和轉(zhuǎn)向控制，即直立環(huán)、速度環(huán)和角度環(huán)。

為了將倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定在平衡位置，不僅需要對(duì)電機(jī)施加與傾斜角成正比的回復(fù)力，而且還要增加與角速度成正比的阻尼力。直立控制系統(tǒng)采用PD控制。因此，如果能夠測(cè)出倒立擺的傾斜角和角速度，控制加速度，就可以完成直立控制。小車的前進(jìn)速度與倒立擺的傾斜度有關(guān)，如果要提高小車的前進(jìn)速度，則需要增加小車的傾斜角度，在直立控制下，小車必須向前移動(dòng)以保持倒立擺系統(tǒng)平衡，速度增加。速度控制系統(tǒng)采用PI控制。將直立控制和速度控制串聯(lián)起來(lái)，形成串級(jí)控制系統(tǒng)。

4結(jié)論

本文研究了一階小車倒立擺系統(tǒng)，倒立擺系統(tǒng)主要用于保持小車自平衡。本設(shè)計(jì)介紹了主控機(jī)和各模塊的功能，還提供了直立控制中的PD控制、速度控制中的PI控制、一階小車倒立擺系統(tǒng)的串級(jí)PID控制。 PID算法使用PD算法測(cè)量小車的角度，讓小車在直立控制時(shí)保持平衡，使用PI算法測(cè)量小車的速度，讓小車通過(guò)改變傾斜角來(lái)控制速度，進(jìn)而調(diào)整位置。通過(guò)調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，可以有效控制一階小車倒立擺系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張思豪，王新榮，鄭成德，李向前，李慧敏.基于STM32的倒立擺PID學(xué)習(xí)研究平臺(tái)[J].中國(guó)科技信息，2021（12）：59-61.

[2]劉拓晟.基于STM32的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14（36）：213-215.

[3]徐猛.基于STM32自平衡小車的設(shè)計(jì)與制作[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（09）：110.

[4]杜麗敏，王巖.基于單片機(jī)的兩輪自動(dòng)平衡小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，30（12）：19-24+38.

基金項(xiàng)目：河南科技大學(xué)2021年度大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃，項(xiàng)目編號(hào)：2021087