基于labVIEW的雙輪自平衡小車概要

1、雙輪自平衡小車摘要：本系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和角速度測(cè)量模塊三個(gè)模塊，根據(jù)角加速度傳感器測(cè)量出的數(shù)據(jù)，利用myRIO調(diào)節(jié)占空比，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使小車能始終保持平衡。關(guān)鍵詞：PID控制，PWM自平衡；目錄1方案分析11.1 模塊方案比較與選擇11.2 總體方案論述12電路與硬件設(shè)計(jì)2.2.1 .驅(qū)動(dòng)的選擇22.2 電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未定義書簽。3_統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)43.1 控制算法的選取43.2 程序流程圖73.3 程序1t單104系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析13總結(jié)15參考文獻(xiàn)15附錄實(shí)物圖表16一、方案分析1.1. 模塊方案比較與選擇1.1.1 控制系統(tǒng)模塊的論證與選擇方案一：采用傳統(tǒng)的89C

2、51芯片為控制核心。具有4KB的程序存儲(chǔ)器，128KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，64KB的片外存儲(chǔ)器尋址能力，64KB的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址能力，32根/入/輸出線，1個(gè)全雙工異步用行口，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)。但數(shù)學(xué)處理能力差，功能單一，運(yùn)算速度慢，控制過程比較煩瑣。方案二：采用采用NImyRIO。NImyRIO內(nèi)嵌XilinxZynq芯片,使學(xué)生可以利用雙核ARMCortex-A9的實(shí)時(shí)性能以及強(qiáng)大的計(jì)算功能，編程開發(fā)簡單，支持用LabVIEW進(jìn)行編程，圖形編程，明了易懂，同時(shí)包含大量現(xiàn)成算法函數(shù)，方便快速調(diào)用。同時(shí)，myRIO自帶三軸加速度傳感器，可通過LabVIEW觀察波形，

3、進(jìn)行自平衡小車測(cè)量時(shí)非常方便。綜合考慮采用方案二控制。1.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇萬案一：采用步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。且速度不是很快，不好操作。萬案一：使用MOSFET構(gòu)成H橋式驅(qū)動(dòng)電路，利用PWM波形來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,18此電路驅(qū)動(dòng)功率比較大耗能高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速較快。方案二:使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，通過占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,控制較為方便。綜合考慮采用方案三1.1.3 角速度測(cè)量模塊的論證與選擇方案一：使用三軸加速度傳感器MMA7260Q可以測(cè)量小車加速度大小，

4、選取最佳重心位置，將測(cè)量出的數(shù)據(jù)傳入控制系統(tǒng)。萬案一：使用myRIO自帶三軸加速度傳感器，由于是本身自帶，便于使用與測(cè)量。1.2. 總體方案論述本系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和角速度測(cè)量模塊三個(gè)模塊，根據(jù)角加速度傳感器測(cè)量出的數(shù)據(jù)，利用myRIO調(diào)節(jié)占空比，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使小車能始終保持平衡。二、電路與硬件設(shè)計(jì)2.1. 驅(qū)動(dòng)的選擇本電路選擇TB6612FN斯型驅(qū)動(dòng)器件，與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，具有較高的集成度，且能獨(dú)立雙向控制2個(gè)直流電機(jī)，同時(shí)能提供足夠的輸出能力，運(yùn)行性能和能耗方面也具有優(yōu)勢(shì)，因此在集成化、小型化的電機(jī)控制系統(tǒng)中，它可以作為理想的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件。它具有大電流MOSFE

5、T-橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路/U出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，TB6612FNG®通道輸出最高1.2A的連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，啟動(dòng)峰值電流達(dá)2A/3.2A(連續(xù)脈沖/單脈沖);4種電機(jī)控制模式：正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動(dòng)/停止;PWMJ持頻率高達(dá)100kHz;待機(jī)狀態(tài)；片內(nèi)低壓檢測(cè)電路與熱停機(jī)保護(hù)電路；工作溫度：-2085C;SSOP24、型貼片封裝。AIN1/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB為控制信號(hào)輸入端；AO1/A02、B01/B02為2路電機(jī)控制輸出端；STBY為正常工作/待機(jī)狀態(tài)控制引腳；VM(4.515V)和VCC(2.75.5V)分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓輸入和邏輯電平輸入端。工叵0區(qū)田叵E

6、叵叵回叵回1* %* 14 2 2 Ti 7* 2 1 1-OODDOOOODDOOaannaarbnnb bG G G Gp p p pS2 1 Y 12B NNCBDNWM3 11c TNIIWM 用 haavsgbrpm圖1芯片引腳功能配置圖2.2. 電路設(shè)計(jì)TB6612FNG與AVR單片機(jī)組成的電機(jī)控制單元。單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生4路PWM輸出作為AIN1/AIN2和BIN1/BIN2控制信號(hào)，對(duì)電機(jī)M1和M2的控制。使用功率MOSFET對(duì)VM和VCC提供電源反接保護(hù)。我們可以直接將PWM勺AB端口都接在MyRio的PWMJ出端口相連，使小車的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速均由同一個(gè)量進(jìn)行控制，小車的轉(zhuǎn)動(dòng)能同

7、步。兩且個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制也由MyRio輸出進(jìn)行控制，同步進(jìn)行方向的轉(zhuǎn)換，使小車在偏移后達(dá)到平衡。vccoI/OOCxAOCxBI/OOCxA OC.xB I/O21222317 K IT19MCUIffGNi)GNDGND9IO201837AIN1A1N2PWWABINI BIN2 PWMRSTBYVCC GND PGND1 PC NTH PGND2 PG ND 2AO 2A02BO 2BO 2BOIBOLVM1VM2VMSTB6612FNGMl6AOIAOIM2M1112IfCNDGND241314圖2電機(jī)控制單兀My Rio電源輸入電路：通過外接開關(guān)開關(guān)和插口，設(shè)計(jì)電路，將 My Ri

8、o由電源供電改為電池供電， 并可以實(shí)時(shí)的將控制器件進(jìn)行開關(guān)。P指數(shù)的輸入和電機(jī)開關(guān)控制電路：外接軸轉(zhuǎn)式電位器，通過電阻分壓后接入 My Rio模擬端口，來控制P指數(shù) 的變化，并且外接開關(guān)通過輸入的 0、1,改變程序來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)和停，達(dá)到 實(shí)時(shí)控制，利于調(diào)制程序。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 控制算法的選取本系統(tǒng)的控制算法選用PID算法3.1.1 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

9、等，2010)。PID控制器的輸入輸出關(guān)系為：u(t)=KP&t)Ki0e(t)dtKd哼dt(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(cè)信號(hào)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)。本設(shè)計(jì)選用數(shù)字PID控制方式。比例控制對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響：Kp增大時(shí)，將使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，Kp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。Kp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

10、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Ti對(duì)系統(tǒng)性能的影響：積分控制通常影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Ti太小使，系統(tǒng)不穩(wěn)定，且震蕩次數(shù)較多；Ti太大時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的影響將削弱；Ti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TD對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用的增強(qiáng)可以改善系統(tǒng)動(dòng)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(huì)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(shì)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。3.1.2 數(shù)字PID算法數(shù)字PID算法為

11、用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，用數(shù)值逼近和連續(xù)信號(hào)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。3.1.2.1 位置式PID控制算式在采樣時(shí)刻t=k8(8為采樣周期)時(shí)，式(41)表示的PID控制規(guī)律可以通過以下數(shù)值公式近似計(jì)算:比例作用：*)= Kce(k)(4-2)積分作用:KC kU(k) C，e(i)Tli 0(4-3)微分作用:必陰=KCTDe(k)-e(k-1)6(4-4)式(42)、式(43)、式(44)表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k),所以稱為位置式PID控制算法，實(shí)際的位置PID控制器輸出為比例作用、積分作用與微分作用之和，即ukTD(4-5)u(

12、k)=up(k)ui(k)Ud(k)=KCe(k)-e(i)e(k)-e(k-1)TIi=071如果采樣周期8取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。這種算法的缺點(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的。因而產(chǎn)生了增量式PID控制算式。位置式PID控制算式的系統(tǒng)控制示意圖如圖(4-2)所示。3.1.2.2 增量式PID控制算式增量式PID控制算式是指數(shù)

13、字控制器的輸出只是控制器的增量Au(k)0當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式(4-5)導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得：1kltu(k-1)=Kce(k-1)'、e(i)TDe(k-1)-e(k-2)Tit(4-6)用式(4-5)減去式(4-6)可得：u(k)=u(k)-u(k-1)-Td=Kce(k)e(k-1)e(k)-De(k)-2e(k-1)e(k-2)Ti(4-7)式(4-7)稱為增量式PID控制算式?？梢钥闯觯捎谝话阌?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期9,一旦確定了Kp、Ki、Kd,只要使用前后3次測(cè)量值的偏差，即可由式(4-7)求出控制增量。圖(4-3)

14、給出了增量式PID控制系統(tǒng)的示意圖。圖4-3增量式FIT控制系統(tǒng)框圖就整個(gè)系統(tǒng)而言，位置式與增量式控制算法并無本質(zhì)區(qū)別，增量式控制雖然只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來了不少優(yōu)點(diǎn)：(1) (1)由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉。(2) (2)手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于無擾動(dòng)切換。止匕外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值。(3) (3)算式中不需要累加。控制增量Au(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。但是增量式控制也有不足之處，積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大

15、。因此，在選擇時(shí)不可一概而論。由于對(duì)增量式PID使用上的不熟悉，以及本品采用myRIO自帶的三軸加速度傳感器，可以將一個(gè)位置上的重力加速度值通過數(shù)學(xué)計(jì)算換算成地面與myRIO的位置角度關(guān)系，所以本設(shè)計(jì)選用位置式PID算法。3.1.3PID控制器PID (DBLyvi本系統(tǒng)采用labVIEW自帶的PID控制模塊，此模塊共包括六個(gè)輸入?yún)?shù)和兩個(gè)輸出參數(shù)。六個(gè)輸入?yún)?shù)分別是outputrange（輸出范圍）、setpoint（目標(biāo)值）、processvariable（輸入量）、PIDgains（P、I、D參數(shù)輸入量）、dt（測(cè)量周期）、reinitialize（頻率值），兩個(gè)輸出參數(shù)分別是outpu

16、t（輸出值），dtout（輸出顯示周期）。pgoutputdt out (s)outputrangesetpointvariablePIDgainsdtreinitialize?(F)labVIEW中的PID子vi3.2 程序流程圖3.2.1 主程序流程圖加速度傳感器z軸輸出系統(tǒng)主程序流程框圖3.2.1加速度檢測(cè)部分流程圖加速度檢測(cè)部分流程框圖3.2.2PID中P參數(shù)調(diào)節(jié)器部分流程圖PID中P參數(shù)調(diào)節(jié)器部分程序框圖3.3 程序清單3.3.1 頂層程序展示(D1H250IH4PWM矍I.卜相關(guān)模塊簡介:三軸加速度傳感器（共有X/Y/Z三軸，本系統(tǒng)只采用Z軸）DigitalOutputkA/WOO

17、 (Pin 11 A/DIO1 (Pin 13:數(shù)字輸出口（如圖使用的是A區(qū)的0和1數(shù)字IO 口，分別為為pinll和pin13)PWM輸出口（本系統(tǒng)使用的是A區(qū)PWM0輸出口）選擇結(jié)構(gòu)（通過輸入值的T/F選擇上/下值的輸出）:延遲（本例為延遲20ms）PID模塊（前文已介紹）:波形圖表（將輸出值以波形形式輸出）3.3.2 底層程序展示3.3.2.1加速度檢測(cè)部分程序相關(guān)模塊簡介:Rd口myRIOIOopen:myRIOIOread:myRIOIOclose數(shù)組索引3.3.2.1PIDP參數(shù)調(diào)節(jié)器部分程序相關(guān)模塊簡介:數(shù)值顯示3.3.2.1PIDP參數(shù)調(diào)節(jié)器部分程序相關(guān)模塊簡介:PID自帶濾波

18、:局部變量（此例為Z的局部變量）:數(shù)值輸入條件結(jié)構(gòu)四、系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析本系統(tǒng)基本功能為能讓小車穩(wěn)定不倒在原地3秒以上，經(jīng)過兩天通宵調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)基本功能，但是根據(jù)地面條件的不同，相應(yīng)的參數(shù)將會(huì)不同，例如，在砂紙上，由于摩擦力較大，所以P參數(shù)應(yīng)相應(yīng)減?。ń?jīng)實(shí)測(cè)P=3.2為最佳），否則將會(huì)由于比例過大而使小車回量過大而翻倒；在略光滑的地板（如創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室地板）上，相應(yīng)的P應(yīng)加大（經(jīng)實(shí)測(cè)P=4.5為最佳），否則小車將沒有足夠的加速度而向前趴到。另外，本系統(tǒng)的拓展功能為能夠給小車一個(gè)角度，是小車向前行走一段距離并穩(wěn)定在地面上，但是由于對(duì)PID的不熟悉，屬于初次嘗試，所以拓展功能只在調(diào)解過程中的砂紙上成功過一次，而且對(duì)于I和D的使用完全沒有經(jīng)