基于舵机平衡控制的电磁循迹电单车的设计

基于舵机平衡控制的电磁循迹电单车的设计

冯采轩 程登良* 胡宇阁 李国东 赵小宇 杨仟竹

湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，十堰，442002

项目编号：湖北汽车工业学院2022年度大学生创新创业训练计划项目DC2022046，湖北汽车工业学院教研项目JY2020006、JY2021047；教材建设XJJC2022002、2021年校级研究生教育质量工程项目Y202109；湖北省重点实验室开放基金(ZDK1201409)。

摘要：现如今是一个电子信息和智能控制的时代，人们渴望过上智能新生活，而在节能减排的大标题下，自行车作为一项高效万能的交通工具，它的开发潜能是无限的，本项目使用全国大学生智能车竞赛发布的K车模，主要使用STC16F40K128-36I-LQFP64单片机控制，采用S3010舵机，并通过电磁循迹模块引导，通过采集地面电磁线的赛道信息，传递给单片机，通过控制舵机模拟人控制单车平衡算法，来保持单车的平衡。

关键词：舵机；电磁循迹；单车平衡算法

1项目实施的目的、意义

自行车可以说是人类发明过的最高效、万能的人力驱动交通工具了，也是我们生活中最常见的一种交通工具之一。自行车的便捷性、高通过性、环保都标志着未来自动控制的无人自行车在物流运输、交通等方面有巨大发展潜力。

2研究内容

项目使用STC16F40K128-36I-LQFP64单片机控制，并通过电磁循迹模块引导，在铺设有200kHz交流信号的电磁线的地面进行循迹的单车。由于单车无法保持平衡，故通过控制舵机模拟人控制单车平衡算法是完成项目的关键。

3研究与设计

采用采用的位置式PID控制舵机，增量式PID闭环控制电机，一阶互补滤波进行速度融合。

使用一阶互补滤波的时候，需要整定加速度计比例系数和陀螺仪比例系数，而这个加速度计比例系数也叫做对加速度计的信任程度，陀螺仪的比例系数也就是对陀螺仪的信任程度。系数越大，信任程度越高，融合得到的角度就更加跟随其变化。融合出来角度的波形，需要达到快速、稳定、平滑这几个指标。

之后确定舵机中值、幅值以及机械零点这三项指标，最后保持单车直立行驶。

控制思路大致是这样的：当电单车有往左边偏的趋势了，此时舵机得往左边旋转，让电单车往右边偏，来保持平衡。这里我们使用位置式PD算法来控制舵机：

开始我们可以控制电机闭环转动，舵机只用位置式PD，如上面公式所示，是角度环输出，是数据融合后的角度，是陀螺仪值。

1）调整好整车机械参数：

图1整车机械结构                   图2车模机械结构

2）根据微处理器型号，设计好所需要的电路板。

图3整车机械结构

3）利用IAR开发环境编写好控制整车运行的C语言程序。

建模仿真与上位机测试：将编写好的C语言程序下载到单片机当中，赛道试车，运用MATLAB仿真软件，并借助模糊控制的理论知识，直线行驶的时候，首先角度环控制只用位置式PD，让其直线行驶，大概能很直的跑几米后，再去使用位置式PID，这样单车就可以跑很久的直线了。按照这个思路来调试，这样可以更充分的体会单车模型控制的要诀，知道哪些量的作用是什么，注意每一个细节。调转圈的时候，期望的倾角值，可以先给一个很小的量，然后调节角度环位置式PID参数，直到不会倒下，再继续增加倾角值。这个期望的倾角值越大，它的转弯半径就越小。我们肯定期望转弯半径越小越好。

预计实验的初期，单车行驶的轨迹并不能达到预期的效果，且单车的平衡算法也很难写，经过一段时间的赛道调试，最终整理出一套使单车能够运行流畅的模糊控制查询表，用于方向控制，经过实践发现，经典PI算法能够较好的适应直流电机的速度控制。

参考文献

[1] 基于切换PID的无人自行车的平衡控制[J]. 王涵;李艳.电子器件,2019(03)

[2] 基于陀螺仪的无人自行车平衡控制方法[J]. 吕宽州;陈素霞;黄全振.计算机测量与控制,2015(07)

[3] 基于卡尔曼滤波的自平衡电单车设计[J]. 刘展志;王彦栋;张宁;李鑫,常熟理工学院学报,2023,37(02)