课程设计（论文）-基于labVIEW的双轮自平衡小车.doc

双轮自平衡小车摘要：本系统主要包括控制系统模块、电机驱动模块和角速度测量模块三个模块，根据角加速度传感器测量出的数据，利用myRIO调节占空比，调节电机的转速，使小车能始终保持平衡。关键词：PID控制，PWM，自平衡；目录1 方案分析1 1.1 模块方案比较与选择1 1.2 总体方案论述12 电路与硬件设计.2 2.1.驱动的选择.22.2电路设计23 系统软件设计.4 3.1控制算法的选取4 3.2 程序流程图.7 3.3 程序清单.104 系统测试及结果分析13总结15参考文献15附录 实物图表161、一、方案分析1.1.模块方案比较与选择1.1.1控制系统模块的论证与选择方案一：采用传统的89C51芯片为控制核心。具有4KB的程序存储器，128KB的数据存储器，64KB的片外存储器寻址能力，64KB的片外数据存储器寻址能力，32根输入/输出线，1个全双工异步串行口，2个16位定时/计数器，5个中断源，2个优先级。但数学处理能力差，功能单一，运算速度慢，控制过程比较烦琐。方案二：采用采用NI myRIO。NImyRIO内嵌XilinxZynq芯片，使学生可以利用双核ARMCortex-A9的实时性能以及强大的计算功能，编程开发简单，支持用LabVIEW进行编程，图形编程，明了易懂，同时包含大量现成算法函数，方便快速调用。同时，myRIO自带三轴加速度传感器，可通过LabVIEW观察波形，进行自平衡小车测量时非常方便。综合考虑采用方案二控制。1.1.2电机驱动模块的论证与选择方案一：采用步进电机为驱动源，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。且速度不是很快，不好操作。方案二：使用MOSFET构成H桥式驱动电路，利用PWM波形来控制电机的转速，此电路驱动功率比较大耗能高，电机的转速较快。方案三：使用直流电机驱动芯片L298N来驱动直流电机，通过占空比来调节转速，控制较为方便。综合考虑采用方案三。1.1.3角速度测量模块的论证与选择方案一：使用三轴加速度传感器MMA7260Q可以测量小车加速度大小，选取最佳重心位置，将测量出的数据传入控制系统。方案二：使用myRIO自带三轴加速度传感器，由于是本身自带，便于使用与测量。1.2.总体方案论述 本系统主要包括控制系统模块、电机驱动模块和角速度测量模块三个模块，根据角加速度传感器测量出的数据，利用myRIO调节占空比，调节电机的转速，使小车能始终保持平衡。 显示 NI myRIO.角加速度传感器 电机2、 电路与硬件设计2.1.驱动的选择本电路选择TB6612FNG新型驱动器件，与传统电动机驱动相比，具有较高的集成度，且能独立双向控制2个直流电机，同时能提供足够的输出能力，运行性能和能耗方面也具有优势，因此在集成化、小型化的电机控制系统中，它可以作为理想的电机驱动器件。它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机，TB6612FNG每通道输出最高1.2 A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2 A(连续脉冲/单脉冲);4种电机控制模式：正转/反转/制动/停止;PWM支持频率高达100 kHz;待机状态;片内低压检测电路与热停机保护电路;工作温度：-2085;SSOP24小型贴片封装。AINl/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB为控制信号输入端;AO1/A02、B01/B02为2路电机控制输出端;STBY为正常工作/待机状态控制引脚;VM(4.515 V)和VCC(2.75.5 V)分别为电机驱动电压输入和逻辑电平输入端。2.2.电路设计TB6612FNG与AVR单片机组成的电机控制单元。单片机定时器产生4路PWM输出作为AIN1/AIN2和BIN1/BIN2控制信号，对电机M1和M2的控制。使用功率MOSFET对VM和VCC提供电源反接保护。我们可以直接将PWM的AB端口都接在My Rio的PWM输出端口相连，使小车的两个电机转速均由同一个量进行控制，小车的转动能同步。两且个电机的转动方向控制也由My Rio输出进行控制，同步进行方向的转换，使小车在偏移后达到平衡。My Rio电源输入电路： 通过外接开关开关和插口，设计电路，将My Rio由电源供电改为电池供电，并可以实时的将控制器件进行开关。P指数的输入和电机开关控制电路：外接轴转式电位器，通过电阻分压后接入My Rio模拟端口，来控制P指数的变化，并且外接开关通过输入的0、1，改变程序来控制电机的转和停，达到实时控制，利于调制程序。三、系统软件设计3.1控制算法的选取本系统的控制算法选用PID算法3.1.1 PID概述PID调节器是指按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，其调节实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。在实际应用中，在多数情况下，根据具体情况，可以灵活地改变PID的结构，取其一部分进行控制(杨德刚等，2010)。PID控制器的输入输出关系为： (15)PID控制有模拟和数字控制方式：模拟方式采用电子电路调节器，在调节器中，将被测信号与给定值比较，然后把比较出的差值经PID电路运算后送到执行 机构，改变给进量，达到调节之目的。数字方式用计算机进行PID运算，将计算结果转换成模拟量，输出去控制执行机构。本设计选用数字PID控制方式。比例控制对系统动态性能的影响：增大时，将使系统响应速度加快，偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；偏小时，系统响应速度缓慢。选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。在系统稳定的前提下，加大Kp可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。积分时间对系统性能的影响：积分控制通常影响系统的稳定性。太小使，系统不稳定，且震荡次数较多；太大时，对系统的影响将削弱；合适时，系统的过度过程特性比较理性。积分控制有助于消除系统稳态误差。微分时间对系统性能的影响：微分作用的增强可以改善系统动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等，适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度；另一方面微分作用会放大系统噪声，降低系统抗干扰能力。微分环节的加入可以在误差出现或变化瞬间，按偏差的变化的趋势进行控制。引进一个早期的修正作用，有助于提高系统稳定性。3.1.2 数字PID算法数字PID算法为用计算机实现，用数值逼近和连续信号离散化实现的PID控制规律。有两种实现方式：位置性数字PID、增量型数字PID。3.1.2.1 位置式PID控制算式在采样时刻t=k(为采样周期)时，式(41)表示的PID控制规律可以通过以下数值公式近似计算：比例作用： (4-2)积分作用： (4-3)微分作用： (4-4)式(42)、式(43)、式(44)表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k)， 所以称为位置式PID控制算法，实际的位置PID控制器输出为比例作用、积分作用与微分作用之和，即 (4-5) 如果采样周期取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续控制过程十分接近。这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的。因而产生了增量式PID控制算式。位置式PID控制算式的系统控制示意图如图(4-2)所示。3.1.2.2增量式PID控制算式增量式PID控制算式是指数字控制器的输出只是控制器的增量u(k)。当执行机构需要的是控制量的增量时，可由式(4-5)导出提供增量的PID控制算式。根据递推原理可得： (4-6)用式(4-5)减去式(4-6)可得： (4-7)式(4-7)称为增量式PID控制算式。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期，一旦确定了KP、KI、KD ，只要使用前后3次测量值的偏差，即可由式(4-7)求出控制增量。图(4-3)给出了增量式PID控制系统的示意图。就整个系统而言，位置式与增量式控制算法并无本质区别，增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点：（1） （1） 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉。（2） （2） 手动/自动切换时冲击小，便于无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。（3） （3） 算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但是增量式控制也有不足之处，积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大。因此，在选择时不可一概而论。由于对增量式PID使用上的不熟悉，以及本品采用myRIO自带的三轴加速度传感器，可以将一个位置上的重力加速度值通过数学计算换算成地面与myRIO的位置角度关系，所以本设计选用位置式PID算法。3.1.3 PID控制器本系统采用labVIEW自带的PID控制模块，此模块共包括六个输入参数和两个输出参数。六个输入参数分别是output range（输出范围）、setpoint（目标值）、process variable（输入量）、PID gains（P、I、D参数输入量）、dt（测量周期）、reinitialize（频率值），两个输出参数分别是output（输出值），dt out（输出显示周期）。labVIEW中的PID子vi3.2 程序流程图3.2.1主程序流程图系统主程序流程框图3.2.1加速度检测部分流程图加速度检测部分流程框图3.2.2 PID中P参数调节器部分流程图PID中P参数调节器部分程序框图3.3 程序清单3.3.1顶层程序展示相关模块简介： ：三轴加速度传感器（共有X/Y/Z三轴，本系统只采用Z轴） ：数字输出口（如图使用的是A区的0和1数字IO口，分别为为pin11和pin13） ：PWM输出口（本系统使用的是A区PWM0输出口） ：选择结构（通过输入值的T/F选择上/下值的输出） ：延迟（本例为延迟20ms） ：PID模块（前文已介绍） ：波形图表（将输出值以波形形式输出）3.3.2底层程序展示3.3.2.1加速度检测部分程序相关模块简介： ：myRIO IO open : myRIO IO read ：myRIO IO close ：数组索引3.3.2.1 PID P参数调节器部分程序相关模块简介： ：数值显示3.3.2.1 PID P参数调节器部分程序相关模块简介： ：PID自带滤波 ：局部变量（此例为Z的局部变量） ：数值输入 ：条件结构四、系统测试及结果分析本系统基本功能为能让小车稳定不倒在原地3秒以上，经过两天通宵调节，本系统能够成功实现基本功能，但是根据地面条件的不同，相应的参数将会不同，例如，在砂纸上，由于摩擦力较大，所以P参数应相应减小（经实测P=3.2为最佳），否则将会由于比例过大而使小车回量过大而翻倒；在略光滑的地板（如创新实验室地板）上，相应的P应加大（经实测P=4.5为最佳），否则小车将没有足够的加速度而向前趴到。另外，本系统的拓展功能为能够给小车一个角度，是小车向前行走一段距离并稳定在地面上，但是由于对PID的不熟悉，属于初次尝试，所以拓展功能只在调解过程中的砂纸上成功过一次，而且对于I和D的使用完全没有经验，导致在PID调节中屡屡失败，未能在拓展功能上实现预期目标。 结论本设计的研究对象为双轮自平衡小车，它的运动方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特点，是一种理想的控制理论和控制技术研究的实验平台。通过这次自平衡小车的设计，我们学到了许多知识，特别是一些算法的运用。自己手动调节PID，更加深入了解了PID算法的控制作用，但是限于时间与精力，自平衡小车的平衡还欠佳，不能平衡太久，以后有空余时间我们一定