CN107757795A - 一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法,主要包括:感应模块,主控制模块,直流减速电机,电机驱动模块,通信模块,上位机和供电模块。本发明的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法,可以实现性能高,价格低,使用方便,在软件界面直接控制物体,软件和硬件的完美对接,大大缩短了信号处理时间,提高了控制系统性能的优点。
Description
技术领域
本发明涉及息平衡小车控制技术领域,具体地,涉及一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法。
背景技术
两轮平衡车属于自主移动机器人的领域,在八十年代后期对于机器人的研究就形成比较系统的科学体系。Segway LLC公司研发生产的赛格威被乔布斯誉为跨时代的科技发明。其特点在于解放了人的双手,操作者只需要摆动身体就可以控制车子前进、后退、转弯、停止等动作。目前,两轮平衡车要实现的关键技术有三项:(1)平衡车要实现平衡,要对其运动状态进行分析。两轮平衡车会发生前倾后倾的现象,为抵消小车前倾或后倾产生的力,需要两个轮用同样大小方向相反的力来抵消,以达到平衡的目的;(2)在程序设计中,涉及到LQR控制器,即加权矩阵Q以及R的值的确定,会影响小车的参考速度;(3)PID控制器的参数的调节。参数的变化是直接影响小车是否平衡的重要指标。
myRIO是美国国家仪器公司(NI)推出的一款嵌入式硬件装置,可以帮助快速设计复杂的实际工程系统,同时享有经济实惠的价格。myRIO 1900平台结构上可以分为三层,分别为嵌入式微处理器、FPGA和I/O资源。myRIO 1900能够从传感器读取原始信号并加以处理,变成直接可以使用的信号,大大节省了时间,也简化了其中的繁琐的信号处理环节。另外,myRIO 1900具有WiFi功能,为远程实时地监控和控制小车提供了关键的保障。myRIO1900能够将接收到的传感器的信号经过处理传回上位机,设计者就能在上位机上看到小车的运动状态,以及各个传感器的信号(波形图等)。
该发明适用于对两轮自平衡小车状态的控制。现有文献《基于myRIO控制器的自平衡车的PID算法实现》,通过myRIO控制器设计了平衡的PID算法控制,并对比了数字PID算法中位置式PID算法和增量式PID算法的可行性,利用位置式PID算法实现小车平衡的控制。现有文献中涉及技术的缺点是,通过myRIO设计的自平衡车控制中,只片面的对PID算法进行了比较和设计,不能根据实际情况找到小车的平衡位置,并不断的调整PID参数。一旦小车变成静止直立状态时,会前倾或后倾并持续运动,不利于自平衡小车系统控制。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述问题,提出一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法,以实现性能高,价格低,使用方便,在软件界面直接控制物体,软件和硬件的完美对接,大大缩短了信号处理时间,提高了控制系统性能的优点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统,主要包括:
感应模块,采集小车的运动参数并输入到主控制模块;
主控制模块,接收感应模块传输的小车运动参数并处理,输出PWM信号和电机转动方向控制信号到直流减速电机,并将自平衡小车控制状态通过通信模块发送到上位机;
直流减速电机,利用齿轮的速度作为转换器,将电动机的回转数减速到所要的回转数;
电机驱动模块,控制所述的直流减速电机的运行,包括直流减速电机的调速、运行、停止、步进或匀速的控制;
通信模块,将主控模块信号传输至上位机;
上位机,监控小车运行状态,并显示小车的运动参数;
供电模块,为所述的主控制模块和电机驱动模块供电。
进一步地,所述感应模块包括myRIO加速计模块和陀螺仪模块,且myRIO加速度计模块对陀螺仪模块的测量结果进行修正。
进一步地,所述主控制模块为myRIO主控制模块。
进一步地,所述通信模块包括WIFI通信和有线通信。
进一步地,所述myRIO主控制器模块分别与myRIO加速计模块、陀螺仪模块、直流减速电机、供电模块、WIFI通信模块相连接,所述WIFI通信模块还与上位机相连接,所述供电模块、直流减速电机均与电机驱动模块相连接。
进一步地,一种基于myRIO平台的自平衡小车控制方法,主要包括:
步骤1:读取当前控制器的类型,根据当前设置的运动速度Setpoint Velocity(x’)的值和运动使能信号,由Controller VI来计算Tmot值;
步骤2:计算实际输出的Tmot的值;
步骤3:将计算得到的Tmot值写入到motor中(FPGA中);
步骤4:读取当前myBOT倾倒的角速度值,并写入到FPGA中;
步骤5:判断是否停止控制循环;
步骤6:更新Motor Setting。
进一步地,步骤1中所述控制器的类型包括:LQR、PD(Balance Controller)和PID参数的值,其中LQR参数中,速度参量的系数都被放大了1000倍;更新控制器的类型,实时只有一种被选择的控制器来控制my-BOT。
进一步地,步骤1中所述运动使能信号为读取myBOT的位置信息,包括绝对坐标系中myBOT沿着x轴方向的运动速度x’和myBOT当前运动方向和x轴正方向的夹角,即myBOT转过的角度Beta。
进一步地,所述步骤1还包括:
在Controller VI中,根据当前速度x’和目标速度Setpoint Velocity(x’)的差值来计算myBOT需要倾斜的角度,因为倾倒的角度越大,小车为了保持平衡,myBOT前进的速度就越快,直到其速度值逼近预设的目标速度为止。
进一步地,所述步骤2还包括:
Tmot的值用于控制电机的速度,其绝对值为对应PWM信号的占空比,其中TmotOffset的值用于消除死区效应,而Tmot Max的值控制Tmot的输出范围为-1到1。
本发明的有益技术效果:
1)采用的myRIO能够实现在软件界面直接控制物体,实现软件和硬件的完美对接,这是一些普通平台无法实现的。同时,它能具有WiFi功能,能远程实时监控和控制平衡车的状态。
2)本发明能通过陀螺仪检测到小车倾斜时的车身角度和角速度变化,并采用加速度计对陀螺仪的测量结果进行修正,获得准确的角度信息。
3)本发明采用myRIO嵌入式硬件装置,性能高,价格低,使用方便,实现在软件界面直接控制物体,实现软件和硬件的完美对接,大大缩短了信号处理时间。
4)本发明采用的myRIO加速计模块在使用时无需编程定义可以直接拖拽使用,使用方便,简化了硬件构成,提高了控制系统性能。
本发明结构简单,安装方便,性价比高,而且设备日常安全检查维修方便,不影响安装效果和数据的精确性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1为本发明所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法的myRIO控制平台示意图;
图2为本发明所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法的小车硬件模块连接正面实物图;
图3为本发明所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法的小车硬件通过WIFI和电脑连接控制示意图;
图4为本发明所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法的硬件结构示意图;
图5为本发明所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法的myBOT初始化程序设计结构图;
图6为本发明所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法的主回路程序设计结构图;
图7为本发明所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法的控制回路程序设计结构图;
图8为本发明所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法的小车体态示意图;
图9为本发明所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统及方法的小车倾角变化示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统,主要包括:
感应模块,采集小车的运动参数并输入到主控制模块;
主控制模块,接收感应模块传输的小车运动参数并处理,输出PWM信号和电机转动方向控制信号到直流减速电机,并将自平衡小车控制状态通过通信模块发送到上位机;
直流减速电机,利用齿轮的速度作为转换器,将电动机的回转数减速到所要的回转数;
电机驱动模块,控制所述的直流减速电机的运行,包括直流减速电机的调速、运行、停止、步进或匀速的控制;
通信模块,将主控模块信号传输至上位机;
上位机,监控小车运行状态,并显示小车的运动参数;
供电模块,为所述的主控制模块和电机驱动模块供电。
所述主控制模块为myRIO主控制模块。
所述通信模块包括WIFI通信和有线通信。
所述感应模块包括myRIO加速计模块和陀螺仪模块,下面对myRIO加速计模块和陀螺仪模块在本发明中应用进行详细说明:
NI myRIO的控制平台如下图1所示。这个平台类似硬件,内嵌了一个加速计模块,所以在硬件连接图上,从整体性出发,画出了加速计模块。
图2所示的是这个平台和小车车轮连接,图3所示平台和车轮构成的硬件通过WIFI和电脑连接控制。在电脑上可以在NI labVIEW软件中直接找到平台默认的加速计模块,所以使用时不需要编程定义,可以直接拖拽。
所述的myRIO加速计模块分为三个轴(X,Y,Z),由于myRIO在系统中是直立状态,因此X轴和Y轴在小车平衡时,不参与测量角度。当车身倾倒时,Z轴发生变化,产生车身倾斜的角度,由加速度计的VI(Accelerometer.vi)算出Z轴角度变化”。
如图3所示,myRIO平台绑定在车轮上,在车轮运行的时候,根据三个轴(X,Y,Z)的分布,myRIO平台是垂直地面的,相当于Z轴。X和Y轴在水平地面上。
本发明的设计原理是:两轮自平衡小车的车体平衡是依赖于两个轮子的独立前进后退来保持。从控制的角度看,小车的输入量是两个电机的转动速度与矢量。当车身向一边倾倒时,车轮向同方向加速滚动,抵消车子倾斜的趋势,使车身回到平衡状态。当车身处于平衡位置时,车轮不做任何运动,当车身再次倾斜时,车轮做上述运动,这是一个不断运动的过程,也就是说小车在不断的运动中找到平衡,这就是所谓的“动态稳定”。即:两轮平衡车会发生前倾后倾的现象,为抵消小车前倾或后倾产生的力,需要两个轮用同样大小方向相反的力来抵消,以达到平衡的目的。
所以,在控制小车平衡的时候,不需要考虑水平地面上的X和Y轴,也就是说对小车平衡的控制只需要考虑在Z轴上角度变化即myRIO平台前后倾斜的现象。而myRIO内置的有加速计模块,可以直接算出Z轴的角度变化。
myRIO加速计模块以及陀螺仪模块测量的区别及联系,如表1所示:
大量研究表明,加速度计和陀螺仪各有其自身的优缺点。加速度计在短时间测量范围内误差较大,而长时间工作计算则较为准确。而对于陀螺仪来说刚好相反,它在短时间内测量时较为准确,但长时间测量时会产生误差,具体如表1所示。因此,在实际应用中,为了获得准确的角度信息,通常采用加速度计对陀螺仪的测量结果进行修正。
表1加速度计和陀螺仪的优缺点比较
加速度传感器的长时间测量稳定的优点,刚好可以用来弥补陀螺仪的长时间测量产生的零点漂移以及A/D采样值单调性误差积累增长的缺陷。
因此,在测量的时候一般会将加速度计和陀螺仪结合起来使用。
如图1所示,所述myRIO主控制器模块分别与myRIO加速计模块、陀螺仪模块、直流减速电机、供电模块、WIFI通信模块相连接,所述WIFI通信模块还与上位机相连接,所述供电模块、直流减速电机均与电机驱动模块相连接。
本发明通过myRIO加速计模块和陀螺仪模块对小车的角度等信息进行检测,将检测信息送入myRIO主控制模块进行计算并发送到直流减速电机,直流减速电机接收指令后,控制两个轮子向车身倾倒方向运动,用同样大小相反的力来抵消车身倾倒方向的力,最终实现小车的自平衡。
下面通过具体实施例对本发明中所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制方法进行说明:
1)myBOT初始化程序设计
程序设计结构如图2所示。加载bitfile文件,打开FPGA VI Reference,初始化电机,初始化Gyro模块,设置Gyro为400KHz的快速模式,设置Gyro的漂移误差,初始化Encoder,写入用于角度修正的互补滤波器A参数的值到FPGA。
其中初始化电机包括:设置电机方向控制信号端口为输出,打开A/DIO0:3用于电机方向控制信号输出端口,打开A/PWM0:1用作左右电机的PWM调速信号的输出端口,并设置PWM信号的频率为2000Hz。在这些VI里面基本都完成了FPGA层中对应内容的参数初始化任务。
初始化Gyro陀螺仪模块:打开I2C,配置I2C,初始化Gyro内部的寄存器(电源管理:正常启动、陀螺仪不自检且测量范围为+/-250度每秒、低通滤波器的截止频率为256Hz、配置陀螺仪的采样速率参数为9,这样计算得到的采样率为800Hz,匹配RT中控制循环的采样频率),写入GyroDivider和Gyro Offset的默认值到FPGA中。设置Gyro Offset:每个2ms采样Gyro的读数,1000次后取平均。
初始化Encoder:设置信号为正交相位信号,打开A/ENC和B/ENC端口分别作左右电机编码信号的输入端口,再重置编码器。
2)主回路程序设计
程序设计结构如图3所示,主循环里面是一个状态机,每隔5ms依次更新前面板上选项卡的每个图表和显示控件。状态机描述如下:
Init:初始化所有的图表为空;从FPGA中读取Gyro Offset的值;
Angular Chart:读取myBOT的位置信息,包括Alpha、Gamma、Alpha’和Gamma’;
Filter:写入前面板输入控件的值到FPGA中,变量为GyroDivider、Gyro Offset和A;
Controller:从前面板读取三种控制器:LQR、PD(Balance Controller)和PID参数的值并写入到Controller Gains的网络变量,其中LQR参数中,速度参量的系数都被放大了1000倍;更新控制器的类型;注意实时只有一种被选择的控制器来控制my-BOT;
Tmot Chart:从Control Loop中读取当前LQR控制器输出的Tmot值。Tmot的值用于控制电机的速度,其范围为-1到1,其绝对值可以理解为对应PWM信号的占空比;
Velocity Chart:读取myBOT的位置信息,包括x’(绝对坐标系中myBOT沿着x轴方向的运动速度)和Beta(myBOT当前运动方向和x轴正方向的夹角,即myBOT转过的角度,因为两个轮子的转速不同造成myBOT的转弯效果)。
将x’的值和预设SetpointVelocity(x’)的值在图表中进行对比;将预设的SetpointBeta的值和Beta的值输入到myBOT-Rotate VI,计算即时的Setpoint Beta的值并写入到FPGA中供FPGA程序使用以调节左右轮速度不同来实现转向。
这个重新计算Setpoint Beta的函数的作用是将原本较大的delta Beta(预设的SetpointBeta的值和Beta的值的差值)分解成较小的值(0.1),这样小车不会因为方向调整剧烈而倾倒。更新参数到网络共享变量。
Position Chart:读取myBOT的位置信息(x,y)并存储到数组中,以在图表中显示轨迹。将位置信息输入到myBOT-PositionController VI,输出x’和Beta的setpoint值,其目的是将当前位置和预设的Position Setpoint值之间较大的差值分解成较小的值,以避免小车因为调整剧烈而倾倒。在Position Controller On的时候更新Setpoint值。
Remote Control:当启用远程控制的时候,通过网络共享变量读取上位机中设置的参量值;
ConnectorC和Onboard没有实际意义,仅作测试和扩展使用。
Stop:停止Control Loop。
3)控制回路
程序设计结构如图4所示。
(1)读取当前控制器的类型,根据当前设置的运动速度Setpoint Velocity(x’)的值和运动使能信号,由Controller VI来计算Tmot值。在这个VI中,首先,根据当前速度x’和目标速度Setpoint Velocity(x’)的差值来计算myBOT需要倾斜的角度。因为倾倒的角度越大,小车为了保持平衡,myBOT前进的速度就越快,直到其速度值逼近预设的目标速度为止。
(2)计算实际输出的Tmot的值。其中Tmot Offset的值用于消除死区效应,而TmotMax的值控制Tmot的输出范围为-1到1。
(3)将计算得到的Tmot值写入到motor中(FPGA中);
(4)读取当前myBOT倾倒的角速度值,并写入到FPGA中;
(5)判断是否停止控制循环;
(6)更新Motor Setting。
4)载入程序
(1)打开项目文件myBOTv1.lvproj,打开NI myRIO下文件,打开myBOT.vi。
(2)如果用无线网烧写程序,电脑的无线网卡需要连接上myRIO所在的的无线网或myRIO自建的无线网,然后输入myRIO的IP地址。若使用USB烧写,也需要输入正确的IP地址172.22.11.1,当使用WIFI时,IP地址为172.16.0.1。
(3)点击myBOT.vi的运行按钮,等待部署完成。
5)测试
准备工作:连接小车所需各模块,打开下载myBOT.vi程序,点击FrictionCompensation按钮,打开下载myBOT RemoteControl.vi程序,控制前进后退控件。
本发明中只对PID的参数着重进行调整和讨论。调整PID时,要找到小车的平衡位置,才能对其进行调试,否则调整的PID参数没有意义。参数右边是角度和角速度的波形图,这决定着myRIO对电机输出的PWM波,影响车轮的运动状态。
(1)烧写程序,调节PID后,前面板里有几个标签页,首先是“ControllerSettings”标签页里面选择PID标签页,里面“PID Gains”包含三个主要参数,“FrictionCompensation”按钮需要点亮,否则电机会不转。在这个标签页里,有PID的参数,平衡控制参数,LQR参数三个页面。这三个页面的参数都是可以直接改变的,在运行程序的过程中,直接改变三个页面内的参数,会令小车产生不同的平衡效果。
(2)在主标签页下方,还有一个“Motors On”按钮,点亮才能使能电机的转动,否则电机一直停转。
(3)然后选择“Velocity Chart”标签页,运行时会传回小车的倾角变化。
(5)调节PID参数,找小车平衡位置。
(4)运行myBOT RemoteControl.vi,滑动前面板的控制按钮。
由于在光滑程度不同的地面上,小车参数都不同。
在木质地面上时,小车需要将平衡点改为0.080078125,PID参数改为P:1.5,I:0.48,D:95时,小车能够平衡,且状态良好。
在水泥地面上时,小车需要将平衡点改为-0.01953125,PID参数改为P:9,I:0.48,D:215时,小车能够平衡,且状态良好。
在大理石地面时,小车PID参数为:P:1,I:0.48,D:65,平衡点为0.01953125,此时小车抖动较大,不加控制时小车往左前方移动。对其施加控制后,小车会朝控制的方向移动,且向左。此时,小车姿态示意图如图5所示,小车倾角变化如图6所示。
至少可以达到以下有益效果:
1)采用的myRIO能够实现在软件界面直接控制物体,实现软件和硬件的完美对接,这是一些普通平台无法实现的。同时,它能具有WiFi功能,能远程实时监控和控制平衡车的状态。
2)本发明能通过陀螺仪检测到小车倾斜时的车身角度和角速度变化,并采用加速度计对陀螺仪的测量结果进行修正,获得准确的角度信息。
3)本发明采用myRIO嵌入式硬件装置,性能高,价格低,使用方便,实现在软件界面直接控制物体,实现软件和硬件的完美对接,大大缩短了信号处理时间。
4)本发明采用的myRIO加速计模块在使用时无需编程定义可以直接拖拽使用,使用方便,简化了硬件构成,提高了控制系统性能。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统,其特征在于,主要包括:
感应模块,采集小车的运动参数并输入到主控制模块;
主控制模块,接收感应模块传输的小车运动参数并处理,输出PWM信号和电机转动方向控制信号到直流减速电机,并将自平衡小车控制状态通过通信模块发送到上位机;
直流减速电机,利用齿轮的速度作为转换器,将电动机的回转数减速到所要的回转数;
电机驱动模块,控制所述的直流减速电机的运行,包括直流减速电机的调速、运行、停止、步进或匀速的控制;
通信模块,将主控模块信号传输至上位机;
上位机,监控小车运行状态,并显示小车的运动参数;
供电模块,为所述的主控制模块和电机驱动模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统,其特征在于,所述感应模块包括myRIO加速计模块和陀螺仪模块,且myRIO加速度计模块对陀螺仪模块的测量结果进行修正。
3.根据权利要求1所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统,其特征在于,所述主控制模块为myRIO主控制模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统,其特征在于,所述通信模块包括WIFI通信和有线通信。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统,其特征在于,所述myRIO主控制器模块分别与myRIO加速计模块、陀螺仪模块、直流减速电机、供电模块、WIFI通信模块相连接,所述WIFI通信模块还与上位机相连接,所述供电模块、直流减速电机均与电机驱动模块相连接。
6.一种基于myRIO平台的自平衡小车控制方法,其特征在于,主要包括:
步骤1:读取当前控制器的类型,根据当前设置的运动速度Setpoint Velocity(x’)的值和运动使能信号,由Controller VI来计算Tmot值;
步骤2:计算实际输出的Tmot的值;
步骤3:将计算得到的Tmot值写入到motor中(FPGA中);
步骤4:读取当前myBOT倾倒的角速度值,并写入到FPGA中;
步骤5:判断是否停止控制循环;
步骤6:更新Motor Setting。
7.根据权利要求6所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制方法,其特征在于,步骤1中所述控制器的类型包括:LQR、PD(Balance Controller)和PID参数的值,其中LQR参数中,速度参量的系数都被放大了1000倍;更新控制器的类型,实时只有一种被选择的控制器来控制my-BOT。
8.根据权利要求6所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制方法,其特征在于,步骤1中所述运动使能信号为读取myBOT的位置信息,包括绝对坐标系中myBOT沿着x轴方向的运动速度x’和myBOT当前运动方向和x轴正方向的夹角,即myBOT转过的角度Beta。
9.根据权利要求6所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制方法,其特征在于,所述步骤1还包括:
在Controller VI中,根据当前速度x’和目标速度Setpoint Velocity(x’)的差值来计算myBOT需要倾斜的角度,因为倾倒的角度越大,小车为了保持平衡,myBOT前进的速度就越快,直到其速度值逼近预设的目标速度为止。
10.根据权利要求6所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制方法,其特征在于,所述步骤2还包括:
Tmot的值用于控制电机的速度,其绝对值为对应PWM信号的占空比,其中Tmot Offset的值用于消除死区效应,而Tmot Max的值控制Tmot的输出范围为-1到1。
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