CN108944570A - 一种单车轮小车平衡控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种单车轮小车平衡控制系统，涉及姿态控制领域。本发明包括：主控制器；角速度测量模块测量小车角速度信号；加速度测量模块测量小车加速度信号；转速测量模块测量小车转速信号；方向测量模块测量小车方向信号；计算机；直流电机驱动模块；车轮电机；电源模块；通过主控制器利用卡尔曼滤波算法对角速度信号和加速度信号进行优化滤波处理计算得小车的姿态倾角数据；主控制器利用PID算法对姿态倾角数据、速度信号和方向信号进行计算得到PWM信号，计算机输出控制指令驱动直流电机驱动模块，驱动车轮电机运转，实现单车轮小车的姿态调整和平衡控制。本发明体积小、控制过程简单，易于实现，测量精度高。

Description

一种单车轮小车平衡控制系统
技术领域
本发明涉及姿态控制技术领域，具体涉及一种单车轮小车平衡控制系统。
背景技术
电力系统是一种由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。因此，在电力系统中，经常会铺设或设置一些线缆用于实现电能的输出。在运输线缆时会用到一种运输小车，小车通常会采用单车轮实现移动。单车轮自平衡小车是比较不稳定的，在移动过程中具有多变量、非线性、强耦合等问题。为了保证单车轮小车移动的稳定性，需要对小车的各种状态参数进行实时分析，使其在水平方向和垂直方向上的位移和角度的偏移量保持在可控范围内，使之在静态平衡点附近保持平衡。
为此，需要专门设计一套适用于单车轮小车平衡控制的系统，实现单车轮小车姿态控制的准确性和实时性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种单车轮小车平衡控制系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种单车轮小车平衡控制系统，包括：
主控制器；
与主控制器相连的角速度测量模块，用于测量小车的角速度信号；
与主控制器相连的加速度测量模块，用于测量小车的加速度信号；
与主控制器相连的转速测量模块，用于测量小车的转速信号；
与主控制器相连的方向测量模块，用于测量小车的方向信号；
通过信号传输模块与主控制器相连的计算机；
与计算机相连的直流电机驱动模块；
与直流电机驱动模块相连的车轮电机；
与信号传输模块和直流电机驱动模块相连的电源模块，用于给直流电机驱动模块、信号传输模块、主控制器、速度测量模块、加速度测量模块、转速测量模块、方向测量模块供电；
通过主控制器利用卡尔曼滤波算法对角速度信号和加速度信号进行优化滤波处理，对所获得信号进行计算得到小车的姿态倾角数据；
所述主控制器利用PID算法对姿态倾角数据、速度信号和方向信号进行计算得到用于驱动直流电机驱动模块的PWM信号，通过信号传输模块传输给计算机，计算机输出控制指令驱动直流电机驱动模块，驱动车轮电机运转，实现单车轮小车的姿态调整和平衡控制。
进一步的，所述主控制器采用意法半导体公司的STM32F103C8T6，该芯片是一种Cortex M3内核的高性能MCU，运行时钟最高为72MHz，运算速度1.25DMIPS/MHz，片上64kBFlash ROM、20kB RAM，内含7个定时器，能输出多路PWM信号。
进一步的，所述主控制器中的软件程序包括：数据采集程序、卡尔曼滤波程序、车速及运动方向检测程序、PID控制程序、直流电机PWM控制程序、信号传输模块数据处理程序。
进一步的，所述角速度测量模块的电路包括：电容C1-C7、电阻R1-R9，运算放大器、电压模块E、电压模块F；
所述电压模块E的引脚2接地，引脚3接3.3V电源，电压模块E的引脚2和引脚3分别连接电容C1的两端；电压模块E的引脚1通过一电阻R1连接运算放大器的引脚3，电压模块E的引脚4通过一电阻R2连接运算放大器的引脚2；电阻R1的另一端连接电阻R5，电阻R5的另一端连接电阻R3一端和电阻R4一端，电阻R3另一端接地，电阻R4另一端连接3.3V电源，且电阻R4此端连接一电容C2，电容C2另一端接地；电阻R2的另一端连接电阻R6和运算放大器的引脚2，电阻R6的两端并联一电容C3；电阻R6的另一端连接运算放大器的引脚1，运算放大器的引脚4接地；由电阻R1和电阻R2组成高通滤波器，由电阻R6和电容C3组成低通滤波器，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器输出信号进行处理，降低信号噪声；
所述电压模块F的引脚2接地，引脚3接3.3V电源，电压模块F的引脚2和引脚3分别连接电容C4的两端；电压模块F的引脚1和引脚2分别连接电容C5的两端；电压模块F的引脚4连接一电容C6，电容C6另一端和电压模块F的引脚1分别连接电阻R7的两端；电容C6还与运算放大器的引脚5相连，电压模块F的引脚1还与电阻R8一端连接，电阻R8另一端与电容C7一端、电阻R9一端、运算放大器的引脚6相连；电容C7另一端、电阻R9另一端与运算放大器的引脚7相连；由电容C6和电阻R7组成高通滤波器，由电容C7和电阻R9组成低通滤波器，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器输出信号进行处理，降低信号噪声。
进一步的，所述电容C1的电容值为0.1μF，电容C2的电容值为0.1μF，电容C3的电容值为0.1μF，电容C4的电容值为0.1μF，电容C5的电容值为4.7μF，电容C6的电容值为4.7μF，电容C7的电容值为1800pF。
进一步的，所述电阻R1的电阻值为5.1kΩ，电阻R2的电阻值为5.1kΩ，电阻R3的电阻值为1kΩ，电阻R4的电阻值为1kΩ，电阻R5的电阻值为51kΩ，电阻R7的电阻值为100kΩ，电阻R8的电阻值为100kΩ，电阻R9的电阻值为90kΩ。
进一步的，所述运算放大器采用的型号为LMV358。
进一步的，所述加速度测量模块具体采用西化仪(北京)科技有限公司、型号为MN21/ADIS16355TM的三轴陀螺仪/三轴加速度计；数字范围比例缩放；±75，±150，±300°/s设置；14位分辨率；三轴加速度计；±10g测量范围；14位分辨率；全温补偿，350Hz带宽；出厂校准灵敏度，漂移和轴校准-40℃～85℃；数字控制漂移校准；数字控制取样速率；数字控制滤波；可编程条件监测；附属数字输入/输出；数字启动自检；可编程电源管理；嵌入温度传感器；SPI兼容串口；附属12位ADC输入和DAC输出；单电源操作：4.75V～5.25V；2000g冲击承受力。
进一步的，所述转速测量模块采用WO-FNPW2光纤转速传感器，型号：WO-FNPW2，品牌：Winlenk。
进一步的，所述方向测量模块采用TXB0104，一种具有自动方向感应和+/-15kVESD保护的4位双向电压电平转换器。
进一步的，所述信号传输模块采用上海迅瞻电子科技第三代串口WLAN模块，型号为SSC-WiFi-03。
进一步的，所述电源模块采用西门子、型号为6EP1系列电源。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用高性能的单片机STM32F103C8T6，利用卡尔曼融合算法对所获得信号进行计算得到小车的姿态倾角数据，自平衡控制范围约±15度左右，小车在计算机向直流电机驱动模块发出的指令下实现前进、倒退、转弯、停止等动作，控制过程稳定、可靠，小车的姿态信息采集实时性好，提高了自平衡小车稳定性和抗干扰能力。
2、在角速度测量模块中，使用了高通滤波器和低通滤波器对输出信号进行处理，可以有效减小温漂带来的影响，高通滤波器能够去除输出的直流分量。同时，为了降低30-33kHz的噪声即角速度测量模块的谐振频率，采用一个截至频率(约为50kHz)比上述谐振频率更高的低通滤波器实现。
3、本发明的系统具有体积小、控制过程简单、易于实现、测量精度高等优点。
附图说明
图1为本发明的一种单车轮小车平衡控制系统的结构框图。
图2为角速度测量模块的电路图(水平方向)。
图3为角速度测量模块的电路图(垂直方向)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种单车轮小车平衡控制系统，主要包括：计算机、信号传输模块、电源模块、直流电机驱动模块、车轮电机、主控制器、角速度测量模块、加速度测量模块、转速测量模块、方向测量模块。
计算机与信号传输模块和直流电机驱动模块相连，直流电机驱动模块与车轮电机相连，电源模块与信号传输模块和直流电机驱动模块相连，信号传输模块与主控制器相连，角速度测量模块、加速度测量模块、转速测量模块、方向测量模块、信号传输模块均与主控制器相连。通过电源模块给直流电机驱动模块、信号传输模块、主控制器以及速度测量模块、加速度测量模块、转速测量模块、方向测量模块供电。
通过角速度测量模块测量小车的角速度信号，角速度信号由主控制器接收，角速度信号中可能含有噪声会导致最终的控制结果不够精确，因此，主控制器在接收到角速度信号后利用卡尔曼滤波算法将角速度信号进行优化滤波处理，补偿角速度传感器的漂移误差，从而得到准确的测量结果。
通过加速度测量模块测量小车的加速度信号，加速度信号由主控制器接收，加速度信号中可能含有噪声会导致最终的控制结果不够精确，因此，主控制器在接收到加速度信号后利用卡尔曼滤波算法将加速度信号进行优化滤波处理，补偿加速度测量模块的动态误差，从而得到准确的测量结果。
通过主控制器利用卡尔曼滤波算法对角速度信号和加速度信号进行优化滤波处理，然后利用卡尔曼融合算法对所获得信号进行计算得到小车的姿态倾角数据。单独使用角速度测量模块或单独使用加速度测量模块都无法实现小车姿态倾角的测量。
通过转速测量模块测量小车单车轮的速度信号，速度信号由主控制器接收。
通过方向测量模块测量小车行驶的方向信号，方向信号由主控制器接收。
主控制器利用PID算法对姿态倾角数据、速度信号和方向信号进行计算得到用于驱动直流电机驱动模块的PWM信号，通过信号传输模块传输给计算机，计算机输出控制指令驱动直流电机驱动模块，从而驱动车轮电机按照规定的方式运转，实现单车轮小车的姿态调整和平衡控制。
主控制器采用意法半导体公司的STM32F103C8T6，该芯片是一种Cortex M3内核的高性能MCU，运行时钟最高为72MHz，运算速度高达1.25DMIPS/MHz，片上64kB Flash ROM、20kB RAM，内含7个定时器，可输出多路PWM信号。主控制器中的软件程序主要包括：数据采集程序、卡尔曼滤波程序、车速及运动方向检测程序、PID控制程序、直流电机PWM控制程序、信号传输模块数据处理程序。
角速度测量模块的电路如图2所示。主要包括：电容C1-C7、电阻R1-R9，运算放大器、电压模块E、电压模块F。
如图2所述，电压模块E的引脚2接地，引脚3接3.3V电源，电压模块E的引脚2和引脚3分别连接电容C1的两端。电压模块E的引脚1通过一电阻R1连接运算放大器的引脚3，电压模块E的引脚4通过一电阻R2连接运算放大器的引脚2。电阻R1的另一端连接电阻R5，电阻R5的另一端连接电阻R3一端和电阻R4一端，电阻R3另一端接地，电阻R4另一端连接3.3V电源，并且电阻R4此端连接一电容C2，电容C2另一端接地。电阻R2的另一端连接电阻R6和运算放大器的引脚2，电阻R6的两端并联一电容C3。电阻R6的另一端连接运算放大器的引脚1，运算放大器的引脚4接地。通过上述元器件之间的配合实现水平方向的角速度测量。由电阻R1和电阻R2组成高通滤波器，由电阻R6和电容C3组成低通滤波器，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器输出信号进行处理，降低信号噪声。
如图3所示，电压模块F的引脚2接地，引脚3接3.3V电源，电压模块F的引脚2和引脚3分别连接电容C4的两端。电压模块F的引脚1和引脚2分别连接电容C5的两端。电压模块F的引脚4连接一电容C6，电容C6另一端和电压模块F的引脚1分别连接电阻R7的两端。电容C6还与运算放大器的引脚5相连，电压模块F的引脚1还与电阻R8一端连接，电阻R8另一端与电容C7一端、电阻R9一端、运算放大器的引脚6相连。电容C7另一端、电阻R9另一端与运算放大器的引脚7相连。通过上述元器件之间的配合实现垂直方向的角速度测量。由电容C6和电阻R7组成高通滤波器，由电容C7和电阻R9组成低通滤波器，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器输出信号进行处理，降低信号噪声。
电容C1的电容值为0.1μF，电容C2的电容值为0.1μF，电容C3的电容值为0.1μF。电阻R1的电阻值为5.1kΩ，电阻R2的电阻值为5.1kΩ，电阻R3的电阻值为1kΩ，电阻R4的电阻值为1kΩ，电阻R5的电阻值为51kΩ。
电容C4的电容值为0.1μF，电容C5的电容值为4.7μF，电容C6的电容值为4.7μF，电容C7的电容值为1800pF。电阻R7的电阻值为100kΩ，电阻R8的电阻值为100kΩ，电阻R9的电阻值为90kΩ。
运算放大器采用的型号为LMV358。特性：低输入失调电压：±1mV；轨至轨输出；单位增益带宽：1MHz；低输入偏置电流：10pA；低静态电流：80μA/通道；内部射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)滤波器，可在低至2.5V的电源电压下运行，由于具有电阻式开环输出阻抗，因此可在更高的电容负载下更轻松地实现稳定输出。扩展温度范围：-40度至+125度。
加速度测量模块具体采用西化仪(北京)科技有限公司、型号为MN21/ADIS16355TM的三轴陀螺仪/三轴加速度计。特点：三轴陀螺，数字范围比例缩放；±75，±150，±300°/s设置；14位分辨率；三轴加速度计；±10g测量范围；14位分辨率；全温补偿，350Hz带宽；出厂校准灵敏度，漂移和轴校准-40℃～85℃。数字控制漂移校准；数字控制取样速率；数字控制滤波；可编程条件监测；附属数字输入/输出。数字启动自检；可编程电源管理；嵌入温度传感器；SPI兼容串口；附属12位ADC输入和DAC输出；单电源操作：4.75V～5.25V；2000g冲击承受力。应用：导向控制；平台控制与稳定；运动控制与分析；惯性测量系统；综合导航；图像稳定。
转速测量模块采用：采用WO-FNPW2光纤转速传感器，型号：WO-FNPW2，品牌：Winlenk。
方向测量模块采用TXB0104，一种具有自动方向感应和+/-15kV ESD保护的4位双向电压电平转换器。
信号传输模块采用上海迅瞻电子科技第三代串口WLAN模块，型号为SSC-WiFi-03。
电源模块采用西门子、型号为6EP1系列电源。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，包括：
主控制器；
与主控制器相连的角速度测量模块，用于测量小车的角速度信号；
与主控制器相连的加速度测量模块，用于测量小车的加速度信号；
与主控制器相连的转速测量模块，用于测量小车的转速信号；
与主控制器相连的方向测量模块，用于测量小车的方向信号；
通过信号传输模块与主控制器相连的计算机；
与计算机相连的直流电机驱动模块；
与直流电机驱动模块相连的车轮电机；
与信号传输模块和直流电机驱动模块相连的电源模块，用于给直流电机驱动模块、信号传输模块、主控制器、速度测量模块、加速度测量模块、转速测量模块、方向测量模块供电；
通过主控制器利用卡尔曼滤波算法对角速度信号和加速度信号进行优化滤波处理，对所获得信号进行计算得到小车的姿态倾角数据；
所述主控制器利用PID算法对姿态倾角数据、速度信号和方向信号进行计算得到用于驱动直流电机驱动模块的PWM信号，通过信号传输模块传输给计算机，计算机输出控制指令驱动直流电机驱动模块，驱动车轮电机运转，实现单车轮小车的姿态调整和平衡控制。
2.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述主控制器采用意法半导体公司的STM32F103C8T6，该芯片是一种Cortex M3内核的高性能MCU，运行时钟最高为72MHz，运算速度1.25DMIPS/MHz，片上64kB Flash ROM、20kB RAM，内含7个定时器，能输出多路PWM信号。
3.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述主控制器中的软件程序包括：数据采集程序、卡尔曼滤波程序、车速及运动方向检测程序、PID控制程序、直流电机PWM控制程序、信号传输模块数据处理程序。
4.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述角速度测量模块的电路包括：电容(C1-C7)、电阻(R1-R9)，运算放大器、电压模块(E)、电压模块(F)；
所述电压模块(E)的引脚(2)接地，引脚(3)接3.3V电源，电压模块(E)的引脚(2)和引脚(3)分别连接电容(C1)的两端；电压模块(E)的引脚(1)通过一电阻(R1)连接运算放大器的引脚(3)，电压模块(E)的引脚(4)通过一电阻(R2)连接运算放大器的引脚(2)；电阻(R1)的另一端连接电阻(R5)，电阻(R5)的另一端连接电阻(R3)一端和电阻(R4)一端，电阻(R3)另一端接地，电阻(R4)另一端连接3.3V电源，且电阻(R4)此端连接一电容(C2)，电容(C2)另一端接地；电阻(R2)的另一端连接电阻(R6)和运算放大器的引脚(2)，电阻(R6)的两端并联一电容(C3)；电阻(R6)的另一端连接运算放大器的引脚(1)，运算放大器的引脚(4)接地；由电阻(R1)和电阻(R2)组成高通滤波器，由电阻(R6)和电容(C3)组成低通滤波器，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器输出信号进行处理，降低信号噪声；
所述电压模块(F)的引脚(2)接地，引脚(3)接3.3V电源，电压模块(F)的引脚(2)和引脚(3)分别连接电容(C4)的两端；电压模块(F)的引脚(1)和引脚(2)分别连接电容(C5)的两端；电压模块(F)的引脚(4)连接一电容(C6)，电容(C6)另一端和电压模块(F)的引脚(1)分别连接电阻(R7)的两端；电容(C6)还与运算放大器的引脚(5)相连，电压模块(F)的引脚(1)还与电阻(R8)一端连接，电阻(R8)另一端与电容(C7)一端、电阻(R9)一端、运算放大器的引脚(6)相连；电容(C7)另一端、电阻(R9)另一端与运算放大器的引脚(7)相连；由电容(C6)和电阻(R7)组成高通滤波器，由电容(C7)和电阻(R9)组成低通滤波器，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器输出信号进行处理，降低信号噪声。
5.根据权利要求4所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述电容(C1)的电容值为0.1μF，电容(C2)的电容值为0.1μF，电容(C3)的电容值为0.1μF，电容(C4)的电容值为0.1μF，电容(C5)的电容值为4.7μF，电容(C6)的电容值为4.7μF，电容(C7)的电容值为1800pF；
所述电阻(R1)的电阻值为5.1kΩ，电阻(R2)的电阻值为5.1kΩ，电阻(R3)的电阻值为1kΩ，电阻(R4)的电阻值为1kΩ，电阻(R5)的电阻值为51kΩ，电阻(R7)的电阻值为100kΩ，电阻(R8)的电阻值为100kΩ，电阻(R9)的电阻值为90kΩ。
6.根据权利要求4所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述运算放大器采用的型号为LMV358。
7.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述加速度测量模块具体采用西化仪(北京)科技有限公司、型号为MN21/ADIS16355TM的三轴陀螺仪/三轴加速度计；数字范围比例缩放；±75，±150，±300°/s设置；14位分辨率；三轴加速度计；±10g测量范围；14位分辨率；全温补偿，350Hz带宽；出厂校准灵敏度，漂移和轴校准-40℃～85℃；数字控制漂移校准；数字控制取样速率；数字控制滤波；可编程条件监测；附属数字输入/输出；数字启动自检；可编程电源管理；嵌入温度传感器；SPI兼容串口；附属12位ADC输入和DAC输出；单电源操作：4.75V～5.25V；2000g冲击承受力。
8.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述转速测量模块采用WO-FNPW2光纤转速传感器，型号：WO-FNPW2，品牌：Winlenk。
9.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述方向测量模块采用TXB0104，一种具有自动方向感应和+/-15kV ESD保护的4位双向电压电平转换器。
10.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述信号传输模块采用上海迅瞻电子科技第三代串口WLAN模块，型号为SSC-WiFi-03；所述电源模块采用西门子、型号为6EP1系列电源。
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