Coding Spirit

一位程序员,比较帅的那种

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项目总结(一):平衡车的设计概述

写篇post总结一下当年做平衡车的一些经验。这篇post是概述性质的,详细的软硬件设计以后有时间再写吧。

写在前面

其实大二大三的时候都有参加智能车竞赛(原来叫飞思卡尔智能车竞赛,简称飞赛,后来飞思卡尔被nxp收购,改名恩智浦智能车竞赛..),但是学院有个政策,不允许同一年既参加电子设计竞赛(简称电赛)又参加飞赛,理由是要让更多的同学有机会参加到比赛中(至少老师是这么告诉我们的),于是大二那一年做智能车做到一半就弃权参加电赛去了。不过后来我和我的小伙伴们发现,居然有些同学两个比赛都参加了,这TM就很尴尬了。。

硬件基本架构

概括来讲,需要关心的是三个部份:

1.电源

首先稳压电路是一定会有的,我们选用了LM1117,外围电路简单,使用十分方便,可替代的LDO也不少。另外如果使用MOS管自己搭H桥,就需要boost电路了。

2.主控部分

这个部分包括MCU最小系统以及各种传感器。对于平衡车而言,陀螺仪、角度传感器和编码器、图像传感器都算是核心传感器,一个用于获取角加速度,一个获取当前角度,一个获取电机转速,最后一个当然是识别赛道啦。除此之外,我们还使用了蓝牙模块,自己写了个上位机,无线调车、实时图传简直不能再爽。

3.驱动桥(H桥)

平衡车是有两个电机的,而且两个电机都要求能够正反转,因此需要两个全桥,需要4片BTS7970或者8片mos。大二图方便,使用的是BTS7970,淘宝上一片二三十。。。
大三总裁用mos管搭了一个,效果差不多,成本却低了不少。后来我毕设要用到电机控制又自己画了一块,虽然只是双面板并且为了过大电流大面积开窗,但是花点时间优化layout还是可以把板子做得很小。大三的电路图由于硬盘挂了找不到了:( 贴个毕设搭的MOSH Layout图:

Top
Bottom

设计文件挺早的时候就上传了:
Coding Spirit:MOS_H

MCU选型

大二用的是coldfire,大三用的是K60。Coldfire是freescale自己的架构,当时我们用的mcf52255, 最高80MHz,K60是Cortex-M4,最高100MHz,另外带FPU。
就我的个人感觉来说,K60的综合性能是要好于mcf52255的。另外coldfire资料不如k60多,这点对于初学者来说比较关键,因为从准备到参赛只有几个月的时间,从头开始学一款没接触过的架构的MCU会花掉大量时间。但是Coldfire配合Codewarrior有种STM32CUBEMX的感觉,代码生成感觉还不错。

软件基本架构

首先贴个代码:Coding Spirit:Balance_Car

是否跑RTOS

裸奔和RTOS其实都能做,但由于PID控制的周期性,使用定时器中断控制周期,进行采样、计算、输出显得非常和谐,任务不多的情况下裸奔其实更合理一点。我们也使用了这种方式,通过1ms的定时器中断进行状态机的切换。

PID控制

对于自动化专业的学生来说,这种控制还是蛮简单的。首先平衡车需要实现三个闭环:
1.角度闭环:建议使用PD控制。如果有陀螺仪的话不用计算差分,直接把Kd*陀螺仪测量值作为D项就可以了。我尝试过加入I项,要么系统滞后非常严重,要么没什么用。。。
2.速度闭环:建议使用PI控制。建议不加入D项的原因是系统不需要预测速度,速度是我们直接给定的,比较稳定。
3.转向闭环: 当时使用的是PD控制。D项来源于纵向的陀螺仪测量值,我们担心会出现转向过猛的情况,加入D负反馈限制了转向加速度,不然容易出现P参数过大时车体原地打转的
情况。
另外增量式和位置式PID的选择不用过多纠结,只有速度环有I项,积分饱和的情况很少见。不过积分限幅和输出限幅很有必要,不然车很容易撞坏。。

上位机

我设计了个简陋的通信协议,并且写了两个配套的上位机,一个是初代没有图传功能,用VC++写的,V2.0就用C#写了一个可以实时传输图像的上位机,另外使用了自创的蜜汁压缩,稳定30fps哦!这里吹一波,比那些每4秒1帧的好到不知道哪里去了。但是当时着急用,代码写得很乱。。。
V2.0源代码在此:Coding Spirit:Car_Debugger_V2.0