Ji Wei1, Zeng Xianyang2, Zuo Cuicui2, Li Shiyao3
(1. Sekolah Otomasi, Institut Teknologi Nanjing, Nanjing, Jiangsu, 211167; 2. Pusat Industri, Institut Teknologi Nanjing, Nanjing, Jiangsu, 211167; 3. Sekolah Teknik Tenaga Listrik, Institut Teknologi Nanjing, Nanjing, Jiangsu, 211167)
: Mobil keseimbangan yang ada di pasar perlu berdiri di atas mobil untuk mengoperasikan tuas jarak jauh untuk mengontrol, dan jangkauan aplikasinya kecil.Oleh karena itu, komputer mikro chip tunggal STM32 dirancang sebagai chip kontrol utama, dan sistem dirancang untuk kendali jarak jauh dengan komputer host Android. Sensor kamera on-board dan sensor suhu dan kelembapan dapat merekam lingkungan sekitar secara real time, meminta mekanisme pemrosesan yang sesuai untuk merespons lingkungan, dan memastikan bahwa pengguna memiliki masa pakai yang lebih aman, lebih andal, dan lebih lama yang dapat dikontrol dari jarak jauh dan seimbang secara mandiri. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kendaraan self-balancing roda dua yang dirancang memiliki stabilitas keseimbangan yang baik dan kemampuan anti-interferensi yang kuat, serta dapat mewujudkan kendali keseimbangan jarak jauh dari sistem Android.
: STM32 MCU; Sistem Android; remote control; mobil self-balancing; kamera
: U283.1 Kode Identifikasi Dokumen: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.02.027
Format kutipan : Ji Wei, Zeng Xianyang, Zuo Cicui, dkk. Desain kendaraan self-balancing roda dua berdasarkan STM32 dan remote control sistem Android J. Microcomputer and Application, 2017,36 (2): 90-92,99.
0 Kata Pengantar
* Proyek Dana: Program Pelatihan Inovasi Praktik Mahasiswa Universitas Jiangsu (201411276041Y) Saat ini, dengan perkembangan teknologi sensor, sepeda keseimbangan semakin banyak digunakan dalam transportasi, keamanan, inspeksi, dll [1-2]. Sebagai alat baru dalam industri transportasi dan keamanan, mobil keseimbangan tidak hanya memiliki persyaratan stabilitas yang tinggi, tetapi juga memiliki kebutuhan mendesak untuk kendali jarak jauh dan pemantauan waktu nyata. Makalah ini merancang mobil keseimbangan berdasarkan kontrol klien komputer host Android jarak jauh, sehingga dapat memiliki aplikasi yang lebih luas dalam mengemudi jarak jauh, keamanan, inspeksi, dll.
1 Ide desain sistem
1.1 Analisis prinsip sistem [34]
Prinsip mekanik mobil timbangan ini mirip dengan prinsip mekanik mobil timbangan, seperti terlihat pada gambar 1. Berdasarkan hasil analisis, rumus perhitungan gaya pemulih mobil timbangan:
mgsin macosmg mk1
Diantaranya, k1 adalah faktor proporsional dari percepatan roda a dan sudut defleksi di bawah kendali umpan balik negatif. Dengan mengabaikan hambatan dan gesekan udara, diperoleh rumus berikut:
F = mg mk1 mk2
Percepatannya a adalah:
a = k1 + k2
adalah sudut kemiringan model mobil, dan 'adalah kecepatan sudut, sehingga selama sudut kemiringan dan kecepatan sudut diperoleh, percepatan model mobil dapat dihitung, dan gelombang PWM siklus kerja yang sesuai dapat diperoleh untuk mengontrol keseimbangan mobil secara akurat.
1.2 Ide desain keseluruhan dari sistem
Sistem memilih komputer mikro chip tunggal STM32 sebagai chip kontrol utama, mengumpulkan dan memproses sensor kamera, encoder, sensor suhu dan kelembaban, dan instruksi yang dikirim oleh komputer atas, dan mengirimkan data ke komputer atas melalui modul transmisi video nirkabel setelah diproses, dan menggunakan APP berdasarkan sistem ponsel Android. Remote control dan pemrosesan data jarak jauh untuk meningkatkan otonomi, keamanan, dan keandalan sistem. Diagram blok desain keseluruhan dari sistem ditunjukkan pada Gambar 2.
2 desain sirkuit perangkat keras
2.1 Rancangan rangkaian sistem minimum mikrokontroler STM32
Sistem ini memilih komputer mikro chip tunggal STM32F103C8T6 yang diproduksi oleh perusahaan ST sebagai unit kontrol utama [5], frekuensi utama setinggi 72 MHz, dapat mengeluarkan beberapa sinyal PWM, dan sumber daya periferal terintegrasi on-chip yang kaya. Sirkuit sistem minimum ditunjukkan pada Gambar 3, yang mencakup sirkuit jam eksternal, sirkuit reset, sirkuit tampilan OLED, dan sirkuit interaktif tombol.
2.2 Desain sirkuit modul penggerak motor
Rangkaian modul penggerak motor L298N yang dirancang dalam makalah ini ditunjukkan pada Gambar 4 [6-7]. Modul ini ditenagai oleh 12 V dan keluaran 5 V. Ini dapat memasukkan 4 sinyal PWM dan 2 mengaktifkan sinyal, yang sepenuhnya memenuhi kebutuhan sebenarnya untuk mengendalikan rotasi maju dan mundur dari dua roda mobil keseimbangan.
2.3 Desain modul transmisi video WiFi
Desain sistem modul WiFi Robot-Link V5.0, bandwidth 300 Mb / s OPENWRT router, modul ini setara dengan server, membuka koneksi TCP, setelah mengakses jaringan eksternal, dapat mengirimkan video melalui jaringan, pekerjaan stabil, video Bersih. Pengguna dapat memperoleh video yang diambil oleh kamera melalui aplikasi ponsel atau program komputer host di sisi PC melalui protokol TCP.
2.4 Perancangan rangkaian modul sensor
Untuk memenuhi kebutuhan deteksi kemiringan mobil keseimbangan, sensor enam sumbu MPU6050 digunakan untuk mendeteksi kemiringan [8]. Chip tersebut memiliki konverter AD 16-bit, keluaran data 16-bit, catu daya 3 hingga 5 V, dan protokol komunikasi I2C standar. Seri MPU-6000 mengintegrasikan giroskop 3 sumbu dan mesin akselerasi hardware accelerator motion processing (DMP) 3 sumbu, dari port I2C utama ke sisi aplikasi dalam bentuk aliran data tunggal. Gambar 5 Rangkaian modul sensor MPU6050
Menghasilkan teknologi penghitungan fusi 9 sumbu lengkap. Anda juga dapat melakukan perhitungan data sendiri untuk mendapatkan nilai sudut yang stabil Rangkaian yang dirancang ditunjukkan pada Gambar 5.
2.5 Perancangan modul sensor suhu dan kelembaban
Untuk memenuhi kebutuhan perancangan, sistem juga dilengkapi dengan sensor suhu dan kelembaban DHT11 [9-10], yang dapat mendeteksi kelembaban dan suhu lingkungan sekitar.Rentang pengukuran kelembaban: 20 ~ 95% RH (range 0 ~ 50 ), kesalahan pengukuran kelembaban: ± 5%, rentang pengukuran suhu: 0 ~ 50 , kesalahan pengukuran suhu: ± 2 , keluaran dalam kuantitas digital. DHT11 tidak hanya dapat beradaptasi dengan lingkungan kerja normal mobil keseimbangan, tetapi juga desain bus tunggal menghemat port IO, yang membantu menyederhanakan desain sirkuit.Skema rangkaian desain ditunjukkan pada Gambar 6.
2.6 Desain modul catu daya
Karena penggerak motor akan menyebabkan gangguan yang lebih besar pada stabilitas rangkaian, dan modul transmisi video WiFi membutuhkan arus 1 A yang stabil, ringkasnya, rangkaian daya sistem ini mengadopsi metode desain multi-daya, yang secara efektif mengisolasi motor dari rangkaian. Ini juga dapat memberikan arus masukan yang stabil ke modul WiFi, yang meningkatkan stabilitas operasi sistem. Gambar 7 adalah diagram mode distribusi daya dari modul daya sistem.
3 pemrograman perangkat lunak
3.1 Perhitungan sikap dan pemfilteran data 1113
Ketika data giroskop terakumulasi dengan waktu, kesalahan akan terjadi. Perhitungan sikap terutama berkisar pada kompensasi kesalahan jangka panjang giroskop. Pertama, nilai yang dikumpulkan oleh akselerometer diubah menjadi vektor satuan, yaitu vektor dibagi dengan modulus, dan Parameter input adalah nilai sumbu X, Y, dan Z dari giroskop dan nilai akselerasi sumbu X, Y, dan Z. Vektor satuan gravitasi terakhir dihitung melalui kuaternion. Karena kesalahan vektor adalah hasil kali silang vektor, Hitung vektor satuan gravitasi yang diwakili oleh percepatan dan vektor satuan gravitasi yang diperoleh keempat elemen untuk mendapatkan kesalahan gravitasi. Kesalahan tersebut terintegrasi dan dikompensasikan dengan giroskop. Metode Runge-Kutta orde pertama digunakan untuk menyelesaikan kuaternion. Hubungan antara quaternion dan sudut Euler diselesaikan untuk sudut Euler. Setelah mendapatkan sudut Euler, filter data, coba gunakan filter komplementer, filter Kalman dan DMP, dan akhirnya ditemukan bahwa followability data Kalman memenuhi persyaratan dan stabilitasnya sangat baik.
Bentuk gelombang sebelum dan sesudah penyaringan Kalman ditunjukkan pada Gambar 8. Dari gambar tersebut, terlihat bahwa gangguan data sebelum penyaringan besar, dan terdapat banyak sinyal yang tidak stabil.Setelah penyaringan Kalman, bentuk gelombang lebih halus dan kestabilan sangat meningkat. Memberikan perlindungan.
3.2 Desain algoritma kendali
Prosedur pengendalian sistem ditunjukkan seperti pada Gambar.9.
Sistem ini menggunakan algoritma kontrol penyesuaian PID yang sangat banyak digunakan [14-15] Sistem ini dibagi menjadi tiga loop: loop vertikal, loop kecepatan dan loop berputar. Seperti namanya: cincin tegak adalah untuk mempertahankan keadaan bodi mobil, menggunakan algoritma kontrol penyesuaian PD, tetapi sulit untuk cincin tegak tunggal untuk menjaga badan mobil tetap tegak di bawah gangguan eksternal, sehingga putaran kecepatan diperkenalkan, dan putaran kecepatan menggunakan pengontrol PI. Ini untuk mengontrol sinyal data yang dibaca oleh encoder, dan nilai integralnya dapat menjaga mobil tetap di tempatnya. Karena cincin kemudi tidak memerlukan akurasi tinggi, kontrol P terpisah digunakan. Dengan kerja sama dari tiga cincin, troli yang berjalan stabil akhirnya terwujud.
3.3 Desain perangkat lunak sistem
Sistem ini menggunakan pin interupsi 10 ms dari MPU6050 sebagai periode pengambilan sampel sistem.Data sensor dikumpulkan seminggu sekali dan attitude dihitung untuk mengeluarkan sudut Euler, kemudian data tersebut diolah melalui algoritma filtering. Kemudian baca encoder roda kiri dan kanan untuk mendapatkan nilai kecepatan arus troli, baca nilai sensor suhu dan kelembaban, tentukan apakah suhu dan kelembaban ambien saat ini cocok untuk penempatan balance car, dan tampilkan data pada interface melalui OLED untuk mendapatkan sudut dan kecepatan sudut , Sudut yang diinginkan, nilai encoder roda kiri dan kanan, serta data kontrol dari komputer induk dibawa ke pengontrol PID untuk mendapatkan nilai siklus tugas dari PWM keluaran. Modul transmisi video WiFi akan terus mengumpulkan data video kamera dan mengirimkannya melalui protokol TCP. Pengguna dapat memperoleh video mobil melalui protokol TCP dan mewujudkan remote control mobil.
3.4 Penyetelan parameter PID
Yang terpenting untuk keseimbangan mobil adalah ring upright, jadi ring upright harus disetel dulu. Ring upright menggunakan pengontrol PD. Parameter P disetel dulu, dari kecil ke besar, sampai muncul guncangan di awal, tambah parameter D untuk menghilangkan guncangan . Putaran kecepatan menggunakan pengontrol PI, parameter P dapat meningkatkan kemampuan mobil keseimbangan untuk kembali ke pusat, dan parameter I dapat menyempurnakannya. Cincin kemudi digunakan untuk memastikan mobil dapat berjalan di dalam air Gunakan pengontrol P untuk secara bertahap mengubah parameter sampai mobil dapat tetap datar dan berhenti di tempat.
4. Kesimpulan
Artikel ini menyadari kedudukan stabil dari keseimbangan mobil roda dua, dan dapat melakukan transmisi video jarak jauh dan remote control melalui program klien Android. Kualitas video jelas dan stabilitas remote control tinggi. Skuter keseimbangan tidak perlu dibawa oleh pengguna setiap saat.Selama Anda membuka APP, Anda dapat mengontrol skuter keseimbangan untuk mencapai tempat yang Anda inginkan.Ini dapat digunakan untuk lalu lintas harian, keamanan, inspeksi, dan operasi tak berawak lainnya.
referensi
1 Duan Qichang, Yuan Hongyue, Jin Xudong. Penelitian simulasi tentang kontrol keseimbangan tanpa sensor kendaraan self-balancing roda dua J. Teknik Kontrol, 2013, 20 (4): 618622.
2 Zhang Xiaohua, Zhang Zhijun. Penelitian tentang Kontrol Kopling Kendaraan Listrik Roda Dua Self-balancing J. Teknik Kontrol, 2013, 20 (1): 26-29.
3 Li Xiaofeng, Cui Yunfei, Gao Xueshan, dkk. Pemodelan dinamis dan desain pengontrol robot roda dua dengan sudut ayun kecil J. Jurnal Institut Teknologi Beijing, 2014,34 (10): 1049-1053.
[4] Ma Siyuan, Lu Tingyong, Zhang Lijun. Pengukuran dan kontrol postur gerak kendaraan self-balancing roda dua J. Teknologi Pengukuran dan Kontrol, 2015, 34 (4): 71-73.
[5] Chen Zhiyuan, Zhu Yecheng, Zhou Zhuoquan, dll. Sebuah sistem kendali rumah pintar berdasarkan STM32 J. Penerapan Teknologi Elektronik, 2012, 38 (9): 138-140.
6 Lei Hongmiao, Cheng Yaoyu. Desain optimal dari rangkaian penggerak motor DC berdasarkan L298N J. Teknologi dan Aplikasi Digital, 2012 (2): 118-118.
[7] Kang Huaguang. Dasar-dasar Teknologi Elektronik [M]. Beijing: Pers Pendidikan Tinggi, 2003.
8 Lai Yihan, Wang Kai. Desain sistem kontrol mobil keseimbangan roda dua berdasarkan MPU6050 J. Journal of Henan Institute of Engineering (Natural Science Edition), 2014, 26 (1): 53-57.
9 Han Danao, Wang Fei.Penelitian aplikasi sensor suhu dan kelembaban digital DHT11 J. Teknik Desain Elektronik, 2013, 21 (13): 83-85.
[10] Li Changyou, Wang Wenhua. Desain pengukuran suhu dan kelembaban dan sistem kontrol berdasarkan DHT11 J. Alat Mesin dan Hidraulik, 2013, 41 (13): 107108.
[11] Zhou Liqing, Zhang Yan, An Shu, dkk. Akuisisi sikap gimbal kamera udara berdasarkan filter Kalman perangkat keras J. Penerapan Teknologi Elektronik, 2014, 40 (10): 93-95.
12 Zheng Huiwei, Cui Kun Penerapan filter Kalman dalam kontrol vertikal kendaraan self-balancing roda dua J. Mikrokomputer dan Aplikasi, 2014, 33 (17): 95-97.
13 Fan Binghui, Zhang Kaili, Wang Chuanjiang, dkk. Desain self-balancing tangan prostetik lengan bawah berdasarkan angka empat J. Application of Electronic Technology, 2016, 42 (5): 78-81.
14 Li Shiguang, Wang Wenwen, Shen Mengqian, dkk. Simulasi dan penelitian robot roda empat berdasarkan variabel semesta fuzzy PI J. Sains Teknologi dan Rekayasa, 2016, 16 (10): 191-194.
- Pembahasan catur murni: Ke Jie hanya kalah seperempat, apakah berarti masih ada harapan untuk kembali?
- "The Legend of the Demon Cat" memperlihatkan 12 poster karakter, cahaya hitam dan putih, dan bayangan yang memicu dugaan takdir