基于FPGA的平衡小車設(shè)計(jì)

一. 硬件介紹

底板資源:

TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 * 2

MPU6050陀螺儀

WS2812 RGB彩色燈 * 4

紅外接收頭

ESP-01S WIFI

核心板

微相 A7_Lite Artix-7 FPGA開(kāi)發(fā)板

電機(jī)采用的是平衡小車之家的MG310(GMR編碼器)電機(jī)。底板上有兩個(gè)TB6612芯片，可以驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)，除了做平衡小車之外，也可以用來(lái)作為四驅(qū)車的底板，非常nice，同時(shí)支持兩種控制方式，推薦通過(guò)紅外遙控進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，紅外遙控器也非常便宜。

二. RTL 介紹

本次設(shè)計(jì)分為三大部分: MPU6050姿態(tài)解算 ， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)(PWM+編碼器) , 平衡控制，遙控器控制的模塊另外算。其中MPU6050姿態(tài)解算為設(shè)計(jì)的核心，解算出來(lái)的角度越穩(wěn)，平衡控制就越容易，小車也就越穩(wěn)定。平衡控制其核心是調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，參數(shù)調(diào)的好，小車沒(méi)煩惱。

這里只對(duì)框架上做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹

整體架構(gòu)如下

? ? ? ?

1. MPU6050姿態(tài)解算

模塊數(shù)據(jù)流如下圖所示，將獲取到的角度進(jìn)行一個(gè)8階的FIR濾波，加速度進(jìn)行一個(gè)2階的IIR濾波，即可得到相對(duì)平滑一點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)Cordic算法進(jìn)行姿態(tài)解算，即可得到roll和pitch角度，為了得到更加平滑一點(diǎn)的roll和pitch數(shù)據(jù)，這里將得到的角度再進(jìn)行了一個(gè)1階的均值濾波(本來(lái)使用的是3階的均值濾波，但是相位延時(shí)有點(diǎn)大，所以修改為1階的了)

? ? ? ?

2. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)(PWM+編碼器)

框圖如下，在實(shí)際使用的時(shí)候，只使用了速度的檢測(cè)，角度檢測(cè)這部分功能就去掉了，PWM生成模塊另算，這部分的代碼是比較簡(jiǎn)單的，就不作過(guò)多的說(shuō)明了。

? ? ? ?

3. 平衡控制

平衡車的控制采用三環(huán): 直立環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán),來(lái)進(jìn)行控制，直立環(huán)采用的是PID進(jìn)行控制，速度環(huán)采用的是PI進(jìn)行控制，而轉(zhuǎn)向環(huán)由于yaw在MPU6050解算的時(shí)候，誤差較大，所以沒(méi)有使用PID來(lái)進(jìn)行控制轉(zhuǎn)向的速度，而是直接輸出的兩輪的速度差進(jìn)行控制。框圖如下，三環(huán)通過(guò)PID進(jìn)行調(diào)節(jié)后，相加得到最終的PWM值進(jìn)行輸出。三5環(huán)的具體實(shí)現(xiàn)可以參考開(kāi)源的平衡小車C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，所以難點(diǎn)不在代碼實(shí)現(xiàn)上，而在于PID的調(diào)參上面，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)且沒(méi)有人指導(dǎo)的情況下，那簡(jiǎn)直是噩夢(mèng)，如果長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有調(diào)好的話，容易懷疑是不是小車的結(jié)構(gòu)有問(wèn)題(但小車的結(jié)結(jié)構(gòu)一般是沒(méi)有問(wèn)題的，哈哈哈)。

? ? ? ?

4. 遙控控制

本來(lái)想使用低成本高效率的紅外遙控來(lái)對(duì)小車進(jìn)行控制的，但是出現(xiàn)了意外，接收到的紅外遙控值不穩(wěn)定，按同一個(gè)按鍵，接收到值居然不一樣。沒(méi)辦法，還好弄了個(gè)esp-01S，可以通過(guò)tcp進(jìn)行連接，之前弄四軸飛機(jī)的有程序，可以拿來(lái)直接使用，美滋滋。

三. 總結(jié)

FPGA平衡小車的基本架構(gòu)就已經(jīng)介紹完了，很多模塊在都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)過(guò)，拿來(lái)通過(guò)簡(jiǎn)單的修改就可以直接用了，代碼實(shí)現(xiàn)上還是比較輕松的，難點(diǎn)在于PID的調(diào)參上，也是花了非常多的時(shí)間。

速度環(huán)，還是有點(diǎn)問(wèn)題，能力時(shí)間有限， 沒(méi)有調(diào)好(?﹏?)，希望后面有時(shí)間了可以接著調(diào)。

來(lái)源：FPGA之旅