毕业设计｜PID调参/超强抗干扰/多功能/物联网自平衡小车

科技 07-14 来源：嵌入式开发小美老师

小车年年有，年年不一样。有很多小车设计，这些小车各有特色。今天分享的毕设是外星人tzl（同B站ID）的STM32平衡小车，可以通过手机远程控制，还具有超声波避障功能，抗干扰能力强，同时又可将数据传输至物联网云端。

小车功能概述

首先，由各个硬件模块的功能及封装特点，设计出智能小车的硬件电路原理图以及PCB电路板。根据牛顿力学得出小车的运动微分方程，再经过拉氏变换得到传递函数，利用Simulink对两轮直立智能小车的模型进行实验仿真。其次，根据小车的控制需要，将对手机蓝牙上位机以及手机远程控制小车的上位机APP进行设计与实现。最后，利用ESP8266模块对智平衡小车检测到的温湿度、有害气体浓度等数据上传至贝壳物联云端。

两轮直立智能小车制作完成后，通过实际控制运行证明，PID控制器对小车具有较好的自平衡控制作用，以及在有适当沙石不平整的路面也可以保持相对较稳定的运行效果。利用超声波模块实现了小车的避障功能，实现了手机蓝牙进行近距离控制以及手机物联网上位机进行远程控制，同时将检测到的数据上传至贝壳物联网平台、手机上位机APP以及微信公众号，可很方便的对云数据进行实时查看。

系统模块选择

通过以上对系统相应功能的阐述与归纳，这里将对系统所需要的硬件模块做出合理的选择，各个功能对应的硬件模块选择如下表1和表2所示：

硬件电路设计

✔ 控制器1电路硬件设计

控制器1电路主要负责控制智能小车的自平衡，因此需要对姿态角的获取并进行数据处理，输出相应控制量给电机，通过PID控制器来保持小车的直立以及平稳运行。此外，控制器1将完成与蓝牙上位机的工作以及小车避障等功能。控制器1电路原理图的设计如下图所示：

✔ 控制器2电路硬件设计：

物联网通讯电路主要用于物联网IOT通讯，将两轮智能小车的电池电压、超声波测量距离、测量的温湿度、烟雾浓度等数据发送至贝壳物联平台，再由贝壳物联平台透传至手机。

✔ 智能小车电路板PCB设计

平衡小车的最终PCB设计图如下图所示。

✔ 平衡小车的车身机械结构

智能小车机械结构

APP上位机设计

（一）蓝牙上位机APP的设计

AppInventor2是由谷歌公司推出一款软件工具不需要编写程序代码就可以设计出自己的APP，为用户提供了很方便的软件开发平台。

1）组件设计界面

组件设计部分为可视化如按钮、开关、标签等组件的排版设计，由于设计的是蓝牙手机上位机，因此最基本的蓝牙组件是必须具备的，设计界面如下图所示：

蓝牙上位机组件设计界面

2）逻辑设计界面

蓝牙上位机的逻辑设计是上位机程序运行流程的设计，决定着上位机的功能运用和性能，逻辑设计界面如下图所示：

蓝牙上位机逻辑设计界面

（二）物联网控制上位机APP的设计

物联网安卓APP的制作是利用软件HbiuderX基于HTML5语言制作而成，通过查询资料与观看学习视频，建立工程编写代码（部分）如下图所示：

物联网APP设计代码

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点击“连接网络服务器”后，上位机即即刻连接上贝壳物联云平台服务器，即可对智能小车进行远程控制。第二个功能是上位机可以实时接收来自智能小车的相关数据并显示出来，可以非常方便观察到小车检测的数据。

物联网手机APP效果

软件设计及实物调试

☞PID控制器

数字PID控制原理框图如下图所示：

☞ 两轮智能小车控制系统软件程序设计

控制器1的程序设计框架：控制器1主要负责姿态角的获取并进行数据处理，输出相应控制量给电机，保持小车的直立。控制器1将完成与蓝牙上位机的工作以及小车避障等功能。控制器1的程序设计主要分为四个部分，一个主程序以及四个中断程序，这四个部分程序的主要功能为获取小车的姿态角数据、控制智能车的自平衡、蓝牙通讯、超声波测距并避障、蜂鸣器报警、与控制器2进行数据串口通讯等功能。

控制器1中断运行框架流程

控制器1定时器中断运行框架流程

控制器2的程序设计框架：控制器2主要负责的是物联网远程通讯，包括周围环境数据上传以及控制指令的接收。

控制器2定时器中断程序流程框图

控制器2串口中断程序运行框架

☞ 实物调试

智能小车的PID控制器参数整定是调试过程中的重点。

平衡小车PD直立环参数整定， PD直立环程序设计：

在直立环控制参数整定中，首先对直立环的比例控制参数Stand_KP进行参数整定，将比例参数值由小到大进行调试，直到智能小车达到一定的震荡现象后，即可初步确定比例参数值，通过多次取值调试，选取其中三个参数对应的控制响应曲线如下图中所示:

在基本确定直立环的比例系数后，接下来对直立环的微分系数Stand_KD进行整定，由于微分控制环节主要的作用是削弱系统震荡，因此当调试到智能小车尽可能的消除系统震荡时，即可初步确定微分系数的值，调试过程中，将由小到大对微分系数进行取值，选取其中三次不同取值对系统响应的影响的曲线于下图所示：

平衡小车PI速度环参数整定，PI速度环程序设计：

由于参数取值过多，这里选取三组具有代表性的选取值对应的系统响应曲线于下图中：

取调试过程的较具有代表性的三组数据对应的系统收到运行时，小车倾角的变化曲线如下图所示：

通过不断的调试，最终比例参数整定结果为Speed_KP取0.4较为适宜。

经过直立环、速度环的控制参数整定，最终实现了智能小车的自平衡控制，并且可以在速度为零的情况下保持平衡，小车的车速也通过调试达到小车最佳速度。

两轮智能车的阶跃响应及干扰情况下的控制：

智能小车抗干扰能力大小意味着智能小车性能的好坏，因为在运行的过程中，不可避免会遇到各种各样的外界干扰，比如风、不平整的路面、湿滑路面等等扰动因素，这都将是智能小车要克服的外界干扰，因此智能小车必须具有一定的抗干扰能力。

平衡小车的阶跃响应曲线如下图所示：

由响应曲线知，智能小车在阶跃输入的情况下，控制系统可在较短的调节时间以及较小的超调量内，使智能小车达到平衡状态。

平衡小车抗干扰能力，实验通过用手推小车顶部来模拟智能小车受到外界扰动，相应的响应曲线如下图所示：

☞ 蓝牙APP控制：

实验测试效果图如下图所示。

通过实际测试，进行了多次APP的改善以及小车蓝牙服务程序的优化，最终证明了手机蓝牙APP上位机可以实现随意控制两轮智能小车前后行驶、加速以及减速、转向运行。同时还可以通过手机蓝牙上位机选择控制是否开启智能小车超声波测距来进行避障功能，当选择开启超声波避障功能后，超声波模块测量到的距离将会被智能小车自主通过蓝牙模块发送到手机端蓝牙APP上位机并进行显示，时刻提醒小车的运行是否安全等情况，设计在小车距离障碍物15厘米内进行报警，避障报警时的距离数据以红色形式显示出来表示进入危险距离范围内，效果图如上图所示。与此同时，小车上的蜂鸣器将响起表示警告，小车将自动后退，直到退出危险距离位置。