基于ADRC-PID串级控制算法的直立智能车

中图分类号 ：TP39
文献标识码 ：A
文章编号 ：2095-1302（2021）01-0051-03
0引言
对于电磁循迹直立智能车在赛道上不断修正路线时电磁 信号变化大，外部干扰敏感时系统无法保持稳定，以及参数 调整不便等问题，本文提出了基于串级自抗扰控制算法的直 立智能车系统。传统智能车一般采用经典 PID、自适应模糊 PID、神经网络等控制算法，这些方法成熟，易于实现，但 各自存在不足之处。一方面，参数调整困难，传统 PID 控制 是根据得到的误差来逐步减少偏离量以达到控制目的，而理 想控制效果则来源于有效的误差值和良好的参数，所以受输 入信号品质和参数影响较大。另一方面，调整好的 PID 参数 并不能有效的自适应系统和周围环境中的干扰变量，在传统 智能车程序中，实际采集到的电磁信号在车速过快的情况下 会“跳变”，此时以期望目标值与实际值做差得到误差值的 方法不太合理，传统 PID 控制算法基于得到的误差值在进 行输出限幅后无法使系统快速反应。此外，用于智能车的模 糊 PID 和神经网络算法实际调参和获得训练集比较麻烦。为 了更快地调试参数和提高直立智能车对外界环境的抗干扰能 力，提出 ADRC-PID 串级控制算法。实验结果证明，直立智 能车有较强的抗干扰性，可实现自主循迹。
1.2 驱动模块
图 2 电源模块
收稿日期：2020-03-14 修回日期：2020-05-07
直立智能车需要驱动 2 个电机并实现正反转，为提高
2021年 / 第1期 物联网技术 51
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智能处理与应用
将谐振电路采集的感应电压作为方向引导指标，将输入 值进行归一化处理后，通过左右电感差比和相应算法得到误 差值，使用增量式 PD（也可以只有 P 参数）作为方向外环进 行控制，通过陀螺仪采集的角速度作为 PD 方向内环控制车模 方向，最终使得直立智能车中线始终保持在预定电磁线上 [2]。 2.2 速度 PI 控制器设计
迹直立智能车。采用恩智浦 MK60DN512ZVLQ10 芯片作为核心控制单元，通过采集电磁信号实现路径判断，借助
陀螺仪和加速度计采集车身倾角信息，并根据自动控制算法输出 PWM 信号，最终通过电机实现智能车的转向和动
态平衡。
关键词 ：ADRC-PID 串级控制 ；自抗扰控制算法 ；串级 PID 控制 ；直立智能车 ；PWM ；控制器
图 3 驱动模块
2 方向控制器和速度控制器设计
采用 20 kHz 的正弦电磁波作为引导信号，使用 LC 并联 谐振电路采集选定频率信号，并滤除外界其他频率信号。直 立智能车共使用 4 组 LC 谐振电路，包括 4 个配对电感。将 4 个电感水平一字排列在前瞻处，左右两边电感距离约为 7 cm。通过运放模块放大信号并输入主控芯片 ADC 通道。 2.1 方向串级 PD 控制器设计
1 智能车硬件系统设计
在搭建直立智能车时要保证其稳定，就必需降低重心。
设计硬件电路的首要目标是检测到正确完整的信号，一味追
求精简将得不偿失。硬件电路主要由电源模块、运放模块、
主控模块、驱动模块、速度检测模块（编码器）、倾角传感
器（陀螺仪和加速度计）、干簧管、通信模块、操作模块等 构成。使用 7.2 V/2 000 mA · h 电池供电，经电源模块得到
Intelligent Processing and Application
MOSFET 开关速度，提高调制频率，模块采用 HIP4082IBZT 作为驱动芯片，以提高系统的可靠性。选择 IR 公司出品的
LR7843 型 SOT252 封装的 NMOS 场效应管组成全桥电路。 驱动模块电路如图 3 所示。
3.3 V 和 5 V 电压为其他硬件模块供电。智能车硬件系统结 构如图 1 所示 [1]。
图 1 智能车硬件系统结构 1.1 电源模块
一个控制系统能否正常工作与电源模块有着重要关系。 由于电源波纹会影响传感器性能，所以采用无干扰、无噪 音，具有较高稳定性和较小波纹的线性电源技术。该模块采 用 TPS76850 和 TPS76833 稳压器分别提供 5 V 和 3.3 V 电源， 其中，主控模块、倾角传感器模块、运放模块使用 3.3 V 电源， 编码器使用 5 V 电源。电源模块电路如图 2 所示。
DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2021.01.014
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
基于 ADRC-PID 串级控制算法的直立智能车
赵士勋，高 琴
（防灾科技学院，河北 三河 065201）
摘 要 ：设计以全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛为背景，设计了一种基于串级自抗扰控制算法的电磁循
编码器测得的车模运动时产生的脉冲信号由主控芯片捕 获后将进行自动控制。为消除直立智能车最终运动倾角和设 定倾角之前的角度差值，直立车会向一个方向进行加速运动。 对于类似直立智能车的非最小相位系统，速度控制要平稳缓 和，不能影响直立控制。
3 ADRC-PID 串级直立控制器设计
图 4 ADRC-PID 串级直立控制器结构
3.1 外环角度 PD 控制器设计 陀螺仪和加速计测得的角速度和加速度进行二阶互补滤
波进行 PD 控制，得到外环输出角度。 3.2 内环角速度 ADRC 控制器设计
自 抗 扰 控 制 器 由 微 分 跟 踪 器（TD）、 扩 张 状 态 观 测 器 （ESO）、非线性状态误差反馈控制（NLSEF）组成 [4]。外环
角度 PD 控制器的输出角度值作为内环角速度 ADRC 控制器 的期望参数，ADRC 控制器最终输出控制信号给电机，实现 直立智能车的动态平衡 [5]。 3.2.1 微分跟踪器（TD）
安排过渡过程，通过微分跟踪器提取输入角度微分信号， 获得输入信号动态变化过程，以便控制器能够根据外界变化 程度和噪声影响，提前预判控制力度，使得参数的选择范围 更大。由于直立智能车在运行过程中无持续的激烈变化，所 以选择合并 TD 与“安排过渡过程”。