基于FPGA的平衡小車設計

一. 硬件介紹

底板資源:

TB6612電機驅動芯片 * 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開發板

電機采用的是平衡小車之家的MG310(GMR編碼器)電機。底板上有兩個TB6612芯片，可以驅動四個電機，除了做平衡小車之外，也可以用來作為四驅車的底板，非常nice，同時支持兩種控制方式，推薦通過紅外遙控進行控制，實現起來非常簡單，紅外遙控器也非常便宜。

二. RTL 介紹

本次設計分為三大部分: MPU6050姿態解算 ， 電機驅動(PWM+編碼器) , 平衡控制，遙控器控制的模塊另外算。其中MPU6050姿態解算為設計的核心，解算出來的角度越穩，平衡控制就越容易，小車也就越穩定。平衡控制其核心是調節PID的參數，參數調的好，小車沒煩惱。

這里只對框架上做一個簡單的介紹

整體架構如下

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1. MPU6050姿態解算

模塊數據流如下圖所示，將獲取到的角度進行一個8階的FIR濾波，加速度進行一個2階的IIR濾波，即可得到相對平滑一點的數據，然后經過Cordic算法進行姿態解算，即可得到roll和pitch角度，為了得到更加平滑一點的roll和pitch數據，這里將得到的角度再進行了一個1階的均值濾波(本來使用的是3階的均值濾波，但是相位延時有點大，所以修改為1階的了)

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2. 電機驅動(PWM+編碼器)

框圖如下，在實際使用的時候，只使用了速度的檢測，角度檢測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單的，就不作過多的說明了。

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3. 平衡控制

平衡車的控制采用三環: 直立環、速度環、轉向環,來進行控制，直立環采用的是PID進行控制，速度環采用的是PI進行控制，而轉向環由于yaw在MPU6050解算的時候，誤差較大，所以沒有使用PID來進行控制轉向的速度，而是直接輸出的兩輪的速度差進行控制?？驁D如下，三環通過PID進行調節后，相加得到最終的PWM值進行輸出。三5環的具體實現可以參考開源的平衡小車C語言實現，所以難點不在代碼實現上，而在于PID的調參上面，沒有經驗且沒有人指導的情況下，那簡直是噩夢，如果長時間沒有調好的話，容易懷疑是不是小車的結構有問題(但小車的結結構一般是沒有問題的，哈哈哈)。

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4. 遙控控制

本來想使用低成本高效率的紅外遙控來對小車進行控制的，但是出現了意外，接收到的紅外遙控值不穩定，按同一個按鍵，接收到值居然不一樣。沒辦法，還好弄了個esp-01S，可以通過tcp進行連接，之前弄四軸飛機的有程序，可以拿來直接使用，美滋滋。

三. 總結

FPGA平衡小車的基本架構就已經介紹完了，很多模塊在都已經實現過，拿來通過簡單的修改就可以直接用了，代碼實現上還是比較輕松的，難點在于PID的調參上，也是花了非常多的時間。

速度環，還是有點問題，能力時間有限， 沒有調好(?﹏?)，希望后面有時間了可以接著調。

來源：FPGA之旅