基于FPGA的平衡小车设计

一. 硬件介绍

底板资源:

TB6612电机驱动芯片 * 2

MPU6050陀螺仪

WS2812 RGB彩色灯 * 4

红外接收头

ESP-01S WIFI

核心板

微相 A7_Lite Artix-7 FPGA开发板

电机采用的是平衡小车之家的MG310(GMR编码器)电机。底板上有两个TB6612芯片，可以驱动四个电机，除了做平衡小车之外，也可以用来作为四驱车的底板，非常nice，同时支持两种控制方式，推荐通过红外遥控进行控制，实现起来非常简单，红外遥控器也非常便宜。

二. RTL 介绍

本次设计分为三大部分: MPU6050姿态解算 ， 电机驱动(PWM+编码器) , 平衡控制，遥控器控制的模块另外算。其中MPU6050姿态解算为设计的核心，解算出来的角度越稳，平衡控制就越容易，小车也就越稳定。平衡控制其核心是调节PID的参数，参数调的好，小车没烦恼。

这里只对框架上做一个简单的介绍

整体架构如下

       

1. MPU6050姿态解算

模块数据流如下图所示，将获取到的角度进行一个8阶的FIR滤波，加速度进行一个2阶的IIR滤波，即可得到相对平滑一点的数据，然后经过Cordic算法进行姿态解算，即可得到roll和pitch角度，为了得到更加平滑一点的roll和pitch数据，这里将得到的角度再进行了一个1阶的均值滤波(本来使用的是3阶的均值滤波，但是相位延时有点大，所以修改为1阶的了)

       

2. 电机驱动(PWM+编码器)

框图如下，在实际使用的时候，只使用了速度的检测，角度检测这部分功能就去掉了，PWM生成模块另算，这部分的代码是比较简单的，就不作过多的说明了。

       

3. 平衡控制

平衡车的控制采用三环: 直立环、速度环、转向环,来进行控制，直立环采用的是PID进行控制，速度环采用的是PI进行控制，而转向环由于yaw在MPU6050解算的时候，误差较大，所以没有使用PID来进行控制转向的速度，而是直接输出的两轮的速度差进行控制。框图如下，三环通过PID进行调节后，相加得到最终的PWM值进行输出。三5环的具体实现可以参考开源的平衡小车C语言实现，所以难点不在代码实现上，而在于PID的调参上面，没有经验且没有人指导的情况下，那简直是噩梦，如果长时间没有调好的话，容易怀疑是不是小车的结构有问题(但小车的结结构一般是没有问题的，哈哈哈)。

       

4. 遥控控制

本来想使用低成本高效率的红外遥控来对小车进行控制的，但是出现了意外，接收到的红外遥控值不稳定，按同一个按键，接收到值居然不一样。没办法，还好弄了个esp-01S，可以通过tcp进行连接，之前弄四轴飞机的有程序，可以拿来直接使用，美滋滋。

三. 总结

FPGA平衡小车的基本架构就已经介绍完了，很多模块在都已经实现过，拿来通过简单的修改就可以直接用了，代码实现上还是比较轻松的，难点在于PID的调参上，也是花了非常多的时间。

速度环，还是有点问题，能力时间有限， 没有调好(ಥ﹏ಥ)，希望后面有时间了可以接着调。

来源：FPGA之旅