《電子技術(shù)應(yīng)用》
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兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計
2014年微型機與應(yīng)用第11期
陳業(yè)偉,,劉海剛,項華珍,,鄒治方,,歐 翹
五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院,,廣東 江門
摘要: 近年來,隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市人口的日益增長,,城市交通阻塞以及耗能,、污染問題成為了一個困擾人們的心病。新型交通工具的誕生顯得尤為重要,,兩輪自平衡小車應(yīng)運而生,,其以行走靈活、便利,、節(jié)能等特點得到了很大的發(fā)展,。但是,昂貴的成本還是令人望而止步,,成為它暫時無法廣泛推廣的一個重要原因,。因此,開展對兩輪自平衡車的深入研究,,不僅對改善平衡車的性價比有著重要意義,,同時也對提高我國在該領(lǐng)域的科研水平、擴展機器人的應(yīng)用背景等具有重要的理論及現(xiàn)實意義,。全國大學(xué)生飛思卡爾智能車競賽與時俱進,,第七屆電磁組小車首次采用了兩輪小車,模擬兩輪自平衡電動智能車的運行機理,。在此基礎(chǔ)上,,第八屆光電組小車再次采用兩輪小車作為控制系統(tǒng)的載體,。小車設(shè)計內(nèi)容涵蓋了控制、模式識別,、傳感技術(shù),、汽車電子、電氣,、計算機,、機械及能源等多個學(xué)科的知識。
關(guān)鍵詞: 控制 自平衡 實時性 汽車電子
Abstract:
Key words :

  摘  要: 介紹了兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn),,系統(tǒng)以飛思卡爾公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作為核心控制單元,,利用加速度傳感器MMA7361測量重力加速度的分量,即小車的實時傾角,,以及利用陀螺儀ENC-03MB測量小車的實時角速度,,并利用光電編碼器采集小車的前進速度,實現(xiàn)了小車的平衡和速度控制,。在小車可以保持兩輪自平衡前提下,,采用攝像頭CCD-TSL1401作為路徑識別傳感器,實時采集賽道信息,,并通過左右輪差速控制轉(zhuǎn)彎,,使小車始終沿著賽道中線運行。實驗表明,,該控制系統(tǒng)能較好地控制小車平衡快速地跟隨跑道運行,,具有一定的實用性。

  關(guān)鍵詞: 控制,;自平衡,;實時性

  近年來,隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市人口的日益增長,,城市交通阻塞以及耗能,、污染問題成為了一個困擾人們的心病。新型交通工具的誕生顯得尤為重要,,兩輪自平衡小車應(yīng)運而生,,其以行走靈活、便利,、節(jié)能等特點得到了很大的發(fā)展,。但是,昂貴的成本還是令人望而止步,,成為它暫時無法廣泛推廣的一個重要原因,。因此,開展對兩輪自平衡車的深入研究,不僅對改善平衡車的性價比有著重要意義,,同時也對提高我國在該領(lǐng)域的科研水平、擴展機器人的應(yīng)用背景等具有重要的理論及現(xiàn)實意義,。全國大學(xué)生飛思卡爾智能車競賽與時俱進,,第七屆電磁組小車首次采用了兩輪小車,模擬兩輪自平衡電動智能車的運行機理,。在此基礎(chǔ)上,,第八屆光電組小車再次采用兩輪小車作為控制系統(tǒng)的載體。小車設(shè)計內(nèi)容涵蓋了控制,、模式識別,、傳感技術(shù)、汽車電子,、電氣,、計算機、機械及能源等多個學(xué)科的知識,。

  1 小車控制系統(tǒng)總體方案

  小車以16位單片機MC9S12XS128MAL作為中央控制單元,,用陀螺儀和加速度傳感器分別檢測小車的加速度和傾斜角度[1],以線性CCD采集小車行走時的賽道信息,,最終通過三者的數(shù)據(jù)融合,,作為直流電機的輸入量,從而驅(qū)動直流電機的差速運轉(zhuǎn),,實現(xiàn)小車的自動循軌功能,。同時,為了更方便,、及時地觀察小車行走時數(shù)據(jù)的變化,,并且對數(shù)據(jù)作出正確的處理,本系統(tǒng)調(diào)試時需要無線模塊和上位機的配合,。小車控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示,。

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  2 小車控制系統(tǒng)自平衡原理

  兩輪小車能夠?qū)崿F(xiàn)自平衡功能,并且在受到一定外力的干擾下,,仍能保持直立狀態(tài),,是小車可以沿著賽道自動循線行走的先決條件。為了更好地控制小車的行走方式,,得到最優(yōu)的行走路徑,,需要對小車分模塊分析與控制。

  本控制系統(tǒng)維持小車直立和運行的動力都來自小車的兩個輪子,,輪子轉(zhuǎn)動由兩個直流電機驅(qū)動,。小車作為一個控制對象,它的控制輸入量是兩個電機的轉(zhuǎn)動速度。小車運動控制可以分解成以下3個基本控制任務(wù),。

 ?。?)小車平衡控制:通過控制兩個電機正反方向運動保持小車直立平衡狀態(tài);

 ?。?)小車速度控制:通過調(diào)節(jié)小車的傾斜角度來實現(xiàn)小車速度控制,,本質(zhì)上是通過控制電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)小車速度的控制。

 ?。?)小車方向控制:通過控制兩個電機之間的轉(zhuǎn)動差速實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向控制,。

  2.1 小車平衡控制

  要想實現(xiàn)小車的平衡控制,需要采取負反饋控制方式[2],。當(dāng)小車偏離平衡點時,,通過控制電機驅(qū)動電機實現(xiàn)加、減速,,從而抵消小車傾斜的趨勢,,便可以保持車體平衡。即當(dāng)小車有向前傾的趨勢時,,可以使電機正向加速,,給小車一個向前的加速度,在回復(fù)力和阻尼力的作用下,,小車不至于向前傾倒,;當(dāng)小車有向后傾的趨勢時,可以使小車反向加速,,給小車一個向后的加速度,,從而不會讓小車向后傾倒,如圖2所示,。

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  從上述的定性分析可知,,在運動過程中小車會不斷地在平衡點附近來回擺動,如果控制不當(dāng),,來回擺動的幅度會很大,。顯然,這樣的控制不能滿足兩輪小車的實際要求,,小車更無法按照賽道快速運行,。為使小車可以在平衡點附近很好地保持平衡,需要對小車的加速度等進行嚴格地定量分析和計算,。

  直立著的小車能簡化成放置在可以左右移動平臺上的倒立著的單擺[3],。從圖3可知,小車在偏離平衡位置時無法在不受外力的情況下穩(wěn)定在平衡位置,,是因為小車受到的回復(fù)力F=mgsinθ與小車位移偏離的方向相同,,這樣會加速使小車向偏離平衡的位置倒下,。要想小車可以穩(wěn)定在平衡位置,必須給小車額外增加一個和回復(fù)力相反方向的力,。如果產(chǎn)生一個與小車偏離方向相同的加速度a,,使小車受到額外的力F額外=-macosθ,此時小車所受到的合力為F合=mgsinθ-macosθ,。只要F合<0,,即F合的方向與小車偏離平衡位置的方向相反,小車就擁有了回復(fù)平衡位置的趨勢,,進而在空氣阻力以及小車機械阻力的作用下,可以在一個平衡點穩(wěn)定下來,。

  2.2 小車速度控制

  兩輪小車速度控制相對于4輪小車要復(fù)雜得多,,因為在改變小車速度時,還需要保證小車可以實現(xiàn)平衡控制[4],。在保持小車平衡的前提下,,采取改變小車傾角的方式來改變小車的速度。在一定范圍內(nèi),,當(dāng)小車向前傾的角度越大時,,小車前進的速度越大;當(dāng)小車向后傾的角度越大時,,小車前進的速度越小,。

  即使小車在直立控制調(diào)節(jié)下已經(jīng)能夠保持平衡,但由于安裝誤差的存在,,傳感器測量的角度與小車實際角度存在偏差,,因此小車實際會在重力的作用下,朝傾斜的方向加速前進,。故需要外加速度負反饋以控制小車穩(wěn)定在平衡位置,。速度控制的任務(wù)主要有以下3個。

 ?。?)小車速度的測量,;

  (2)通過小車直立控制實現(xiàn)小車傾角的改變,;

 ?。?)根據(jù)速度誤差控制小車傾角。

  小車速度的測量可以通過安裝在電機輸出軸上的光電編碼器來實現(xiàn),。本系統(tǒng)采用的是100線的編碼器,,即編碼器上面的齒輪轉(zhuǎn)一圈,編碼器可以輸出100個脈沖,。再利用單片機具有輸入捕捉功能的引腳PT7對該脈沖進行采樣,。在固定時間內(nèi),,輸出脈沖越多,小車的速度就越快,,這樣就可以測量出小車的速度,。

  小車傾角的控制所示系統(tǒng)實現(xiàn)。從小車直立控制算法中可知,,小車的傾斜角度與加速度計Z軸測量輸出的角度成比例線性關(guān)系[5],。因此,設(shè)置一個傾角給定值,,小車的傾角給定值與重力加速度Z軸角度相減,,便可以最終決定小車的傾角,再通過誤差的比例-積分控制使角度自動維持在設(shè)定值附近,,最后再利用角速度和角度作為輸入量,,制作一個比例-積分控制器,從而驅(qū)動電機維持車模保持給定的傾角,。

  理論上,,當(dāng)小車向前傾角為45°時,速度為2 m/s[2],。但是在實際控制中,,由于小車機械傳動方面的阻尼力以及輪子的摩擦力等因素的影響,小車無法達到理論要求,。為了解決這些干擾對小車速度的影響,,需要采用速度負反饋的控制策略,形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng),。

  2.3 小車方向控制

  為使車模沿著賽道行駛,,必須檢測賽道信息。本系統(tǒng)采用線性攝像頭CCD-TSL1401實時采集賽道信息,。TSL1401CL是由一個128×1的光電二極管陣列,、電荷放大器電路和內(nèi)部的像素數(shù)據(jù)保存器組成。它保存了從起始到停止時間的所有像素,。操作簡單,,內(nèi)部控制邏輯只需要串行輸入信號SI和時鐘CLK信號[6]。CCD檢測采集賽道信息視角圖如圖所示,。

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  CCD提取賽道信息后,,將小車速度控制信號與直立控制信號綜合,與賽道偏差檢測信號進行加和減運算,,形成左右輪差動控制電壓,,使得小車左右輪運行角速度不一致進而控制小車方向,如圖7所示,。

  3 小車控制系統(tǒng)算法編程

  小車的程序控制幾乎都是在1 ms時間的中斷里完成,,主函數(shù)只是在不斷地通過串口向上位機發(fā)送數(shù)據(jù),,進行實時監(jiān)控。其中,,中斷程序分別完成了小車的直立控制,、速度控制和方向控制,通過全局標(biāo)志量的循環(huán)計數(shù),,確定每次小車需要調(diào)用執(zhí)行的程序模塊,。中斷函數(shù)的實現(xiàn)如圖所示。

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  其中,,小車的直立控制是本系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的關(guān)鍵,,角度計算和轉(zhuǎn)換函數(shù)的實現(xiàn)如下所示。

  void AngleCalculate(void)

  {

  float fDeltaValue,;

  g_fGravityAngle=(VOLTAGE_GRAVITY-

  GRAVITY_OFFSET)*

  GRAVITY_ANGLE_RATIO,;

  //加速度傳感器計算出來的角度值

  g_fGravityAngle=LOW_PASS_Acce(g_fGravityAngle);

  //低通濾波

  g_fGyroscopeAngleSpeed=(VOLTAGE_GYRO-

  GYROSCOPE_OFFSET)*

  GYROSCOPE_ANGLE_RATIO,;

  //陀螺儀計算出來的角速度值

  g_fGyroscopeAngleSpeed=LOW_PASS_Gyro

  (g_fGyroscopeAngleSpeed),;//低通濾波

  g_fCarAngle=g_fGyroscopeAngleIntegral,;

  fDeltaValue=(g_fGravityAngle-g_fCarAngle)

  /GRAVITY_ADJUST_TIME_CONSTANT;

  //用加速度傳感器得到的角度與陀螺儀的偏差,,糾正陀螺儀的輸出

  g_fGyroscopeAngleIntegral+=(g_fGyroscopeAngleSpeed+

  fDeltaValue)/

  GYROSCOPE_ANGLE_SIGMA_FREQUENCY,;

  }

  本文介紹了直立行走小車控制系統(tǒng)的實現(xiàn)原理,通過對小車的平衡控制,、速度控制和方向控制,,實現(xiàn)了小車的直立行走與自動循軌的功能。在本系統(tǒng)的設(shè)計與制作過程中,,不僅是對控制系統(tǒng)的實現(xiàn)原理的分析,,還是對傳感器的合理使用,都為開展對兩輪自平衡車的深入研究提供了寶貴的實踐經(jīng)驗,。此外,,在2013年舉行的全國大學(xué)生飛思卡爾智能車競賽中,此作品參加了華南賽區(qū)比賽,,并榮獲三等獎,。實踐證明,本系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的實際價值,。

  參考文獻

  [1] 第七屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽 電磁組直立行車參考設(shè)計方案 [R].飛思卡爾杯智能汽車競賽秘書處,,2012.

  [2] 胡壽松.自動控制原理(第五版)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

  [3] 周小仨.兩輪自平衡電動車核心控制算法的選擇[J].辦公自動化,,2013,,252(4):56-57.

  [4] 張啟秋,,蔡雄友,葉駿輝,,等.兩輪自平衡智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].五邑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),,2013,27(3):57-60.

  [5] 劉海剛,,宋一標(biāo),,陳恒偉,等.單軸兩輪自平衡小車姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機,,2013,,26(9):16-18.

  [6] 王俊,許林,,岳東,,等.基于CCD的兩輪自平衡智能車系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù),2013(8):179-185.


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