摘  要： 介紹了兩輪自平衡小車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(cè)量重力加速度的分量,，即小車(chē)的實(shí)時(shí)傾角,，以及利用陀螺儀ENC-03MB測(cè)量小車(chē)的實(shí)時(shí)角速度，并利用光電編碼器采集小車(chē)的前進(jìn)速度,，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的平衡和速度控制,。在小車(chē)可以保持兩輪自平衡前提下，采用攝像頭CCD-TSL1401作為路徑識(shí)別傳感器,，實(shí)時(shí)采集賽道信息,，并通過(guò)左右輪差速控制轉(zhuǎn)彎，使小車(chē)始終沿著賽道中線運(yùn)行,。實(shí)驗(yàn)表明,，該控制系統(tǒng)能較好地控制小車(chē)平衡快速地跟隨跑道運(yùn)行，具有一定的實(shí)用性,。

　　關(guān)鍵詞： 控制,；自平衡；實(shí)時(shí)性

　　近年來(lái),，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市人口的日益增長(zhǎng),，城市交通阻塞以及耗能、污染問(wèn)題成為了一個(gè)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(chē)應(yīng)運(yùn)而生，其以行走靈活,、便利、節(jié)能等特點(diǎn)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(shí)無(wú)法廣泛推廣的一個(gè)重要原因,。因此,，開(kāi)展對(duì)兩輪自平衡車(chē)的深入研究，不僅對(duì)改善平衡車(chē)的性價(jià)比有著重要意義，同時(shí)也對(duì)提高我國(guó)在該領(lǐng)域的科研水平,、擴(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用背景等具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義,。全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾智能車(chē)競(jìng)賽與時(shí)俱進(jìn)，第七屆電磁組小車(chē)首次采用了兩輪小車(chē),，模擬兩輪自平衡電動(dòng)智能車(chē)的運(yùn)行機(jī)理,。在此基礎(chǔ)上，第八屆光電組小車(chē)再次采用兩輪小車(chē)作為控制系統(tǒng)的載體,。小車(chē)設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了控制,、模式識(shí)別、傳感技術(shù),、汽車(chē)電子,、電氣、計(jì)算機(jī),、機(jī)械及能源等多個(gè)學(xué)科的知識(shí),。

　　1 小車(chē)控制系統(tǒng)總體方案

　　小車(chē)以16位單片機(jī)MC9S12XS128MAL作為中央控制單元，用陀螺儀和加速度傳感器分別檢測(cè)小車(chē)的加速度和傾斜角度[1],，以線性CCD采集小車(chē)行走時(shí)的賽道信息,，最終通過(guò)三者的數(shù)據(jù)融合，作為直流電機(jī)的輸入量,，從而驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的差速運(yùn)轉(zhuǎn),，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)循軌功能。同時(shí),，為了更方便,、及時(shí)地觀察小車(chē)行走時(shí)數(shù)據(jù)的變化，并且對(duì)數(shù)據(jù)作出正確的處理,，本系統(tǒng)調(diào)試時(shí)需要無(wú)線模塊和上位機(jī)的配合,。小車(chē)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

　　2 小車(chē)控制系統(tǒng)自平衡原理

　　兩輪小車(chē)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(chē)可以沿著賽道自動(dòng)循線行走的先決條件,。為了更好地控制小車(chē)的行走方式,，得到最優(yōu)的行走路徑，需要對(duì)小車(chē)分模塊分析與控制,。

　　本控制系統(tǒng)維持小車(chē)直立和運(yùn)行的動(dòng)力都來(lái)自小車(chē)的兩個(gè)輪子,，輪子轉(zhuǎn)動(dòng)由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。小車(chē)作為一個(gè)控制對(duì)象,，它的控制輸入量是兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,。小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制可以分解成以下3個(gè)基本控制任務(wù),。

　　（1）小車(chē)平衡控制：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)正反方向運(yùn)動(dòng)保持小車(chē)直立平衡狀態(tài),；

　?。?）小車(chē)速度控制：通過(guò)調(diào)節(jié)小車(chē)的傾斜角度來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)速度控制，本質(zhì)上是通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)速度的控制,。

　?。?）小車(chē)方向控制：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)向控制。

　　2.1 小車(chē)平衡控制

　　要想實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平衡控制,，需要采取負(fù)反饋控制方式[2],。當(dāng)小車(chē)偏離平衡點(diǎn)時(shí)，通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)加,、減速,，從而抵消小車(chē)傾斜的趨勢(shì)，便可以保持車(chē)體平衡,。即當(dāng)小車(chē)有向前傾的趨勢(shì)時(shí),，可以使電機(jī)正向加速，給小車(chē)一個(gè)向前的加速度,，在回復(fù)力和阻尼力的作用下,，小車(chē)不至于向前傾倒；當(dāng)小車(chē)有向后傾的趨勢(shì)時(shí),，可以使小車(chē)反向加速,，給小車(chē)一個(gè)向后的加速度，從而不會(huì)讓小車(chē)向后傾倒,，如圖2所示,。

　　從上述的定性分析可知，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中小車(chē)會(huì)不斷地在平衡點(diǎn)附近來(lái)回?cái)[動(dòng),，如果控制不當(dāng),，來(lái)回?cái)[動(dòng)的幅度會(huì)很大。顯然,，這樣的控制不能滿足兩輪小車(chē)的實(shí)際要求,，小車(chē)更無(wú)法按照賽道快速運(yùn)行。為使小車(chē)可以在平衡點(diǎn)附近很好地保持平衡,，需要對(duì)小車(chē)的加速度等進(jìn)行嚴(yán)格地定量分析和計(jì)算,。

　　直立著的小車(chē)能簡(jiǎn)化成放置在可以左右移動(dòng)平臺(tái)上的倒立著的單擺[3]。從圖3可知,，小車(chē)在偏離平衡位置時(shí)無(wú)法在不受外力的情況下穩(wěn)定在平衡位置,，是因?yàn)樾≤?chē)受到的回復(fù)力F=mgsinθ與小車(chē)位移偏離的方向相同，這樣會(huì)加速使小車(chē)向偏離平衡的位置倒下,。要想小車(chē)可以穩(wěn)定在平衡位置，必須給小車(chē)額外增加一個(gè)和回復(fù)力相反方向的力。如果產(chǎn)生一個(gè)與小車(chē)偏離方向相同的加速度a,，使小車(chē)受到額外的力F額外=-macosθ,，此時(shí)小車(chē)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(chē)偏離平衡位置的方向相反,，小車(chē)就擁有了回復(fù)平衡位置的趨勢(shì)，進(jìn)而在空氣阻力以及小車(chē)機(jī)械阻力的作用下,，可以在一個(gè)平衡點(diǎn)穩(wěn)定下來(lái),。

　　2.2 小車(chē)速度控制

　　兩輪小車(chē)速度控制相對(duì)于4輪小車(chē)要復(fù)雜得多，因?yàn)樵诟淖冃≤?chē)速度時(shí),，還需要保證小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)平衡控制[4],。在保持小車(chē)平衡的前提下，采取改變小車(chē)傾角的方式來(lái)改變小車(chē)的速度,。在一定范圍內(nèi),，當(dāng)小車(chē)向前傾的角度越大時(shí)，小車(chē)前進(jìn)的速度越大,；當(dāng)小車(chē)向后傾的角度越大時(shí),，小車(chē)前進(jìn)的速度越小。

　　即使小車(chē)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(cè)量的角度與小車(chē)實(shí)際角度存在偏差，因此小車(chē)實(shí)際會(huì)在重力的作用下,，朝傾斜的方向加速前進(jìn),。故需要外加速度負(fù)反饋以控制小車(chē)穩(wěn)定在平衡位置。速度控制的任務(wù)主要有以下3個(gè),。

　?。?）小車(chē)速度的測(cè)量；

　?。?）通過(guò)小車(chē)直立控制實(shí)現(xiàn)小車(chē)傾角的改變,；

　　（3）根據(jù)速度誤差控制小車(chē)傾角,。

　　小車(chē)速度的測(cè)量可以通過(guò)安裝在電機(jī)輸出軸上的光電編碼器來(lái)實(shí)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(gè)脈沖,。再利用單片機(jī)具有輸入捕捉功能的引腳PT7對(duì)該脈沖進(jìn)行采樣。在固定時(shí)間內(nèi),，輸出脈沖越多,，小車(chē)的速度就越快,，這樣就可以測(cè)量出小車(chē)的速度。

　　小車(chē)傾角的控制所示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),。從小車(chē)直立控制算法中可知,，小車(chē)的傾斜角度與加速度計(jì)Z軸測(cè)量輸出的角度成比例線性關(guān)系[5]。因此,，設(shè)置一個(gè)傾角給定值,，小車(chē)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(chē)的傾角,，再通過(guò)誤差的比例-積分控制使角度自動(dòng)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(gè)比例-積分控制器,，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)維持車(chē)模保持給定的傾角,。

　　理論上，當(dāng)小車(chē)向前傾角為45°時(shí),，速度為2 m/s[2],。但是在實(shí)際控制中，由于小車(chē)機(jī)械傳動(dòng)方面的阻尼力以及輪子的摩擦力等因素的影響,，小車(chē)無(wú)法達(dá)到理論要求,。為了解決這些干擾對(duì)小車(chē)速度的影響，需要采用速度負(fù)反饋的控制策略,，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),。

　　2.3 小車(chē)方向控制

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

　　CCD提取賽道信息后，將小車(chē)速度控制信號(hào)與直立控制信號(hào)綜合,，與賽道偏差檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行加和減運(yùn)算,，形成左右輪差動(dòng)控制電壓，使得小車(chē)左右輪運(yùn)行角速度不一致進(jìn)而控制小車(chē)方向,，如圖7所示,。

　　3 小車(chē)控制系統(tǒng)算法編程

　　小車(chē)的程序控制幾乎都是在1 ms時(shí)間的中斷里完成，主函數(shù)只是在不斷地通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,。其中,，中斷程序分別完成了小車(chē)的直立控制、速度控制和方向控制,，通過(guò)全局標(biāo)志量的循環(huán)計(jì)數(shù),，確定每次小車(chē)需要調(diào)用執(zhí)行的程序模塊。中斷函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如圖所示,。

　　其中，小車(chē)的直立控制是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,，角度計(jì)算和轉(zhuǎn)換函數(shù)的實(shí)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(jì)算出來(lái)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(jì)算出來(lái)的角速度值

　　g_fGyroscopeAngleSpeed=LOW_PASS_Gyro

　?。╣_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(chē)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理,，通過(guò)對(duì)小車(chē)的平衡控制,、速度控制和方向控制，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的直立行走與自動(dòng)循軌的功能,。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中,，不僅是對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理的分析，還是對(duì)傳感器的合理使用,，都為開(kāi)展對(duì)兩輪自平衡車(chē)的深入研究提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),。此外，在2013年舉行的全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾智能車(chē)競(jìng)賽中,，此作品參加了華南賽區(qū)比賽,，并榮獲三等獎(jiǎng)。實(shí)踐證明,，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際價(jià)值,。

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