吳人杰 左濤 劉青松

(嘉興學(xué)院 浙江嘉興 314001)

摘要: 本文論述一種小型循跡兩輪自平衡小車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核實(shí)施方案。系統(tǒng)以飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位處理器作為主控芯片，采用陀螺儀與加速度計(jì)進(jìn)行小車(chē)直立自平衡檢測(cè)，激光傳感器進(jìn)行行駛路徑檢測(cè)，利用PWM技術(shù)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，借助撥碼開(kāi)關(guān)和液晶屏實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的調(diào)整與整定。算法方面利用PID控制技術(shù)對(duì)小車(chē)的兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)兩輪小車(chē)的動(dòng)態(tài)自平衡快速循跡運(yùn)行。實(shí)踐表明該設(shè)計(jì)達(dá)到了理想效果。

關(guān)鍵詞: 兩輪自平衡小車(chē) 循跡 動(dòng)力學(xué) PID控制

兩輪自平衡小車(chē)和倒立擺都是極不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程是一受控對(duì)多變量、非線性、嚴(yán)重不穩(wěn)定，強(qiáng)耦合，時(shí)變，參數(shù)不確定的高階方程，在實(shí)現(xiàn)小車(chē)的穩(wěn)定控制重點(diǎn)要解決好系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、跟隨性等問(wèn)題。本文基于大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽的要求對(duì)兩輪自平衡小車(chē)的進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，以達(dá)到規(guī)定的跑道上進(jìn)行競(jìng)速比賽的要求，為此此，小車(chē)必須在保證兩輪動(dòng)態(tài)自動(dòng)平衡的前提下盡可能地高速行駛。本文給出了兩輪自平衡小車(chē)的硬件系統(tǒng)及控制方案、并進(jìn)行了實(shí)踐制作，確保了兩輪小車(chē)的自動(dòng)直立平衡與循跡高速行駛控制。

1硬件設(shè)計(jì)

兩輪自平衡小車(chē)的硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傾斜角度檢測(cè)模塊、路徑檢測(cè)模塊、速度檢測(cè)模塊、電源模塊等組成。

(1)電源模塊，自平衡小車(chē)控制系統(tǒng)中，不同的電路模塊其工作電壓各不相同。因此電源模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)能對(duì)各模塊合理的分配電能與電壓調(diào)節(jié)，以確保各模塊的工作電壓可靠、穩(wěn)定。電源模塊中包含多個(gè)電壓變換的模塊電路。電池采用DC12V，4000mA·h鋰電充電電池，OLED顯示采用3.3V電壓;單片機(jī)、編碼器等使用的5V電壓;電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用驅(qū)動(dòng)MOS管電壓為12V。采用LM2940芯片來(lái)做5V的穩(wěn)壓ASM1117芯片把5V電平降為3.3V。

(2)單片機(jī)模塊

單片機(jī)選擇飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位處理器作為微控制器，低功耗、高性能、低引腳數(shù)量的微控制器產(chǎn)品、總線可以超頻至80MH2，高達(dá)240KB的片內(nèi)在線可編程 FLASH存儲(chǔ)器防糾錯(cuò)閃存、定時(shí)單元(TM)支持達(dá)到8通道、16通道，10位或12位分辨率逐次近似計(jì)算法模數(shù)轉(zhuǎn)換器8通道脈寬調(diào)制模塊一組、3個(gè)串行外圍接口模塊，可擴(kuò)展CAN模塊(支持CAN協(xié)議2.0A/B).專為支持CAN通信端口復(fù)雜的系統(tǒng)需求而設(shè)計(jì)，微處理器能夠滿足自平衡小車(chē)功能的需要。

(3)角速度與角度檢測(cè)模塊

系統(tǒng)采用陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)融合的方式獲取小車(chē)角度傾斜信息。同時(shí)通過(guò)陀螺儀測(cè)得小車(chē)傾斜角速度，將角速度信號(hào)在時(shí)間上積分后便可以得到小車(chē)的直立傾斜角度。陀螺儀測(cè)量具有噪聲很小，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。但是，如果角速度信號(hào)存在微小的誤差，經(jīng)過(guò)積分后就會(huì)形成累積誤差，最終無(wú)法得到正確的角度，為此，為克服累積誤差的影響，本系統(tǒng)采用加速度計(jì)傳感器得到對(duì)陀螺儀進(jìn)行角度信息的校正、角度漂移的糾正。將重力加速度計(jì)和陀螺儀的角度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)互補(bǔ)融合以獲的小車(chē)的角速度和傾斜角，從而使積分后的角度逐步跟蹤到準(zhǔn)確的角度值。

(4)賽道檢測(cè)模塊

為獲得賽道更多的路面信息與更遠(yuǎn)的距離，必須采用高性能的路面檢測(cè)傳感器。激光傳感器具有靈敏度高、精確性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，定向性較好，周?chē)饩€對(duì)其幾乎沒(méi)有影響。本系統(tǒng)在車(chē)子頂部安裝激光傳感器，這樣可以獲得更好的接收角度核更遠(yuǎn)的前瞻性。激光的驅(qū)動(dòng)使用74HC573鎖存器進(jìn)行，在鎖存器的使能端加上一個(gè)由555定定時(shí)器產(chǎn)生180kHz的調(diào)制信號(hào)，滿足激光接收管接受到某一個(gè)固定范圍波長(zhǎng)的光波。在小車(chē)頂上左、右對(duì)稱安裝有10個(gè)激光發(fā)射管和5個(gè)接收管。

(6)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用全橋驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)芯片為英飛凌BTS7960，通態(tài)電阻典型值為16mΩ，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43A，功耗小;集成的驅(qū)動(dòng)lc具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)的功能。兩片BTS7960芯片構(gòu)成全橋驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)兩路PWM信號(hào)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度。該電路驅(qū)動(dòng)效率較高，輸出功率能滿足對(duì)小車(chē)直立控制的要求，并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，易于搭建。

2控制方案及實(shí)現(xiàn)

小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制可分解為三個(gè)基本控制任務(wù):

(1)控制直立平衡:通過(guò)測(cè)量小車(chē)的角度偏移和角速度，控制小車(chē)的加速度就可以保持車(chē)模直立平衡狀態(tài)。

(2)控制小車(chē)速度:通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制車(chē)輪速度，實(shí)現(xiàn)車(chē)模速度控制。

(3)控制小車(chē)方向:通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動(dòng)差速，實(shí)現(xiàn)車(chē)模前行、倒退及轉(zhuǎn)向控制。在小車(chē)控制中的直立、速度和方向控制三個(gè)環(huán)節(jié)中，可以使用比例微分(PD)或比例積分微分(PID)進(jìn)行控制。中斷服務(wù)程序完成小車(chē)的角度、速度和方向控制的周期調(diào)用，主程序和中斷程序之間用全局變量進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

自平衡小車(chē)的控制通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能有:

(1)總體的程序運(yùn)行流程控制:初始化、小車(chē)的啟動(dòng)和結(jié)束;

(2)系統(tǒng)的界面:借助撥碼開(kāi)關(guān)與液晶屏進(jìn)行狀態(tài)顯示、參數(shù)的設(shè)定;

(3)小車(chē)傾斜角度、路徑、速度檢測(cè)與計(jì)算;

(4)小車(chē)的動(dòng)態(tài)平衡控制:直立控制、速度控制、方向控制;(5)電機(jī)的PWM輸出。根據(jù)前面的直立控制、速度控制和方向控制函數(shù)計(jì)算的控制量進(jìn)行線性加權(quán)疊加，就可分別得到左右兩個(gè)電機(jī)的輸出電壓實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，確保小車(chē)的動(dòng)態(tài)自平衡快速尋跡運(yùn)行。

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)基于智能車(chē)競(jìng)賽的自平衡小車(chē)的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究，給出了自平衡小車(chē)的硬件系統(tǒng)和單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)驗(yàn)表明，本方案對(duì)光線的抗干擾性強(qiáng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能良好，小車(chē)能夠沿著賽道行進(jìn)，車(chē)身保持動(dòng)態(tài)自動(dòng)平衡，行駛平穩(wěn)快速。

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基金項(xiàng)目: 本文得到嘉興學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目資助

作者簡(jiǎn)介:

吳人杰，嘉興學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?/p>