吳人杰 左濤 劉青松

(嘉興學院 浙江嘉興 314001)

摘要: 本文論述一種小型循跡兩輪自平衡小車控制系統的設計核實施方案。系統以飛思卡爾半導體公司的16位處理器作為主控芯片，采用陀螺儀與加速度計進行小車直立自平衡檢測，激光傳感器進行行駛路徑檢測，利用PWM技術進行電機驅動，借助撥碼開關和液晶屏實現對參數的調整與整定。算法方面利用PID控制技術對小車的兩個直流電機的轉速進行控制，可以實現兩輪小車的動態自平衡快速循跡運行。實踐表明該設計達到了理想效果。

關鍵詞: 兩輪自平衡小車 循跡 動力學 PID控制

兩輪自平衡小車和倒立擺都是極不穩定的系統，其動力學方程是一受控對多變量、非線性、嚴重不穩定，強耦合，時變，參數不確定的高階方程，在實現小車的穩定控制重點要解決好系統的穩定性、快速性、跟隨性等問題。本文基于大學生“恩智浦”杯智能汽車競賽的要求對兩輪自平衡小車的進行了研究和設計，以達到規定的跑道上進行競速比賽的要求，為此此，小車必須在保證兩輪動態自動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的硬件系統及控制方案、并進行了實踐制作，確保了兩輪小車的自動直立平衡與循跡高速行駛控制。

1硬件設計

兩輪自平衡小車的硬件系統主要由單片機、直流電機驅動模塊、傾斜角度檢測模塊、路徑檢測模塊、速度檢測模塊、電源模塊等組成。

(1)電源模塊，自平衡小車控制系統中，不同的電路模塊其工作電壓各不相同。因此電源模塊的設計應能對各模塊合理的分配電能與電壓調節，以確保各模塊的工作電壓可靠、穩定。電源模塊中包含多個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、編碼器等使用的5V電壓;電機驅動使用驅動MOS管電壓為12V。采用LM2940芯片來做5V的穩壓ASM1117芯片把5V電平降為3.3V。

(2)單片機模塊

單片機選擇飛思卡爾半導體公司的16位處理器作為微控制器，低功耗、高性能、低引腳數量的微控制器產品、總線可以超頻至80MH2，高達240KB的片內在線可編程 FLASH存儲器防糾錯閃存、定時單元(TM)支持達到8通道、16通道，10位或12位分辨率逐次近似計算法模數轉換器8通道脈寬調制模塊一組、3個串行外圍接口模塊，可擴展CAN模塊(支持CAN協議2.0A/B).專為支持CAN通信端口復雜的系統需求而設計，微處理器能夠滿足自平衡小車功能的需要。

(3)角速度與角度檢測模塊

系統采用陀螺儀和加速度計數據融合的方式獲取小車角度傾斜信息。同時通過陀螺儀測得小車傾斜角速度，將角速度信號在時間上積分后便可以得到小車的直立傾斜角度。陀螺儀測量具有噪聲很小，穩定性好的特點。但是，如果角速度信號存在微小的誤差，經過積分后就會形成累積誤差，最終無法得到正確的角度，為此，為克服累積誤差的影響，本系統采用加速度計傳感器得到對陀螺儀進行角度信息的校正、角度漂移的糾正。將重力加速度計和陀螺儀的角度信息進行數據互補融合以獲的小車的角速度和傾斜角，從而使積分后的角度逐步跟蹤到準確的角度值。

(4)賽道檢測模塊

為獲得賽道更多的路面信息與更遠的距離，必須采用高性能的路面檢測傳感器。激光傳感器具有靈敏度高、精確性高、穩定性強等優勢，定向性較好，周圍光線對其幾乎沒有影響。本系統在車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的前瞻性。激光的驅動使用74HC573鎖存器進行，在鎖存器的使能端加上一個由555定定時器產生180kHz的調制信號，滿足激光接收管接受到某一個固定范圍波長的光波。在小車頂上左、右對稱安裝有10個激光發射管和5個接收管。

(6)電機驅動模塊

電機驅動模塊采用全橋驅動電路。驅動芯片為英飛凌BTS7960，通態電阻典型值為16mΩ，驅動電流可達43A，功耗小;集成的驅動lc具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調節、死區時間產生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能。兩片BTS7960芯片構成全橋驅動電路，通過兩路PWM信號控制電機的正反轉和速度。該電路驅動效率較高，輸出功率能滿足對小車直立控制的要求，并且電路結構簡單，控制方便，易于搭建。

2控制方案及實現

小車的運動控制可分解為三個基本控制任務:

(1)控制直立平衡:通過測量小車的角度偏移和角速度，控制小車的加速度就可以保持車模直立平衡狀態。

(2)控制小車速度:通過控制電機的轉速控制車輪速度，實現車模速度控制。

(3)控制小車方向:通過控制兩個電機的正反轉、轉動差速，實現車模前行、倒退及轉向控制。在小車控制中的直立、速度和方向控制三個環節中，可以使用比例微分(PD)或比例積分微分(PID)進行控制。中斷服務程序完成小車的角度、速度和方向控制的周期調用，主程序和中斷程序之間用全局變量進行數據通信。

自平衡小車的控制通過單片機編程實現，單片機實現的主要功能有:

(1)總體的程序運行流程控制:初始化、小車的啟動和結束;

(2)系統的界面:借助撥碼開關與液晶屏進行狀態顯示、參數的設定;

(3)小車傾斜角度、路徑、速度檢測與計算;

(4)小車的動態平衡控制:直立控制、速度控制、方向控制;(5)電機的PWM輸出。根據前面的直立控制、速度控制和方向控制函數計算的控制量進行線性加權疊加，就可分別得到左右兩個電機的輸出電壓實現兩個直流電機的轉速控制，確保小車的動態自平衡快速尋跡運行。

3結語

本文針對基于智能車競賽的自平衡小車的設計問題進行了研究，給出了自平衡小車的硬件系統和單片機控制實現方案。實驗表明，本方案對光線的抗干擾性強，電機驅動性能良好，小車能夠沿著賽道行進，車身保持動態自動平衡，行駛平穩快速。

參考文獻:

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[4]朱年華.兩輪自平衡電動車控制系統設計與研究[D]，華東交通大學，2016

基金項目: 本文得到嘉興學院大學生創新項目資助

作者簡介:

吳人杰，嘉興學院電氣工程及其自動化專業學生，研究方向為智能控制。