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(tǒng)的設(shè)計核實施方案。系統(tǒng)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(shù)進行電機驅(qū)動，借助撥碼開關(guān)和液晶屏實現(xiàn)對參數(shù)的調(diào)整與整定。算法方面利用PID控制技術(shù)對小車的兩個直流電機的轉(zhuǎn)速進行控制，可以實現(xiàn)兩輪小車的動態(tài)自平衡快速循跡運行。實踐表明該設(shè)計達到了理想效果。

關(guān)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(wěn)定的系統(tǒng)，其動力學方程是一受控對多變量、非線性、嚴重不穩(wěn)定，強耦合，時變，參數(shù)不確定的高階方程，在實現(xiàn)小車的穩(wěn)定控制重點要解決好系統(tǒng)的穩(wěn)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(shè)計，以達到規(guī)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(tài)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(tǒng)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(shè)計

兩輪自平衡小車的硬件系統(tǒng)主要由單片機、直流電機驅(qū)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(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)計應(yīng)能對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(qū)動使用驅(qū)動MOS管電壓為12V。采用LM2940芯片來做5V的穩(wěn)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(shù)量的微控制器產(chǎn)品、總線可以超頻至80MH2，高達240KB的片內(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換器8通道脈寬調(diào)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(xié)議2.0A/B).專為支持CAN通信端口復雜的系統(tǒng)需求而設(shè)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(tǒng)采用陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)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(wěn)定性好的特點。但是，如果角速度信號存在微小的誤差，經(jīng)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(wěn)定性強等優(yōu)勢，定向性較好，周圍光線對其幾乎沒有影響。本系統(tǒng)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(qū)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(chǎn)生180kHz的調(diào)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(fā)射管和5個接收管。

(6)電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊采用全橋驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片為英飛凌BTS7960，通態(tài)電阻典型值為16mΩ，驅(qū)動電流可達43A，功耗小;集成的驅(qū)動lc具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能。兩片BTS7960芯片構(gòu)成全橋驅(qū)動電路，通過兩路PWM信號控制電機的正反轉(zhuǎn)和速度。該電路驅(qū)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(jié)構(gòu)簡單，控制方便，易于搭建。

2控制方案及實現(xiàn)

小車的運動控制可分解為三個基本控制任務(wù):

(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(tài)。

(2)控制小車速度:通過控制電機的轉(zhuǎn)速控制車輪速度，實現(xiàn)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(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動差速，實現(xiàn)車模前行、倒退及轉(zhuǎn)向控制。在小車控制中的直立、速度和方向控制三個環(huán)節(jié)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(wù)程序完成小車的角度、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行數(shù)據(jù)通信。

自平衡小車的控制通過單片機編程實現(xiàn)，單片機實現(xiàn)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(jié)束;

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

(3)小車傾斜角度、路徑、速度檢測與計算;

(4)小車的動態(tài)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(jù)前面的直立控制、速度控制和方向控制函數(shù)計算的控制量進行線性加權(quán)疊加，就可分別得到左右兩個電機的輸出電壓實現(xiàn)兩個直流電機的轉(zhuǎn)速控制，確保小車的動態(tài)自平衡快速尋跡運行。

3結(jié)語

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

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基金項目: 本文得到嘉興學院大學生創(chuàng)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(yè)學生，研究方向為智能控制。