摘  要： 介紹了兩輪自平衡小車控制系統(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測量重力加速度的分量，即小車的實(shí)時(shí)傾角，以及利用陀螺儀ENC-03MB測量小車的實(shí)時(shí)角速度，并利用光電編碼器采集小車的前進(jìn)速度，實(shí)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(shí)時(shí)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(yùn)行。實(shí)驗(yàn)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(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，隨著經(jīng)濟(jì)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(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)無法廣泛推廣的一個(gè)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(jià)比有著重要意義，同時(shí)也對提高我國在該領(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。全國大學(xué)生飛思卡爾智能車競賽與時(shí)俱進(jìn)，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(yùn)行機(jī)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(jì)內(nèi)容涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械及能源等多個(gè)學(xué)科的知識。

　　1 小車控制系統(tǒng)總體方案

　　小車以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小車的加速度和傾斜角度[1]，以線性CCD采集小車行走時(shí)的賽道信息，最終通過三者的數(shù)據(jù)融合，作為直流電機(jī)的輸入量，從而驅(qū)動直流電機(jī)的差速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車的自動循軌功能。同時(shí)，為了更方便、及時(shí)地觀察小車行走時(shí)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(shí)需要無線模塊和上位機(jī)的配合。小車控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

　　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(yùn)行的動力都來自小車的兩個(gè)輪子，輪子轉(zhuǎn)動由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動。小車作為一個(gè)控制對象，它的控制輸入量是兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。小車運(yùn)動控制可以分解成以下3個(gè)基本控制任務(wù)。

　?。?）小車平衡控制：通過控制兩個(gè)電機(jī)正反方向運(yùn)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(shí)現(xiàn)小車速度控制，本質(zhì)上是通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)小車速度的控制。

　　（3）小車方向控制：通過控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動差速實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向控制。

　　2.1 小車平衡控制

　　要想實(shí)現(xiàn)小車的平衡控制，需要采取負(fù)反饋控制方式[2]。當(dāng)小車偏離平衡點(diǎn)時(shí)，通過控制電機(jī)驅(qū)動電機(jī)實(shí)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(shí)，可以使電機(jī)正向加速，給小車一個(gè)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(shí)，可以使小車反向加速，給小車一個(gè)向后的加速度，從而不會讓小車向后傾倒，如圖2所示。

　　從上述的定性分析可知，在運(yùn)動過程中小車會不斷地在平衡點(diǎn)附近來回?cái)[動，如果控制不當(dāng)，來回?cái)[動的幅度會很大。顯然，這樣的控制不能滿足兩輪小車的實(shí)際要求，小車更無法按照賽道快速運(yùn)行。為使小車可以在平衡點(diǎn)附近很好地保持平衡，需要對小車的加速度等進(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(shí)無法在不受外力的情況下穩(wěn)定在平衡位置，是因?yàn)樾≤囀艿降幕貜?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(gè)和回復(fù)力相反方向的力。如果產(chǎn)生一個(gè)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(shí)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(jìn)而在空氣阻力以及小車機(jī)械阻力的作用下，可以在一個(gè)平衡點(diǎn)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?yàn)樵诟淖冃≤囁俣葧r(shí)，還需要保證小車可以實(shí)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(shí)，小車前進(jìn)的速度越大；當(dāng)小車向后傾的角度越大時(shí)，小車前進(jìn)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(shí)際角度存在偏差，因此小車實(shí)際會在重力的作用下，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)。

　?。?）小車速度的測量；

　　（2）通過小車直立控制實(shí)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(jī)輸出軸上的光電編碼器來實(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對該脈沖進(jìn)行采樣。在固定時(shí)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(shí)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(jì)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(gè)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(gè)比例-積分控制器，從而驅(qū)動電機(jī)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(shí)，速度為2 m/s[2]。但是在實(shí)際控制中，由于小車機(jī)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(dá)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(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(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。操作簡單，內(nèi)部控制邏輯只需要串行輸入信號SI和時(shí)鐘CLK信號[6]。CCD檢測采集賽道信息視角圖如圖所示。

　　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(jìn)行加和減運(yùn)算，形成左右輪差動控制電壓，使得小車左右輪運(yùn)行角速度不一致進(jìn)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(shí)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(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(jì)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(shí)現(xiàn)如圖所示。

　　其中，小車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(shí)現(xiàn)原理，通過對小車的平衡控制、速度控制和方向控制，實(shí)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(jì)與制作過程中，不僅是對控制系統(tǒng)的實(shí)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。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(shí)踐證明，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，27（3）：57-60.

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