張飛云 ，胡 靜

(1.許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000; 2.南召縣電業(yè)局，河南 南召 474650)

移動機(jī)器人技術(shù)是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，而兩輪自平衡小車又是移動機(jī)器人研究中的一個重要領(lǐng)域[1].兩輪自平衡小車是一個高度不穩(wěn)定的兩輪機(jī)器人，它兩輪同軸、車身中心位于車輪軸的上方、獨(dú)立驅(qū)動、靠運(yùn)動保持平衡[2].本研究從最基本的單軸動態(tài)平衡著手，通過優(yōu)化PI算法，最終實(shí)現(xiàn)了僅用角速度傳感器的多軸動態(tài)平衡達(dá)到在價(jià)格敏感產(chǎn)品中低成本、高效率，在價(jià)格不十分敏感的產(chǎn)品中和加速度相結(jié)合的效果.

1 系統(tǒng)Matlab仿真

為了保證方案的可行性，首先利用Matlab[3]里的simulink組件對系統(tǒng)的機(jī)械部分、傳感器部分和PI控制器算法部分建立仿真模型，得到仿真系統(tǒng)運(yùn)行效果圖、系統(tǒng)對輸入信號的跟隨效果圖和執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號波形圖分別如圖1、圖2和圖3所示.

圖1 仿真系統(tǒng)運(yùn)行效果圖Fig.1 Operation rendering of simulation system

圖2 系統(tǒng)信號跟隨效果圖Fig.2 Follow rendering of system signal

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號波形Fig.3 Signal waveform of actuator

在圖1中，運(yùn)動模型的底部水平部分可以左右移動.斜立的桿和底部運(yùn)動部分的中點(diǎn)相連接，斜立的桿在仿真時(shí)可以左右擺動.在斜立桿的頂端是傳感器信號采集點(diǎn)，系統(tǒng)整體姿態(tài)依靠對此點(diǎn)傳感器信號的采集計(jì)算.在系統(tǒng)仿真時(shí)，斜立的桿左右擺動，完成對正弦波信號的跟蹤，不會出現(xiàn)倒向一個方向的情況.由圖2可知，傳感器輸出信號稍滯后于輸入信號.執(zhí)行機(jī)構(gòu)得到的信號波形圖和系統(tǒng)對輸入信號的跟隨效果圖是同時(shí)基的.將兩圖結(jié)合起來發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器信號為正半周時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號剛好為負(fù)半軸，這證明了系統(tǒng)對偏差的糾正.當(dāng)結(jié)構(gòu)整體朝一個方向傾斜時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會產(chǎn)生反向力矩去矯正系統(tǒng)偏差并維持系統(tǒng)平衡.

圖4 系統(tǒng)總體框圖Fig.4 System overall diagram

綜上可知，在上述系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上利用比例與積分算法可以實(shí)現(xiàn)對傳感器輸入信號的跟隨，使系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 所用器件

采用日本村田制作所制造的ENC-03R系列角速度傳感器與ATMEL公司生產(chǎn)的AVR mega8單片機(jī)作為控制核心，以ST公司生產(chǎn)的L298芯片作為電機(jī)的驅(qū)動芯片，得到系統(tǒng)總體框圖，如圖4所示.

圖5 角速度傳感器電路圖Fig.5 Circuit diagram of angular velocity sensor

2.2 電路模塊

2.2.1 角速度傳感器電路

角速度傳感器采用日本村田制作所制造的ENC-03R系列傳感器，系統(tǒng)角速度傳感器電路見圖5.該電路未采用官方提供的帶低通濾波器的電路，而是直接對輸出信號進(jìn)行積分后輸出.實(shí)驗(yàn)證明，ENC-03R傳感器不采用官方提供的濾波放大電路而直接采集輸出電壓，傳感器所需外圍器件少，PCB布線也方便.經(jīng)測量，此電路靜態(tài)輸出電壓為1.35 V，最高電壓不超過1.48 V，達(dá)到了很好的實(shí)驗(yàn)效果.

圖6 基準(zhǔn)電壓源電路Fig.6 Circuit of reference voltage source

2.2.2 ADC基準(zhǔn)電壓源

系統(tǒng)采用LM317為ADC提供電壓基準(zhǔn).該器件輸出電壓從1.2～37 V可調(diào)，并且有很高的輸出線性度(0.01%)，非常適合作電壓基準(zhǔn)源.由于傳感器的最高輸出電壓為1.48 V，故選擇1.48 V作為基準(zhǔn)電壓.基準(zhǔn)電壓源電路如圖6所示，輸出電壓的計(jì)算公式如下：

AREF=1.25(1+R8/R9).

當(dāng)R8=39 Ω，R9=220 Ω時(shí)，輸出電壓最接近1.48 V，符合系統(tǒng)要求.

圖7 串行通信接口電路Fig.7 Interface circuit of serial communication

2.2.3 串行通信接口

由于AVR mega8單片機(jī)無JTAG接口，而系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)一些參數(shù)，所以需要留出串行通信端口，串行通信接口電路見圖7.

2.2.4 電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動芯片采用ST公司生產(chǎn)的L298，由于L298內(nèi)部沒有續(xù)流二極管，為了消除電機(jī)反向電動勢對內(nèi)部晶體管的傷害，所以外圍電路中加入8支二極管來實(shí)現(xiàn)續(xù)流.圖8中R1，R2均為3 W，0.5 Ω的電流采樣電阻，方便后期的電流監(jiān)控.

圖8 電機(jī)驅(qū)動電路Fig.8 Drive circuit of motor

2.3 電機(jī)空載最低啟動電壓測量

自平衡小車系統(tǒng)使用maxon motor公司生產(chǎn)的伺服直流電機(jī)RE35，為確保系統(tǒng)響應(yīng)趨于收斂，減少超調(diào)量，電機(jī)的調(diào)速應(yīng)盡量平滑，設(shè)計(jì)中使用7.68 kHz的PWM來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速.實(shí)驗(yàn)證明，直流電機(jī)存在空載最低啟動電壓.也就是說，如果電壓低于它的啟動電壓，電樞繞組中雖然有電流，但產(chǎn)生的安培力不足以克服定子磁鐵對轉(zhuǎn)子的定向吸附力和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸與定子接觸面得摩擦力，以至于電機(jī)不轉(zhuǎn)動[4].

為克服以上因素造成的影響，需要知道電機(jī)在多高電壓器時(shí)啟動，為此基于實(shí)驗(yàn)板編寫了一段測試程序，將小車連接電腦，電機(jī)驅(qū)動板電壓為7.2 V，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：(1)當(dāng)PWM占空比為75%時(shí)，電機(jī)會發(fā)出刺耳的嘯叫，但不會旋轉(zhuǎn)，此時(shí)機(jī)端電壓U=7.2×0.75=5.4 V；(2)當(dāng)PWM占空比為77%時(shí)，電機(jī)開始運(yùn)行，此時(shí)機(jī)端電壓U=7.2×0.77=5.544 V.

圖9 系統(tǒng)主流程圖Fig.9 The main diagram of the system

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種電機(jī)空載的最低啟動電壓為 5.6 V，在使用中，應(yīng)該以這個電壓為起點(diǎn)，否則電機(jī)將停轉(zhuǎn).

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PID控制算法

由于兩輪自平衡小車系統(tǒng)是一個慣性環(huán)節(jié)，電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對于傳感器信號滯后，再加上沒有使用加速度傳感器，只使用微分環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，所以在經(jīng)典的PID控制理論中使用P(比例)和I(積分)來控制系統(tǒng)的平衡.

3.2 系統(tǒng)主流程圖

系統(tǒng)主流程圖見圖9.

4 結(jié)束語

首先利用Matlab對兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，確定算法的可行性.然后，采用日本村田制作所的角速度傳感器ENC-03R來組建陀螺儀系統(tǒng)，通過AVR mega8單片機(jī)完成對其信號采集與計(jì)算，并向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送信號去執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而實(shí)現(xiàn)小車動態(tài)平衡的功能.

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐國華，譚民.移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001，14(3)：7-14.

[2] 劉斌.兩輪自平衡小車軟硬件研發(fā)與基于模糊線性化模型的變結(jié)構(gòu)控制研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[3] 侯媛彬，汪梅，王立琦．系統(tǒng)辨識及其MATLAB仿真[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[4] 唐介.電機(jī)與拖動[M].2版.北京：高等教育出版社，2010.