龔曉輝，薄祥岑

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們生活水平的提高，越來越多的人開始擁有私家車，這在一定程度上造成了日益嚴(yán)重的交通壓力。為了解決這一問題，人們開始研究新的交通工具。與三輪車，四輪車等交通工具相比，兩輪車具有的便于在狹窄空間運(yùn)行，輕便靈活的車身以及易于存放管理的特點(diǎn)，成為近年來的一個研究熱點(diǎn)，具有廣泛的運(yùn)用前景。鑒于此，本文以玩具車模（以下簡稱車模）為研究對象，以現(xiàn)代電路電子先進(jìn)的SMT技術(shù)為依托，使用先進(jìn)的控制理論，對兩輪車進(jìn)行了深入研究。

MC9S12XS128是飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出的性價比較高的16位單片機(jī)。日本村田公司生產(chǎn)的測量角速度的傳感器ENC-03RC價格低廉，配合三軸角度測量傳感器MMA7361可以實(shí)現(xiàn)角度的測量。本文以MC9S12XS128為核心控制器，以ENC-03RC和MMA7361為主要傳感器，采用先進(jìn)PID算法，設(shè)計了直立速度控制器，實(shí)現(xiàn)了車模的直立運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 車模傾斜角度的測量

通過對倒立擺的研究可以發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)車模的直立控制，需要克服車模的重力影響。要做到這一點(diǎn)，必須獲得車模傾斜的角度以及角速度[1]。這樣，當(dāng)車模往后傾斜時，通過得到的角度與角速度 控制車模電機(jī)往后加速，當(dāng)車模往前傾斜時，利用角度與角加速度的值使電機(jī)往前加速，從而保持車模在平衡點(diǎn)直立。

單獨(dú)使用角度傳感器MMA7361可以測量傾斜角度，再通過微分可以獲得角速度，但是由于其存在一定的噪聲，因此不適合用于直立控制。基于此，本文結(jié)合兩種傳感器，使用匹配濾波算法，實(shí)現(xiàn)角度與角速度的測量。匹配濾波算法的原理框圖如圖1所示。

圖1 匹配濾波算法原理框圖Fig.1 Structure diagram of the matching filter algorithm

1.2 車模的直立控制

由圖1.1可知，通過匹配濾波算法實(shí)現(xiàn)了車模角度的平滑，由陀螺儀傳感器得到了角加速度的值。車模的直立控制是通過角度負(fù)反饋控制，使其實(shí)現(xiàn)直立控制。使用比例控制，可以控制車模在平衡點(diǎn)直立[2]。但是要保證車模具有較強(qiáng)的抗干擾性，具有快速的響應(yīng)速度，即當(dāng)車模遇到干擾時能夠快速穩(wěn)定到平衡點(diǎn)，還需要用到微分控制，即加入車模的角加速度[3]。這樣，使用角度的比例與微分控制可以實(shí)現(xiàn)車?？焖俚胤€(wěn)定在平衡點(diǎn)（車模實(shí)際模型待畫）。直立控制的原理圖如圖2所示。

1.3 車模的速度控制

圖2 車模直立控制原理圖Fig.2 Block diagram of car upright control

為了解決陀螺儀傳感器溫漂以及傳感器安裝問題，可以通過加入速度控制來實(shí)現(xiàn)車模的平衡點(diǎn)穩(wěn)定。通過車模的角度控制車模的直立是一個正反饋的過程而不是負(fù)反饋，這與其它常見的控制方式不同。其根本原因在于車模的重力方向與恢復(fù)到平衡點(diǎn)的力的方向是相反的。當(dāng)車模快速向一個方向傾斜時，為了改變運(yùn)動方向，即改變車模的傾斜角度，這時應(yīng)該施加正反饋使電機(jī)加大力度，改變車模傾角，而不是減小電機(jī)控制量。所以速度反饋是一個正反饋。由于車模的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直流電機(jī)，通過控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)對車模直立與速度控制，由電機(jī)拖動可知直流電機(jī)產(chǎn)生的力矩與電流的關(guān)系近似為

其中Ce為電機(jī)常數(shù)，φ為電勢常數(shù)，Ia為電樞電流。

從式（1）可以將電機(jī)看作一個線性機(jī)構(gòu)。這樣直立控制與速度控制可以看作兩個控制器線性疊加在一起，并且相互之間是可以近似看作無耦合的[4]。這時可以獨(dú)立于直立控制，單獨(dú)設(shè)計速度控制器。速度控制采用改進(jìn)型PI控制器，圖3表示了速度控制的原理框圖：

圖3 速度PI調(diào)節(jié)器原理框圖Fig.3 Block diagram of speed PI regulator

車模直立運(yùn)行的關(guān)鍵是直立控制與速度控制，基于陀螺儀與加速度計以及測速傳感器可以實(shí)現(xiàn)。整個系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的整體原理框圖Fig.4 Block diagram of overall system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由主要由MC9S12XS128最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動電路，速度傳感器電路，陀螺儀與加速度計電路與調(diào)試電路等組成。測電機(jī)速度時采用單片機(jī)測速模塊和計數(shù)器芯片CD4051B。電機(jī)驅(qū)動芯片采用集成驅(qū)動芯片BTS7960。調(diào)試電路使用PL2303芯片，將單片機(jī)中的信息傳回到上位機(jī)。硬件系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體硬件原理圖Fig.5 The schematic of system hardware

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 數(shù)字PID算法

模擬PID的表達(dá)式如式（2）所示

將其數(shù)字化，為

到這一步已經(jīng)求得數(shù)字位置式PID的表達(dá)式。本文設(shè)計的直立與速度控制器的核心思想是從數(shù)字位置式PID表達(dá)式來的，下面說明軟件的各個部分。

3.2 軟件各部分實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件部分主要由傳感器信號濾波處理，匹配濾波算法，直立控制算法以及速度控制算法組成。信號的采樣在中斷函數(shù)中處理。為了減輕噪聲干擾，在程序采取了中位值，平均值等幾種算法結(jié)合的方式。匹配濾波算法用于獲得車模的傾角與角加速度。直立控制算法用于獲得車模直立控制量。速度控制算法使用PI算法實(shí)現(xiàn)車模的靜止運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

本文的車模直立行走算法實(shí)現(xiàn)了基本功能。但是存在很多參數(shù)需要調(diào)整，首先在使用AD采樣得到陀螺儀與加速度計信號值后，要減去靜態(tài)值，然后需要加速度參數(shù)與陀螺儀參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到實(shí)際的角度。同時，在匹配濾波算法中存在比例因子GTA需要調(diào)試。而且，在直立控制與速度控制中分別存在P參數(shù)，D參數(shù)，以及速度P參數(shù)，速度I參數(shù)。這些參數(shù)需要不斷調(diào)試才能得到一個較好的效果。本文經(jīng)過長期測試，得到了一定的效果，圖6表示匹配濾波算法算得的車模角度。

圖6 匹配濾波算法效果圖Fig.6 Result of matching filter algorithm

圖7 車模速度為0時的效果圖Fig.7 Case of speed is zero

在該圖中可以看到，藍(lán)色的線毛刺較多，而另外那條線明顯平滑，沒有噪聲，而且也很好地跟蹤到了加速度計傳回的角度，說明達(dá)到了預(yù)期的效果。運(yùn)用本文提出的直立速度控制算法，得到車模直立運(yùn)行的效果，圖7中設(shè)定車模速度為0，立在原地的效果圖。

5 結(jié)束語

文中基于加速度傳感器MMA7361與陀螺儀傳感器ENC03-RC設(shè)計與實(shí)現(xiàn)了二輪直立車的速度與直立控制方案。實(shí)驗(yàn)證明，整個系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力與較快的動態(tài)響應(yīng)特性，二輪直立車可以很好地實(shí)現(xiàn)直立運(yùn)行。

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