劉德強(qiáng)

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132001）

基于線性CCD雙輪平衡車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉德強(qiáng)

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132001）

該控制系統(tǒng)采用飛思卡爾MC9SXS128單片機(jī)作為控制核心，利用128*1線性CCD進(jìn)行道路信息采集；采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行陀螺儀和加速度計(jì)信息融合，計(jì)算出車模的角度和角速度，調(diào)整車模保持平衡。整個(gè)系統(tǒng)由道路信息采集系統(tǒng)、直立控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)三個(gè)閉環(huán)組成，實(shí)現(xiàn)車模直立、加速、減速、過(guò)路障和過(guò)橋等各種復(fù)雜動(dòng)作。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接受無(wú)線模塊上傳的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)處理、分析，使車模能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地跟蹤引導(dǎo)線。

線性CCD；卡爾曼濾波；平衡車；自動(dòng)控制

近年來(lái)，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，代替步行的智能化的兩輪平衡車受到了廣泛的關(guān)注。兩輪自平衡小車是一個(gè)高度不穩(wěn)定兩輪機(jī)器人,是一種多變量、非線性、絕對(duì)不穩(wěn)定的系統(tǒng),是檢驗(yàn)各種控制能力的典型裝置，對(duì)于傳感器技術(shù)和智能控制技術(shù)提出了更高的要求。

基于控制系統(tǒng)對(duì)于響應(yīng)速度和精度的要求，MMA7260加速度傳感器和NEC_03陀螺儀經(jīng)由卡爾曼數(shù)字濾波后得到車模實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的信息?？刂坪诵腃PU倍頻至64MHZ，強(qiáng)勁的運(yùn)算速度處理數(shù)據(jù)，以滿足系統(tǒng)的需求。

1 控制系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。本系統(tǒng)以兩輪雙電機(jī)車模為研究對(duì)象，該系統(tǒng)包括四部分：平衡系統(tǒng)，CCD視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、控制決策系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)。其中平衡是重點(diǎn)。兩輪車平衡原理，即依照倒立擺的原理使其達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。車模有兩個(gè)輪子著地，當(dāng)車體在垂直靜止的情況下，車?？梢跃S持短暫的平衡狀態(tài)。當(dāng)車體發(fā)生傾斜時(shí)，為了使車模保持平衡狀態(tài)，車體需要給車輪施加與車體傾斜方向相同且適當(dāng)?shù)耐饬?。因?yàn)橥饬^(guò)大、過(guò)小都不能維持車體平衡。

（2）系統(tǒng)組成與概述。系統(tǒng)以MC9SXS128單片機(jī)為控制核心；道路信息采集模塊、角度及角速度測(cè)量模塊、速度測(cè)量模塊作為檢測(cè)單元；兩個(gè)直流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)智能車系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用MC9SXS128單片機(jī)為控制核心，硬件結(jié)構(gòu)主要包括：電源管理單元、線性CCD單元、三軸加速度傳感器和陀螺儀單元、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和速度檢測(cè)單元等。智能車硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由直立控制、速度控制和道路信息采集三個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，以及各個(gè)模塊配合完成的。

3.1 角度信號(hào)采集與處理

理論上本系統(tǒng)只需通過(guò)加速度計(jì)獲得一個(gè)方向的加速度值，即可計(jì)算出角度值。加速度計(jì)輸出值和傾角關(guān)系式：

A Design on A Two-W heeled Balance Vehicle System Based on Linear CCD

LIU De-qiang
（Jilin Railway Vocational and Technical College，Jilin，Jilin 132001，China）

The controlsystem adopts the single chipmicrocomputer freescale MC9SXS128 as its controlcore，itcollect road information with a 128*1 linear CCD；Kalman filtering algorithm is adopted to integrate the information about gyroscope and accelerometercalculate theangleand angularvelocityofthemodel，adjustand balance themodel.Thewholesystem composed three closed loops，including road information acquisition system，verticalcontrolsystem and speed controlsystem，whichhelpstomodels to erect，speed up，slow down，pass roadblock and crossbridgesand carry outother complexmotions.PCmonitoring system would receivethedataand informationuploaded bywirelessmodules，afterprocessingand analysis，itwouldmakemodelstrack guide lines rapidly，accuratelyand stablely.

linear CCD；Kalman filter；Balanced car；automatic control

TP273

A

2095-980X（2015）07-0035-01

2015-06-15

劉德強(qiáng)（1973-），男，碩士，講師，主要研究方向：鐵道車輛電氣及電氣傳動(dòng)控制技術(shù)。