陳振偉， 張 立

（1.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化與信息工程系，安徽 淮北 235000；2.淮北煤電技師學(xué)院 自動(dòng)化與信息工程系，安徽 淮北 235000）

0 引 言

考慮上述因素，越來(lái)越多的體積較小、環(huán)保、節(jié)能型自平衡車(chē)被社會(huì)大眾所認(rèn)可。自平衡電動(dòng)車(chē)是響應(yīng)全球節(jié)能減排宗旨，能夠?qū)o(wú)人自動(dòng)駕駛技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)完美結(jié)合，不僅具有微型電動(dòng)車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有智能控制等特點(diǎn)。

自平衡電動(dòng)車(chē)由于其具有智能控制和純電力動(dòng)力、零排放、體積小、靈活性強(qiáng)、時(shí)速低等特點(diǎn)而越來(lái)越適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 自平衡車(chē)系統(tǒng)總體方案

兩輪循跡自平衡車(chē)控制單元系統(tǒng)采用飛思卡爾的16位微控制器MC9S12XS128單片機(jī)作為核心用于智能汽車(chē)系統(tǒng)的控制。線(xiàn)性CCD采集賽道明暗信息，返回到單片機(jī)作為轉(zhuǎn)向控制的依據(jù)。加速度計(jì)返回的模擬信號(hào)作為車(chē)身當(dāng)前角度的信號(hào)，陀螺儀采集車(chē)身轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度［1］。主控輸出PWM波控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以保持車(chē)身的平衡和鎖定賽道。同四輪車(chē)不同，平衡車(chē)需要使用左右輪的差速來(lái)轉(zhuǎn)彎。為了控制的準(zhǔn)確性和快速性，使用編碼器作為速度傳感器。編碼器返回的信號(hào)可以形成閉環(huán)，使用PID控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。平衡車(chē)強(qiáng)烈的加減速會(huì)導(dǎo)致車(chē)身的傾角劇烈的變化，這并不利于車(chē)身保持平衡。因此，整個(gè)調(diào)試過(guò)程就是要在保證車(chē)身穩(wěn)定的前提下不斷提高自平衡車(chē)前進(jìn)的平均速度。

根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，自平衡車(chē)共包括6大模塊：主控模塊采用飛思卡爾MC9S12XS128芯片、電源模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊和輔助調(diào)試模塊。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

以MC9S12XS128為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)是本平衡車(chē)的核心。

主控模塊（飛思卡爾MC9S12XS128芯片）作為整個(gè)自平衡車(chē)的“大腦”，將采集CCD傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀和光電編碼器等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)完成對(duì)平衡車(chē)的控制。

圖1 主控芯片最小系統(tǒng)電路

2.2 電機(jī)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能汽車(chē)的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制；電機(jī)采用芯片BTS7970，其應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，只需要向芯片第2引腳輸入PWM波就能控制。當(dāng)系統(tǒng)中只需要單向控制時(shí)，讓電機(jī)一端接地，另一端接BTS7960第4引腳。如果需要電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)控制，則需要另一片BTS7960共同組成全橋。由于小車(chē)使用雙電機(jī)，所以使用4片BTS7970構(gòu)成兩個(gè)全橋分別控制兩個(gè)電機(jī)。

2.3 測(cè)速模塊

速度檢測(cè)模塊檢測(cè)反饋智能汽車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制；本車(chē)使用歐姆龍300P／R的光電編碼器對(duì)車(chē)速進(jìn)行測(cè)量，以保證測(cè)量精度，并且直接有方向輸出，使用方便。LM2940－5為其提供5V工作電壓。由于飛思卡爾單片機(jī)芯片MC9S12XS128只有一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器，我們采用分時(shí)復(fù)用的方式對(duì)左右兩輪計(jì)數(shù)。

緱衛(wèi)軍[10]以鉬酸銨和硫化鈉為原料，聚乙二醇為分散劑，在鹽酸水溶液中通過(guò)水合熱法合成了類(lèi)似于富勒烯型的MoS2納米微球，其直徑在30～60 nm之間，該方法制備出的MoS2納米微球外表堅(jiān)硬，物化性能穩(wěn)定，然而所得產(chǎn)物大小不均。

2.4 陀螺儀與加速度計(jì)模塊

傳感器模塊是智能汽車(chē)的“眼睛”，可以通過(guò)一定的前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能汽車(chē)的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)，使用陀螺儀和加速度計(jì)計(jì)算車(chē)模行進(jìn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)角速度和加速度信息，用以保持車(chē)模穩(wěn)定行進(jìn)［2］。

加速度傳感器可以測(cè)量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度，文中采用的是飛思卡爾公司的MMA7260加速度傳感器，該系列的傳感器采用了半導(dǎo)體微機(jī)械加工和集成電路技術(shù)，通過(guò)集成的開(kāi)關(guān)電容放大電路量測(cè)電容參數(shù)的變化，形成了與加速度成正比的電壓輸出，具有體積小、重量輕、低g值、三軸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

由于加速度傳感器采用低g值的傳感器MMA7260，它的輸出信號(hào)很大，不需要再進(jìn)行放大［3］。其中MMA7260可以測(cè)量3個(gè)方向的加速度，文中只需要測(cè)量其中一個(gè)方向的加速度值，即Z軸方向上的加速度信號(hào)。車(chē)模直立時(shí)，固定加速度計(jì)在Z軸水平方向。當(dāng)車(chē)模發(fā)生傾斜時(shí)，重力加速度g會(huì)在Z軸方向形成加速的分量，從而引起該軸輸出電壓變化，如下式所示：

式中：g——重力加速度；

θ——車(chē)模傾角；

k——加速度傳感器的靈敏度系數(shù)。

當(dāng)傾角非常小時(shí)，輸出電壓的變化可以近似與傾角成正比，只需要加速度就可以獲得車(chē)模的傾角，再對(duì)此角度進(jìn)行微分，即得到傾角速度。但車(chē)模實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于車(chē)模本身的擺動(dòng)所產(chǎn)生的加速度會(huì)產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)，它疊加在測(cè)量信號(hào)上使得輸出的信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確反映車(chē)模的傾角，因此，對(duì)于小車(chē)直立控制所需要的傾角角度和角速度需要通過(guò)另外一種傳感器獲得，即陀螺儀。

3 控制程序的設(shè)計(jì)

直立平衡循跡小車(chē)的硬件電路設(shè)計(jì)已完成，其能否正常穩(wěn)定的運(yùn)行，還需要通過(guò)編寫(xiě)與硬件電路相適應(yīng)的控制軟件。軟件的編寫(xiě)任務(wù)是保證車(chē)模運(yùn)行，主要包括配置主控單片機(jī)資源，初步編寫(xiě)程序框架；建立軟件編譯、下載、調(diào)試的環(huán)境；編程實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊的功能等。

3.1 程序的設(shè)計(jì)

軟件的主要功能有：3個(gè)傳感器信號(hào)的采集、處理；電機(jī)的PWM輸出；車(chē)模的直立控制、速度控制、方向控制。

軟件控制流程為：程序的初始化、啟動(dòng)與結(jié)束、狀態(tài)監(jiān)控［4］。

程序上電后，先對(duì)運(yùn)用到的單片機(jī)模塊進(jìn)行初始化，完成初始化后，進(jìn)行直立檢測(cè)子程序，程序?qū)⒆x取加速度計(jì)數(shù)值判斷小車(chē)是否直立，若直立，則進(jìn)入中斷服務(wù)程序進(jìn)行速度控制、方向控制，同時(shí)，判斷小車(chē)傾斜角度是否超過(guò)一定范圍，確定小車(chē)是否跌倒，若跌倒，則停止運(yùn)行，重新進(jìn)行小車(chē)直立檢測(cè)子程序。程序在這個(gè)主循環(huán)中不斷將這些數(shù)據(jù)由串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。直立控制、速度控制、方向控制是在中斷程序中完成的，其主要讀取和清除電機(jī)脈沖計(jì)數(shù)器數(shù)值，積累電機(jī)脈沖總數(shù)；進(jìn)行20次模擬量的采集，計(jì)算各AD轉(zhuǎn)換通道模擬量的平均值；計(jì)算小車(chē)傾斜角度和直立控制量，電機(jī)PWM輸出；讀取電磁場(chǎng)檢波數(shù)值，計(jì)算偏差數(shù)值等。

3.2 陀螺儀加速度

陀螺儀加速度計(jì)采集處理程序：

4 傳感器的安裝與控制程序的調(diào)試

4.1 編碼器安裝

可以選用5V工作電壓的300線(xiàn)歐姆龍光電編碼器進(jìn)行速度的測(cè)量，保證測(cè)量的精度［5］。速度傳感器用螺釘通過(guò)支架固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。然后調(diào)節(jié)編碼器齒輪，使其與差速齒輪緊密咬合，增大測(cè)速的精確性，但是咬合過(guò)緊也增大了摩擦，減小了對(duì)電機(jī)做功的利用率，影響小車(chē)的快速行駛［6］，因此，減小摩擦同時(shí)增強(qiáng)齒輪間的咬合是我們主要考慮的因素。用齒輪潤(rùn)滑油涂抹齒輪有不錯(cuò)效果。

4.2 陀螺儀與加速度傳感器安裝

本設(shè)計(jì)中陀螺儀采用的是村田公司的ENC－03系列的陀螺儀。平衡車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中，車(chē)體僅繞兩后輪的軸心線(xiàn)做轉(zhuǎn)動(dòng)［7］。芯片外觀(guān)是長(zhǎng)方形的，安裝時(shí)應(yīng)注意將長(zhǎng)的一邊與后輪軸心線(xiàn)平行。此外，還應(yīng)注意的是陀螺儀的輸出受溫度的影響比較大，為避免環(huán)境溫度變化對(duì)輸出的影響，我們將陀螺儀和加速度計(jì)作為一個(gè)單獨(dú)的模塊，采用FFC線(xiàn)與主板連接，安裝在車(chē)身的背面［8］。

與陀螺儀一樣，加速度傳感器的性能與安放位置也有很大的關(guān)系。加速度傳感器是根據(jù)其XYZ軸上的模擬輸出電壓來(lái)確定車(chē)身的傾角［9］。由于測(cè)量的傾角只有一個(gè)，所以可以使用Z軸的輸出來(lái)計(jì)算，當(dāng)小車(chē)傾角為0時(shí)，Z軸對(duì)應(yīng)的面應(yīng)該處于水平。

4.3 程序調(diào)試

通過(guò)CodeWarrior編譯軟件的在線(xiàn)調(diào)試功能，可以得到大量的信息，為平衡車(chē)的調(diào)試提供了較大的方便。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜合來(lái)看，自平衡車(chē)包括硬件和軟件部分。文中研究的兩輪自平衡循跡小車(chē)受到各國(guó)科學(xué)界的重視，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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