王建林， 徐青菁， 姜子庠

(1.上海東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字傳媒系，上海 200241； 2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240； 3.上海電力科技園股份有限公司，上海 200082)

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多功能自平衡智能車控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)

王建林1， 徐青菁2， 姜子庠3

(1.上海東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字傳媒系，上海 200241； 2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240； 3.上海電力科技園股份有限公司，上海 200082)

介紹了多功能自平衡智能車控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)需求的分析，完成了平衡車所需的主控部分、傳感器部分硬件電路的設(shè)計(jì)，搭建了以PIC32MZ為核心的具有多功能的自平衡車。本設(shè)計(jì)完成的智能車具有以下特點(diǎn)：基于MPU9150傳感器實(shí)現(xiàn)自平衡功能；具有GPS定位顯示；控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，在受到20°以內(nèi)干擾時(shí)仍能回復(fù)到直立運(yùn)行狀態(tài)；具有良好的速度和方向閉環(huán)控制，同時(shí)兼具速度、角度、低電壓等多種保護(hù)；具有良好的人機(jī)界面，可存儲(chǔ)多組控制參數(shù)；智能車帶有SD卡，可以文件系統(tǒng)形式讀取和存儲(chǔ)信息。經(jīng)過(guò)該自平衡車的設(shè)計(jì)流程，可以進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、控制理論驗(yàn)證等等一系列實(shí)驗(yàn)探索。

PIC32MZ; MPU9150傳感器; GPS; 文件系統(tǒng)

0 引 言

2001年，美國(guó)狄恩·卡門公布了成熟的自平衡車產(chǎn)品Segway，是全球第一個(gè)真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的自平衡車。自平衡車的原理決定其平衡是電控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)需駕駛?cè)擞?xùn)練，這也提高了其運(yùn)行的穩(wěn)定性。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)查閱可知，平衡車研究中的兩大難點(diǎn)為：角度傳感器信號(hào)的處理和自平衡算法的設(shè)計(jì)。就角度傳感器信號(hào)而言，精準(zhǔn)的傳感器成本比較高，所以一般采用低成本的加速度計(jì)和陀螺儀進(jìn)行互補(bǔ)濾波得到角度參數(shù)，對(duì)傳感器的要求可以適當(dāng)降低。

控制算法是平衡車的核心，目前主流的控制算法為經(jīng)典PID算法，LQR(Ginear Quadratic Regulator)算法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法(ArtificialNeural Networks)[1-4]。目前，LQR方法在控制性能和實(shí)用性上優(yōu)勢(shì)較大，但是需要對(duì)系統(tǒng)建模準(zhǔn)確,一定程度上提高了設(shè)計(jì)難度[5-12]。本文采用的經(jīng)典PID算法主要有比例、微分、積分3個(gè)環(huán)節(jié)組成，其理論較為成熟，算法較為簡(jiǎn)單[12-13]。

1 自平衡智能車總體方案

1.1 自平衡原理

車模的直立基于倒立擺的自平衡原理。智能車模型可以簡(jiǎn)化為底部可以運(yùn)動(dòng)的倒立單擺，對(duì)于倒立擺而言，其回復(fù)力方向與位移方向相同，因而回復(fù)力會(huì)加速倒立擺偏離平衡位置。因此，設(shè)計(jì)中需要增加對(duì)倒立擺額外進(jìn)行施力，使得回復(fù)力與位移方向相反。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要通過(guò)車輪的移動(dòng)來(lái)完成。如果能控制倒立擺底部的車輪，當(dāng)?shù)沽[偏離平衡位置時(shí)進(jìn)行加速，以車輪位置作為參考系原點(diǎn)，這樣就相當(dāng)于對(duì)倒立擺額外進(jìn)行了施力。

1.2 PIC32MZ主控制器

系統(tǒng)總體方案如圖1所示。PIC32MZ是Microchip旗下首款采用Imagination公司MIPS microAptivTM內(nèi)核的MCU，它增加了159個(gè)全新DSP指令，使DSP算法的執(zhí)行速度比PIC32MX系列的周期縮短了75%。該內(nèi)核還提供了microMIPS?指令集架構(gòu)，在提高代碼密度的同時(shí)能以接近全速率運(yùn)行，而指令和數(shù)據(jù)緩存及其200 MHz/330 DMIPS可實(shí)現(xiàn)PIC32MX 3倍的性能，存儲(chǔ)容量是PIC32MX的4倍，同時(shí)高度集成了不少先進(jìn)的外設(shè)。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 正交編碼器模塊

平衡車對(duì)左右輪電機(jī)獨(dú)立控制，基于測(cè)速需求,安裝有兩路正交編碼器。

如果檢測(cè)到A相相位超前于B相，則認(rèn)為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是正向的；如果檢測(cè)到A相相位之后于B相，則認(rèn)為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是反向的。

通過(guò)解析單位時(shí)間內(nèi)的正交脈沖，可以得到智能車的速度信息。

2.2 OLED模塊

本次設(shè)計(jì)中，采用了具有128×64分辨率的并行通訊OLED顯示器。該顯示器大小僅為3 cm×3 cm，非常輕盈，顯示性能優(yōu)良且具有很高的刷新速度，非常適合于作為智能車控制平臺(tái)的顯示部分。

OLED顯示器具有5個(gè)控制位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，需要13個(gè)GPIO端口來(lái)控制。

2.3 SD卡模塊

PIC32MZ可以通過(guò)SPI接口與SD卡通訊。本設(shè)計(jì)中加入了SDHC卡模塊，同時(shí)建立文件系統(tǒng)便于PC等直接讀取卡內(nèi)信息。

本次設(shè)計(jì)中采用8 GB Class 10型SDHC卡，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該卡讀取和寫入性能穩(wěn)定且速度較快。

2.4 視頻分離模塊

本次設(shè)計(jì)中采用Sony黑白攝像頭，其輸出為PAL制式，輸出的信號(hào)由復(fù)合同步信號(hào)、復(fù)合消隱信號(hào)和視頻信號(hào)組成。因此，需要采用視頻分離芯片進(jìn)行視頻解碼，將該信號(hào)分解為場(chǎng)中斷信號(hào)、行中斷信號(hào)和視頻信號(hào)。

本次設(shè)計(jì)中，采用德州儀器半導(dǎo)體公司的LM1881視頻同步分離器。視頻信號(hào)輸入LM1881后，會(huì)被分解為3種信號(hào)：場(chǎng)中斷信號(hào)、行中斷信號(hào)和視頻信號(hào)，分別接入微處理器的IO中斷和AD采樣端口，通過(guò)內(nèi)部程序控制采樣即可。

2.5 MPU9150傳感器

MPU9150是InvenSense公司生產(chǎn)的9軸傳感器。本次設(shè)計(jì)中，使用了該傳感器的3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)，用以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。MPU9150以IIC方式與微處理器通訊。

2.6 GPS模塊

GPS模塊的主芯片是NEO-6M，該模塊具有高性能定位引擎，具有高靈活性和成本效益。GPS模塊可以通過(guò)UART接口與外界相連，可以返回三維位置定位(經(jīng)緯度，海拔)，速度，水平位置定位精度等。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件是整個(gè)系統(tǒng)的行動(dòng)指南，是智能車的大腦。務(wù)必要兼顧軟件的高效性和魯棒性，而且要達(dá)到軟件、硬件、機(jī)械三者有機(jī)地統(tǒng)一。

3.1 基于PIC32MZ的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)主循環(huán)任務(wù)和中斷任務(wù)兩部分。中斷任務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制任務(wù)，要求5 ms執(zhí)行一次完整的控制周期。系統(tǒng)主循環(huán)負(fù)責(zé)參數(shù)記錄、顯示器刷新等任務(wù)。角度信息處理采用卡爾曼濾波器[9-10]。系統(tǒng)主循環(huán)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主循環(huán)流程圖

定時(shí)器中斷中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，流程圖如圖3所示。

圖3 定時(shí)中斷

3.2 上位機(jī)

上位機(jī)具有無(wú)線模塊終端，即藍(lán)牙通訊功能，以及圖像顯示、GPS地理坐標(biāo)顯示、圖像存儲(chǔ)功能以及調(diào)試功能。上位機(jī)基于C語(yǔ)言編寫。上位機(jī)如圖4所示。

圖4 上位機(jī)

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 基于PIC32MZ的自平衡智能車

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了智能車硬件構(gòu)建和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和基本控制思想。硬件電路方面，為了滿足軟件系統(tǒng)控制的需要，設(shè)計(jì)了核心板及其接口電路、各種傳感器的驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等，提供信號(hào)收發(fā)和電機(jī)控制等功能。軟件方面， 應(yīng)用PIC32MZ微處理器軟件系統(tǒng)的基本功能模塊，設(shè)計(jì)中先后構(gòu)建出平衡控制、速度控制等功能?？刂浦兄饕獞?yīng)用了PID控制思想，結(jié)合智能車的機(jī)械特性，適當(dāng)調(diào)整，產(chǎn)生了特定針對(duì)于本智能車系統(tǒng)的控制算法。

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The Design and Implementation of Multi-function Self-balancing Intelligent Car Control Platform

WANGJian-lin1,XUQing-jing2,JIANGZi-yang3

(1. Digital Media Department, Shanghai Donghai Vocational & Technical College, Shanghai 200241, China;2. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong Universit,Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Electric Power of Science Park Co., Ltd., Shanghai 200082, China)

This paper introduces the design and implementation of control platform for the multi-functional self-balancing intelligent car. The design of intelligent car uses MPU9150 sensor to achieve self-balance function. It has GPS position display. The control system has strong robustness so that the car can still remain upright running state within 20° interference. The speed and direction are in closed-loop control, and the speed, angle, low voltage protection are all held. Meanwhile, the car’s speed and direction can be controlled through intelligent control platform. Multiple control parameters can be set by a humanized interface. With an SD card based on file system platform, real-time operating data of the car can be recorded.

PIC32MZ; MPU9150 sensor; GPS; file system

2015-03-20

王建林(1957-)，男，上海人，講師，主要研究方向: 軟件工程,遺傳算法。Tel.:021-64391764; E-mail:906857244@qq.com

TP 212.1+4

A

1006-7167(2016)04-0071-03