涂市委，薛諾諾，方海洋

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

引言

伴隨著計算機技術、圖像處理技術、自動控制技術等相關領域的發(fā)展，移動機器人也在不斷地發(fā)展，光電直立智能車作為一種特殊的移動機器人，在很多特定場合得到廣泛應用。文章以恩智浦E車模為模型，闡述了以下三個方面的內(nèi)容：一是整車控制策略，主要使各控制模塊相互配合，進而使智能車在賽道上平穩(wěn)運行；二是硬件電路設計，包括電源管理模塊等六大模塊；三是控制系統(tǒng)的具體算法過程以及總體結構框圖、車模運行控制框圖。通過試驗調(diào)試，該光電直立智能車能夠實現(xiàn)車模的穩(wěn)定運行，對平衡車以及機器人的研究起到了很好的參考和借鑒作用。

1 光電直立智能車整車控制策略

此控制系統(tǒng)共包含六大模塊：電源管理模塊、姿態(tài)檢測模塊、測速模塊、路徑識別模塊、電機驅動模塊、無線調(diào)試模塊。K60單片機通過采集直立模塊中陀螺儀和加速度計的輸出信號，經(jīng)過軟件卡爾曼濾波后獲得智能車的當前姿態(tài)，計算得到角度偏差[1]。經(jīng)過圖像識別得到路徑識別模塊輸出的圖像信息，從而得到車子距離賽道中心線的偏差量。通過正交解碼獲取速度檢測模塊的速度信號，得到兩輪的速度偏差。最終通過速度閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)并結合兩電機PWM波的輸出，動態(tài)調(diào)整車身姿態(tài)，使其既快又穩(wěn)地通過規(guī)定賽道。同時為實時監(jiān)控智能車的運行情況，系統(tǒng)加入了無線調(diào)試模塊。此外，通過串口模塊可實現(xiàn)單片機與上位機之間的信息傳輸。

2 光電直立智能車的硬件電路設計

系統(tǒng)的硬件設計極其重要，首先要選擇合適的單片機，這里選用 MK60FN1MOVLQ15單片機為控制芯片，然后設計各外圍子電路，包括電源管理模塊等必要的模塊，最后通過連接各電路從而形成完整的電路網(wǎng)絡[2]。

2.1 電源管理模塊

系統(tǒng)供電 7.2V，電源電路 5V和 3.3V供電分別選用TPS7350和TPS7333芯片。電機模塊單獨供電，原因是電機模塊驅動電機時電池會發(fā)生較大的壓降和電流，容易產(chǎn)生對其他模塊的干擾。其中TPS7350、TPS7333均屬于微功耗低壓差穩(wěn)壓器，在欠壓條件下，TPS73xx的RESET輸出腳會執(zhí)行一次RESET操作。

2.2 姿態(tài)檢測模塊

光電直立智能車控制的核心在于對車模平衡狀態(tài)的控制，為維持車模平衡需要實時監(jiān)控車身姿態(tài)。姿態(tài)傳感器由直立模塊和轉向模塊兩個部分組成。其中，直立模塊主要使用的是MPU3050陀螺儀和MMA8451Q加速度計這兩種傳感器，輸出數(shù)字信號，通過IIC通信實現(xiàn)車模的直立；轉向模塊主要使用的是ENC-03MB陀螺儀傳感器，輸出模擬信號，采用AD轉換實現(xiàn)車模的轉向[3]。

2.3 測速模塊

系統(tǒng)采用512線3相增量式旋轉編碼器LQ_ECM15180 305_SDZ512，測速方向兼容正交解碼，輸出信號為 CMOS信號，選用5V供電電壓。工作原理為智能車在運行時記錄下車子運行的位移信號，然后將其轉化為周期性的電信號，再通過一定的處理轉化為計數(shù)脈沖，通過脈沖的個數(shù)來表示位移的大小[4]。

2.4 路徑識別模塊

選用山外鷹眼硬件二值化高速攝像頭 OV7725，供電電壓3.3V。該攝像頭共有8根數(shù)據(jù)信號線，每次輸出1個8bit數(shù)據(jù)，每個bit對應圖像上的1個像素點，而且這8個像素點是硬件二值化后的數(shù)據(jù)，無需再次軟件二值化，極大減輕單片機的運算量，進而可以釋放更多的資源用在算法控制上。此攝像頭主要采用SCCB通信協(xié)議，同時兼容IIC協(xié)議，區(qū)別在于SCCB在讀的時候，添加了一個總線停止條件。

2.5 電機驅動模塊

電機驅動采用全橋電路，由 IR2104S驅動 4片 N型IR7843MOS管，12V升壓供電由MC34063提供。系統(tǒng)根據(jù)輸出的PWM信號，從而實現(xiàn)對直流電機的轉速的控制。

2.6 無線調(diào)試模塊

無線調(diào)試模塊主要用于顯示車模運行狀態(tài)及各控制參數(shù)的變化，NRF2401+模塊每32字節(jié)為一個數(shù)據(jù)包，當發(fā)送變量值時前12個字節(jié)才是一個數(shù)據(jù)的幀。

3 系統(tǒng)控制算法

系統(tǒng)采用C語言編程實現(xiàn)各模塊功能的控制，系統(tǒng)的初始化包含電機、編碼器、攝像頭、PIT、PORTA、DMA的初始化，各功能模塊信息的采集包括直立模塊、轉向模塊、光電編碼器、攝像頭等，控制算法包括圖像二值化、邊緣檢測、卡爾曼濾波、車身姿態(tài)控制、速度控制、方向控制等，圖 2即為系統(tǒng)控制的總體結構框圖[5]。

圖2 系統(tǒng)控制的總體結構框圖

具體算法步驟如下：

①各功能模塊初始化，包括電源管理模塊等6個模塊；

②K60微控制器獲取各功能模塊采集得到的信息,包括車身傾角、圖像采集后的二值化圖像、轉向時的位置偏差量、電機轉速等；

③通過卡爾曼濾波得到車模傾角，然后對車模進行 PD調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)車模的直立，若滿足直立則執(zhí)行步驟④，反之則返回步驟①；

④通過對采集到的二值化圖像進行處理后，得到圖像中心線距離賽道中心線的偏差量，同時微控制器判斷是否在速度時間周期內(nèi)，若在則結合電機速度，對電機進行速度閉環(huán)PI調(diào)節(jié)；反之則直接執(zhí)行步驟⑥；

⑤微控制器將閉環(huán)控制結果轉化為相對應的PWM占空比，控制左右兩電機的轉速；

⑥微控制器判斷是否在轉向時間周期內(nèi)，若在則根據(jù)采集到的位置偏差量對智能車進行PD調(diào)節(jié)，反之則進入步驟⑦；

⑦車模的運行與停車控制：微控制器判斷車身姿態(tài)是否滿足正常運行要求，若滿足則輸出相對應的占空比控制左右兩電機的轉速；反之則控制電機的占空比為 0，車模停止運轉。

⑧當車模電機停止運轉時，則通過無線調(diào)試模塊進行相關參數(shù)的調(diào)整，并重新回到步驟①；

圖3為車模運行時直立PD、速度PI、轉向PD的控制框圖，通過調(diào)整各控制參數(shù)從而實現(xiàn)車模的穩(wěn)定運行[6]。

圖3 車模運行控制框圖

4 系統(tǒng)測試

表1 試驗結果

通過對程序的編譯調(diào)試，以及對智能車直立、速度、方向三大模塊的控制參數(shù)進行桌面靜態(tài)調(diào)試以及動態(tài)調(diào)試之后，在36.4m的正式賽道上進行試驗調(diào)試，經(jīng)過多次調(diào)試后得到試驗結果如表1所示。

5 結束語

通過實測可以看出，所設計的控制系統(tǒng)能夠使車模在賽道上快速運行，且穩(wěn)定性好，這表明以上所述的控制方案合理，參數(shù)選擇恰當，各硬件工作正常。

該文章針對光電直立智能車，以 MK60FN1MOVLQ15單片機為核心控制芯片，通過對智能車控制策略、硬件電路設計、控制算法幾個方面進行闡述，以及對智能車直立、速度、方向三大模塊進行桌面靜態(tài)調(diào)試以及動態(tài)調(diào)試之后，各模塊能穩(wěn)定運行，并以較為理想的速度完成賽道的直立行走，論文對于平衡車以及機器人的控制研究具有一定的參考和借鑒作用。

[1] 王玲玲,施建洪.直立車平衡控制的研究[J].機械與電子,2016,34(10)：72-75.

[2] 趙元睿,李新征,王家輝等.基于 K60的兩輪尋跡直立車的設計[J].機電技術,2015,(02)：31-32.

[3] 龔曉輝,薄祥岑. 基于 MC9S12XS128的二輪直立車設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程,2014,22(02)：137-139.

[4] 沙志豪,劉璐璐,張洪等.兩輪直立車控制系統(tǒng)設計[J].電子技術與軟件工程,2016,(06)：149.

[5] 莊治強.基于Freescale小車的智能控制算法研究[D].蘭州：西北師范大學,2015.

[6] 陳思涵.基于視覺引導的自平衡機器人控制系統(tǒng)研究[D].大連：大連海事大學,2017.