賈麗君

（江蘇省連云港中等專業(yè)學(xué)校，江蘇連云港222000）

0 引言

隨著計算機、多傳感在線檢測和智能控制技術(shù)的發(fā)展，雙輪載人自平衡車憑借其成本低、體積小和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，逐漸成為人們出行首選的代步工具。雙輪載人自平衡車是由一級直線倒立擺和環(huán)形倒立擺組成的結(jié)合體，其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，具有明顯的非線性、強耦合和多變量特性[1-2]。對于雙輪自平衡車的控制，通常利用陀螺儀和加速度計等多傳感融合獲取自平衡車的運行姿態(tài)，再通過反饋、自平衡和解耦控制算法調(diào)節(jié)復(fù)合倒立擺的多變量參數(shù)。然而，基于實時反饋和在線解耦的平衡車控制系統(tǒng)較少關(guān)注硬件系統(tǒng)的功耗問題，若硬件功耗過大，不僅難以支持長時間行駛，而且極易因過熱而燒損硬件。因此，利用超低功耗MSP430單片機為核心設(shè)計了平衡車的控制系統(tǒng)，在確保平衡車運行平穩(wěn)的前提下盡量降低硬件系統(tǒng)的功耗。

1 總體方案設(shè)計

平衡車控制系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，主要包括主控制器、檢測和執(zhí)行模塊等三部分。

圖1 總體方案

檢測模塊負責(zé)實時采集雙輪自平衡車的行駛參數(shù)，三維陀螺儀和加速度計分別檢測平衡車的傾角及其變化速度，速度傳感器監(jiān)測平衡車的行駛速度。執(zhí)行模塊為平衡車的左輪和右輪驅(qū)動電路，響應(yīng)主控制器對平衡車行駛參數(shù)的實時處理，在線控制傾角和速度。主控制器在線處理檢測模塊反饋的傾角、傾角變化速度和行駛速度等參數(shù)，負責(zé)響應(yīng)檢測模塊、調(diào)度執(zhí)行模塊。

2 雙輪載人自平衡車控制系統(tǒng)開發(fā)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)以MSP430F5438A單片機為核心，外圍設(shè)置速度和姿態(tài)傳感器、信號調(diào)理、串行通信RS-232接口、藍牙、供電與電源監(jiān)測、左輪和右輪驅(qū)動電路等模塊。MSP430F5438A單片機具有功耗低（正常工作損耗290 μA/MIPS）、外設(shè)資源豐富、開發(fā)環(huán)境友好和易于調(diào)試等優(yōu)點，能通過精簡的RISC指令大幅提高自平衡車行駛過程中參數(shù)的在線整定和控制能力。MSP430單片機提供便于在線調(diào)試和下載的JTAG接口，僅需配置3.3 V電源、復(fù)位按鍵、8 MHz高速晶振和32.768 kHz低速晶振即可實現(xiàn)對MSP430單片機最小系統(tǒng)的構(gòu)建，從而方便監(jiān)控平衡車整體的運行過程。串行通信RS-232接口負責(zé)與外部PC或測試設(shè)備建立通信與測試連接，硬件采用MAX3232芯片開發(fā)，將與平衡車監(jiān)控相關(guān)的TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-232電平。

姿態(tài)傳感器選用包含3軸加速度計和3軸陀螺儀的MPU-6050，傾角測量范圍±250°、加速度范圍不小于±2g。在平衡車行駛過程中，MPU-6050芯片功耗較低[3]，每個軸監(jiān)測的傾角和加速度信號分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換AD和MSP430的IIC接口反饋回主控制器。藍牙通信負責(zé)與用戶移動終端上的APP建立數(shù)傳通道，期望利用極低的功率損耗實現(xiàn)用戶對平衡車行駛過程中運行參數(shù)的實時監(jiān)控與記錄反饋。藍牙模塊采用HC-05，通過TX/RX引腳連接可實現(xiàn)平衡車對藍牙通信功能的定制需求。

雙輪載人自平衡車采用鋰電池供電，通過降壓芯片LMR23615將鋰電池的24 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V，進而為主控制器MSP430、姿態(tài)傳感器MPU-6050和藍牙HC-05提供穩(wěn)壓電源。電池溫度和電壓等參數(shù)監(jiān)測采用BQ40Z80電能監(jiān)控芯片，由MSP430與BQ40Z80間的SMBus協(xié)議實現(xiàn)對鋰電池供電狀態(tài)的在線監(jiān)測[4]。雙輪載人自平衡車的左輪和右輪驅(qū)動電路采用L298雙H橋驅(qū)動芯片，由MSP430輸出PWM信號以控制左輪和右輪的速度。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)由主程序、子程序和中斷等組成。主程序?qū)崿F(xiàn)對硬件系統(tǒng)的初始化、參數(shù)設(shè)置、輪詢和標(biāo)志位循環(huán)檢測等，雙輪載人自平衡車硬件系統(tǒng)上電初始化后，主程序按用戶設(shè)定的參數(shù)進行控制，并通過循環(huán)檢測符號標(biāo)志，按對應(yīng)的中斷和標(biāo)志位調(diào)用子程序。子程序基本功能如圖2所示。藍牙通信子程序負責(zé)與用戶終端建立聯(lián)系，既能響應(yīng)APP上傳主控制器MSP430監(jiān)測的轉(zhuǎn)速、電能等信號，又能將用戶控制指令傳輸?shù)街骺刂破?，使平衡車按用戶需求運行。卡爾曼濾波、速度和平衡控制構(gòu)成平衡車基本運動功能，卡爾曼濾波和比例變換將MPU-6050芯片監(jiān)測的傾角和加速度信號轉(zhuǎn)化為平衡車實際信號，通過解耦和PID控制調(diào)節(jié)平衡車運行過程中的姿態(tài)，以實現(xiàn)平衡控制功能，同時，輪速傳感器反饋實際速度，由主控制器MSP430輸出的PWM信號和PID控制算法調(diào)節(jié)平衡車運行速度。電能管理與監(jiān)控子程序?qū)崿F(xiàn)對雙輪載人自平衡車運行過程中鋰電池狀態(tài)的在線監(jiān)測，將溫度、電壓等反映電池性能的參數(shù)實時反饋回主控制器MSP430，由此判定鋰電池的使用性能。

圖2 軟件系統(tǒng)功能

3 結(jié)語

為提高雙輪載人自平衡車的運行效率，降低硬件損耗，利用超低功耗芯片MSP430設(shè)計支持藍牙通信和電源監(jiān)測的雙輪載人自平衡車控制系統(tǒng)。硬件上，充分考慮硬件系統(tǒng)間的功耗問題，研究了雙輪載人自平衡車控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，采用低功耗芯片設(shè)計硬件控制系統(tǒng)，配置電源芯片管理鋰電池供電，既實現(xiàn)功耗降低，又確保自平衡車運行平穩(wěn)。軟件上，分析雙輪載人自平衡車控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，采用主程序循環(huán)檢測標(biāo)志位調(diào)用子程序的方式實現(xiàn)藍牙通信、平衡與速度控制等基本功能。