周寶昌 謝智陽(yáng) 郭壯濤

摘要：采用Arduino2560單片機(jī)為控制核心，使用MUP6050傳感器模塊采集平衡小車(chē)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，運(yùn)用PID控制算法與卡爾曼濾波算法來(lái)控制小車(chē)的平衡性與穩(wěn)定性;通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸方式，將平衡小車(chē)系統(tǒng)采集的角速度、角度、車(chē)輪轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)LabView顯示界面，并對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)上位機(jī)LabView軟件可直觀地反映出系統(tǒng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化，極大方便了對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究，及縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：平衡車(chē);Arduino;PID控制算法;LabView

中圖分類號(hào)：TP23? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）10-0000-00

兩輪自平衡小車(chē)類似一個(gè)倒立擺系統(tǒng)，是一個(gè)非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)，采用陀螺儀和加速度計(jì)傳感器模塊來(lái)采集角加速度和角度數(shù)據(jù)，以此獲得車(chē)體當(dāng)前姿態(tài)。當(dāng)前，兩輪自平衡小車(chē)系統(tǒng)硬件多數(shù)以MPU6050模塊實(shí)時(shí)獲取小車(chē)姿態(tài)，運(yùn)用卡爾曼濾波算法濾除掉傳感器帶來(lái)的噪聲，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)自平衡[1-2]。兩輪自平衡小車(chē)具有小巧、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，在眾多搬運(yùn)機(jī)器人中占有一定的優(yōu)勢(shì)[3-4]。

以往，我們?cè)谡{(diào)試小車(chē)控制系統(tǒng)時(shí)，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)得到較好的實(shí)驗(yàn)效果，因傳感器采集到車(chē)輛的準(zhǔn)確信息沒(méi)有實(shí)現(xiàn)可視化，此方法存在開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、難度大等缺陷?；诖耍疚奶岢鐾ㄟ^(guò)藍(lán)牙通信的方式，將小車(chē)的運(yùn)行信息傳送至采用LabView開(kāi)發(fā)的上位機(jī)界面，對(duì)小車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為控制算法的開(kāi)發(fā)提供了科學(xué)的調(diào)試依據(jù)，給算法的調(diào)試指明了方向，從而有效縮短算法的調(diào)試時(shí)間。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由Arduino兩輪自平衡小車(chē)和LabView上位機(jī)兩部分組成[5-6]。如圖1所示，平衡小車(chē)系統(tǒng)采用Arduino 2560單片機(jī)為控制核心，MUP6050傳感器負(fù)責(zé)采集小車(chē)的姿態(tài)信息，并將姿態(tài)信息傳輸給Arduino控制器，控制器得到平衡小車(chē)當(dāng)前的角速度和角度，并結(jié)合直流電機(jī)自帶的編碼器測(cè)得的輪速信息，最終計(jì)算輸出控制信號(hào)準(zhǔn)確控制小車(chē)的兩個(gè)直流電機(jī)，以保持車(chē)體的平衡性，同時(shí)將平衡小車(chē)系統(tǒng)所采集到的角度、角速度和輪速等數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳送至LabView上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由電源降壓模塊，Arduino2560、MPU6050、光電編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)和藍(lán)牙模塊組成，見(jiàn)圖2、3。DC電源12V通過(guò)降壓模塊降至7V為控制板供電，MPU6050讀取車(chē)體姿態(tài)角數(shù)據(jù)通過(guò)IIC方式與Arduino2560進(jìn)行通信;采用光電編碼器獲得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)普通數(shù)字IO口反饋至Arduino2560，Arduino2560根據(jù)傳感器采集到的信息，通過(guò)PID控制算法輸出準(zhǔn)確的PWM信號(hào)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[7]。同時(shí)，控制器將傳感器采集到的小車(chē)運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)信息通過(guò)HC-05藍(lán)牙模塊發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)至上位機(jī)接收端。上位機(jī)接收端由HC-05藍(lán)牙模塊、Arduino UNO控制板組成，藍(lán)牙模塊通過(guò)串口方式與Arduino UNO進(jìn)行通信，再連接至PC端的LabView上位機(jī)。

2.1 Arduino2560控制板

Arduino 2560是一款基于ATMega2560微控器的開(kāi)源硬件，帶有54個(gè)數(shù)字IO，16路模擬輸入，15路可輸出PWM端口，4個(gè)UART串行通訊接口，16Mhz的晶體振蕩器;同時(shí)它也有一個(gè)專屬的開(kāi)源軟件平臺(tái)Arduino IDE，軟件自帶多個(gè)開(kāi)源庫(kù)，與傳統(tǒng)的51、STM32單片機(jī)相比，忽略底層開(kāi)發(fā)信息，省略了許多對(duì)操縱寄存器的步驟，可縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間，能快速完成產(chǎn)品原型的開(kāi)發(fā)[8]。

2.2 MPU6050傳感器模塊

MPU6050傳感器模塊是兩輪自平衡小車(chē)系統(tǒng)的核心部件之一，它整合了三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，自帶了數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理（DMP），減少很多復(fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)和姿態(tài)感應(yīng)計(jì)算等的負(fù)荷，也可以選擇通過(guò)讀取原始數(shù)據(jù)再做姿態(tài)解算，芯片內(nèi)置有16位AD轉(zhuǎn)換器與16位數(shù)據(jù)輸出。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IIC通訊協(xié)議與Arduino2560傳輸數(shù)據(jù)，MPU6050采集數(shù)據(jù)中存在噪聲數(shù)據(jù)，使用Arduino自帶的卡爾曼濾波算法開(kāi)源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算，消除數(shù)據(jù)中的噪聲，降低了本項(xiàng)目的代碼編程與開(kāi)發(fā)的難度。

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)采用帶雙H橋的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，每一路輸出額定電流7A，峰值電流可達(dá)到50A，內(nèi)部帶有8片NCE6075.N溝道MOS管，具有很小的導(dǎo)通內(nèi)阻，消耗能量較低，在實(shí)驗(yàn)前對(duì)所使用的直流電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)5A，正反轉(zhuǎn)瞬間電流達(dá)4A，因此此電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊穩(wěn)定符合使用要求;該直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊具有靜電泄放電路，可有效抑制瞬態(tài)干擾脈沖和靜電，帶光耦隔離輸入，單片機(jī)IO口可直接控制而不受信號(hào)干擾，可防止實(shí)驗(yàn)瞬間大電流擊穿燒毀模塊的欠壓過(guò)流保護(hù)等特點(diǎn)。其驅(qū)動(dòng)邏輯與L298相似，真值表見(jiàn)表1。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在兩輪自平衡小車(chē)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)部的工作原理與運(yùn)行實(shí)時(shí)流程見(jiàn)圖4。對(duì)于MPU6050傳感器、編碼器的信號(hào)采集與處理、PWM控制信號(hào)，以及小車(chē)的直立環(huán)控制和速度環(huán)控制，它們都是對(duì)于軟件的實(shí)時(shí)性都有較高的要求，需要精準(zhǔn)時(shí)鐘周期來(lái)執(zhí)行，因此可以設(shè)置在每隔一個(gè)固定周期的定時(shí)中斷中控制執(zhí)行;而小車(chē)的數(shù)據(jù)輸出打印顯示不需要精準(zhǔn)的時(shí)鐘周期，所以可將其放置在loop（ ）主程序循環(huán)里。此程序主要分為中斷服務(wù)程序和主循環(huán)程序兩部分，只有少部分要求實(shí)時(shí)性較高的程序放在中斷中，保證了程序整體的實(shí)時(shí)性。

4 LabView上位機(jī)無(wú)線采集數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)

LabView虛擬儀器是由美國(guó)儀器公司（簡(jiǎn)稱“NI”）開(kāi)發(fā)的軟件工具，在國(guó)防、航天、計(jì)算機(jī)測(cè)控等領(lǐng)域有了很好的發(fā)展，其最大的特點(diǎn)是后臺(tái)采用圖形化編程，也稱G語(yǔ)言。傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器可視界面固定、單調(diào)，由廠家、開(kāi)發(fā)商定義制造，而LabView軟件對(duì)可視化界面提供了創(chuàng)新性和可自由設(shè)計(jì)的空間，用戶可以根據(jù)自身實(shí)際需求來(lái)定義與制作，突破傳統(tǒng)儀器的限制，豐富了數(shù)據(jù)的可視化，極具方便性與靈活性[4]。

本系統(tǒng)將下位機(jī)接收的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊1無(wú)線傳輸?shù)剿{(lán)牙模塊2，藍(lán)牙模塊2連接Arduino UNO再由串口發(fā)送到PC端的LabView上位機(jī)讀取并將數(shù)據(jù)可視化，整個(gè)信息的收發(fā)過(guò)程相當(dāng)于一種“無(wú)線串口”傳輸數(shù)據(jù)。

LabView程序其程序流程圖見(jiàn)圖5，主要調(diào)用了NI-VISA命令，VISA是一種串口通訊的編程接口。在LabView程序框圖中可分為三大部分：串口配置、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理。

通過(guò)選擇對(duì)應(yīng)的端口、波特率、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)對(duì)串口完成初始化配置。數(shù)據(jù)讀取部分引用“VISA讀取”函數(shù)控件;VISA在指定的設(shè)備端口中讀取一定數(shù)量的字節(jié)，并使數(shù)據(jù)返回至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于VIAS讀取函數(shù)采集到的是一連串的字符串類型數(shù)據(jù)，所以先對(duì)字符串型的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分。這里采用以空字符為界分割成多組字符串，然后再將分割后的字符串型數(shù)據(jù)進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換。

整個(gè)系統(tǒng)上電后，等待藍(lán)牙主從模塊相互連接后，數(shù)據(jù)正常發(fā)送接收并可以直觀的在LabView上位機(jī)上監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，其上位機(jī)顯示界面見(jiàn)圖6，將串口數(shù)據(jù)分別以圖表形式顯示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小車(chē)能夠基本保持平衡，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小車(chē)稍微出現(xiàn)一絲前后擺動(dòng)。完成對(duì)LabView上位機(jī)的開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸顯示各個(gè)數(shù)據(jù)的變化。整個(gè)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)成本低、開(kāi)發(fā)周期短?；贏rduino的兩輪自平衡小車(chē)硬件方面基本能夠滿足本實(shí)驗(yàn)要求，由于時(shí)間和工具的限制，以及程序算法參數(shù)的整定上，存在著更好參數(shù)改進(jìn)。多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，LabView程序能穩(wěn)定讀取字符到緩沖區(qū)，完成小車(chē)姿態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示的功能，極大方便了調(diào)試過(guò)程。

6 結(jié)論

兩輪自平衡小車(chē)是一個(gè)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，本文運(yùn)用開(kāi)源硬件完成了兩輪平衡小車(chē)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。采用NI的LabView，突破傳統(tǒng)儀器對(duì)數(shù)據(jù)的處理與傳送，能夠提供測(cè)量多個(gè)數(shù)據(jù)通道與添加更多控制功能。整個(gè)系統(tǒng)中，對(duì)算法的研究和LabView數(shù)據(jù)可視化相結(jié)合，可以應(yīng)用于教學(xué)平臺(tái)展示，能更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具有一定的研究意義。

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收稿日期：2020-08-28

基金項(xiàng)目：河源市工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，編號(hào)：00007107，來(lái)源：河源市科技局。

作者簡(jiǎn)介：周寶昌（1987—），男，廣東河源人，碩士，講師，研究方向：工業(yè)機(jī)器人仿真技術(shù)，虛擬仿真、云計(jì)算。

通訊作者：謝智陽(yáng)（1985—），男，廣東河源人，碩士，講師，研究方向：嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及生物特征識(shí)別。

Research on Two-wheeled Self-balancing Car System Based on Arduino and LabView

ZHOU Bao-chang1，XIE Zhi-yang1，2，GUO Zhuang-tao

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Heyuan Polytechnic， Heyuan? Guangdong 517000;2.Heyuan Industrial Robot Technology Application Engineering Technology Research Center， Heyuan Guangdong? 517000）

Abstract：Adopt Arduino2560 for microcomputer as the control core， to collect the movement posture information of the balance car use MUP6050 sensor module， and use PID control algorithm and Kalman filter algorithm to control the balance and stability of the car.Through the Bluetooth wireless transmission method， the angular velocity， angle， wheel speed and other data collected by the balance car system are transmitted to the LabView display interface of the host computer， and multiple data are displayed in real time. Experiments show that the LabView software of the host computer can intuitively reflect the dynamic visualization of the system data， which greatly facilitates the analysis and research of the experimental data of the system and shortens the product development cycle.

Key words：Balance car; Arduino; PID control algorithm; LabView