李富鋼

（樂山師范學(xué)院 電子與材料工程學(xué)院，四川 樂山 614000）

0 引言

自行車作為一種交通工具，具有體積小巧、避障靈活、能源利用率高、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。在人工智能和5G 物聯(lián)網(wǎng)引領(lǐng)的時(shí)代有較大的應(yīng)用前景。國內(nèi)許多學(xué)者開展了平衡自行的研究和設(shè)計(jì)工作。在黨新安[1]等人提出的以慣性輪系統(tǒng)為物理模型的自平衡自行車方法，通過增加飛輪裝置，利用角動(dòng)量守恒原理進(jìn)行平衡，使得自行車在靜止情況下完成平衡。由于添加了機(jī)械裝置，使得工程實(shí)現(xiàn)難度增加。王志龍[2]等提出的積分分離算法，系統(tǒng)收斂慢，主動(dòng)抗擾薄弱。王涵[3]等提出的切換PID 控制算法，能夠完成平衡效果，但控制參數(shù)整定較為復(fù)雜，不同的硬件條件環(huán)境下PID 切換臨界點(diǎn)參數(shù)難以整定。針對(duì)自行車平衡控制已有較多研究[4-11],這些研究側(cè)重介紹方法，沒有給出具體的實(shí)現(xiàn)過程。本研究有效地解決了以上問題，同時(shí)引入自動(dòng)尋跡功能，有助于推動(dòng)自行車的個(gè)性化，智能化服務(wù)應(yīng)用。在傳統(tǒng)的共享單車應(yīng)用中，需要到指定的地點(diǎn)進(jìn)行騎車，并在指定的地點(diǎn)還車。自平衡自行車可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶的定位，自動(dòng)尋找到用戶。還可以讓自行車自動(dòng)跟隨人行使。大大提升了自行車服務(wù)效率和服務(wù)質(zhì)量。該平衡自行車的實(shí)現(xiàn)需要解決自行車平衡控制及OPENMV 路徑識(shí)別相結(jié)合的控制算法。本文講述了平衡自行車的軟硬件的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，介紹了STM32最小系統(tǒng)，系統(tǒng)電源，驅(qū)動(dòng)等模塊。軟件設(shè)計(jì)著重介紹數(shù)據(jù)采集及濾波及平衡自行車的平衡控制算法。記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行PID 參數(shù)的整定和數(shù)據(jù)曲線分析。經(jīng)過反復(fù)的參數(shù)整定,平衡自行車的穩(wěn)定性得到較大的提升，該方案移植到現(xiàn)實(shí)的自行車上同樣適用，下面將對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的構(gòu)成包括電源模塊、MCU 模塊、傳感器模塊、舵機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模和速度采集模塊，以及人機(jī)交互模塊。STM32F103 作為控制核心負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，同時(shí)對(duì)各模塊進(jìn)行控制。舵機(jī)負(fù)責(zé)連接“龍頭”實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)自行車的速度閉環(huán)。所有系統(tǒng)控制都在以上硬件平臺(tái)上進(jìn)行。在電子元件和模塊選型的過程中需要考慮其芯片性能，運(yùn)行的穩(wěn)定性，以及性價(jià)比。系統(tǒng)控制框圖如圖1 所示。

圖1 控制框

車模設(shè)計(jì)方案，首先通過CAD 構(gòu)圖建模軟件進(jìn)行車模的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)購買車架零件進(jìn)行組裝和調(diào)試，在需要用到特殊結(jié)構(gòu)連接件的地方，我們采用3D 打印技術(shù)進(jìn)行機(jī)械上的補(bǔ)短和優(yōu)化。車模設(shè)計(jì)的原則是，整車重量要輕，重心靠后利于轉(zhuǎn)向。車模3D建模如圖2所示。

圖2 車模3D 設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

STM32F103 作為計(jì)算和控制的核心，首先利用STM32F103 的SPI 總線接口讀取MPU6050 的姿態(tài)數(shù)據(jù)，將獲取的X 軸的角度數(shù)據(jù)和Y 軸的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到一個(gè)穩(wěn)定的角度數(shù)據(jù)。將角度數(shù)據(jù)進(jìn)行PID 算法。輸出控制到舵機(jī)和電機(jī)，根據(jù)我們實(shí)際生活中騎自行車的經(jīng)驗(yàn)，車往那邊倒，“龍頭”就往那邊偏轉(zhuǎn)，同時(shí)給予一定的加速。利用輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺效應(yīng)以及“龍頭”偏轉(zhuǎn)所帶來的重心調(diào)整，可以閉環(huán)控制自行車轉(zhuǎn)向，并在行駛狀態(tài)下的直立不倒。自行車受力模型 如圖3 所示。

圖3 自行車受力模型

3 硬件方案設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是電路原圖和PCB 電路板的設(shè)計(jì)與制作。在設(shè)計(jì)上需要考慮電路原理的功能和性能參數(shù)。PCB 電路設(shè)計(jì)需要在電路布局和元件擺放過程中考慮信號(hào)干擾，及人性化接口等因素。經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化最終完成電路設(shè)計(jì)圖，如圖4所示。

圖4 電路原理設(shè)計(jì)

盡量減小PCB 設(shè)計(jì)板子尺寸，布局緊湊，定位孔與車模匹配，其中MPU6050 模塊的電路盡量放置在板子中心，以便板子安裝到車模上面以后。傳感器正處于車模中心，可以更為準(zhǔn)確的測(cè)量車身姿態(tài)數(shù)據(jù)，如圖5 所示。

圖5 PCB 效果

3.1 電源模塊

電源模塊的設(shè)計(jì)，決定著整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。首先計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的極限電流。再選擇滿足的DC-DC 穩(wěn)壓芯片，進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)采用的是7.2V 鋰電池供電，所以采用DC-DC降壓方案。芯片型號(hào)為TPS7350 和LM2941。前者主要用于控制系統(tǒng)和傳感器供電，后者為可調(diào)電壓，用于舵機(jī)。如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)電源模塊

3.2 STM32F103 最小系統(tǒng)

自平衡自行車系統(tǒng)，是一種欠驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部發(fā)散的不穩(wěn)定系統(tǒng)。對(duì)MCU 的數(shù)據(jù)運(yùn)算速度及輸出控制的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能，提出了很高的要求。對(duì)比市面上應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的MCU 如樹莓派、TI、英飛凌、STM32 等核心控制器，最終選擇STM32F103。該控制器基于ARM 內(nèi)核架構(gòu)，32 位數(shù)據(jù)總線。最高總線頻率可以達(dá)到72 MHZ，內(nèi)部FLASH容量16 k～512 k，擁 有 睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式。集成 IIC，UART，SPI，CAN，USB 等通信模式。支持SLINK 以及DAM下載模式，MCU 與姿態(tài)傳感器采用SPI 四線制進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，最高達(dá)到72MHZ 的I/O輸入輸出速率，以及(NVIC) 和處理器內(nèi)核接口緊密配合，可以實(shí)現(xiàn)低延遲的中斷處理和晚到中斷的高效處理，保證了系統(tǒng)的算力及實(shí)時(shí)控制。如圖7 所示。

圖7 STM32 最小系統(tǒng)

3.3 巡線模塊

自行車搭載OPENMV 模塊進(jìn)行巡線，者指定人物，形狀跟隨行駛。OPENMV 采用圖像識(shí)別算法，搭配720P攝像頭，使用PYTHON語言進(jìn)行二次開發(fā)。通過配置和調(diào)用巡線功能，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行閉環(huán)路徑位置信息反饋。獲取的路徑信息通過UART 接口傳輸給STM32 控制器用于自行車轉(zhuǎn)向控制依據(jù)。該模塊性能穩(wěn)定，易于開發(fā)和移植，已經(jīng)在很多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。OPENMV 實(shí)物圖，如圖8 所示。

圖8 OPENMV 巡線模塊實(shí)物

3.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮匹配平衡自行車自重和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。自行車模型重量712 g，匹配380 電機(jī)及減速齒輪組。該電機(jī)最高轉(zhuǎn)速16200轉(zhuǎn)/分，最大功率16 W，最大扭矩82 mN,堵住電流21 A。經(jīng)過計(jì)算，該動(dòng)力組合足以保障自行車行駛動(dòng)動(dòng)力。

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)采用英飛凌的BNT7971。該驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部集成MOS 半橋驅(qū)動(dòng).驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要考慮與電機(jī)參數(shù)的匹配，以及系統(tǒng)的供電電壓。該芯片的電源輸入5～18 V，最大工作電流50 A.信號(hào)驅(qū)動(dòng)主要采用10 KHZ 的PWM 信號(hào)占空進(jìn)行電機(jī)功率控制。脈沖寬度調(diào)制(PWM)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用STM32F103 的PMW 模塊輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種功率控制技術(shù)，通過控制固定電壓的直流電源的開關(guān)時(shí)間，從而改變負(fù)載兩端的有效電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方式。并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”的時(shí)間，改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”改變平均電壓的大小，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速目的，電路設(shè)計(jì)圖如圖9 所示。

圖9 BTN7971 原理

3.5 姿態(tài)傳感器模塊

系統(tǒng)中采用的是MPU6050 姿態(tài)傳感器，該傳感器可以檢測(cè)3 軸加速度及3 軸陀螺儀?？刂仆ㄟ^IIC 總線方式與MPU6050 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而讀取姿態(tài)數(shù)據(jù)。通過不通的寄存器設(shè)置，可以讀取數(shù)據(jù)。0x3B，加速度計(jì)的X 軸分量ACC_X，0x3D，加速度計(jì)的Y 軸分量ACC_Y，0x3F，加速度計(jì)的Z 軸分量ACC_Z，0x41，當(dāng)前溫度TEMP，0x43，繞X 軸旋轉(zhuǎn)的角速度GYR_X，0x45，繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角速度GYR_Y，0x47，繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的角速度GYR_Z，MPU6050 如圖10 所示。

圖10 MPU6050 實(shí)物

3.6 舵機(jī)模塊

舵機(jī)是由齒輪組、電機(jī)、電位器、電機(jī)控制板、殼體組成的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過發(fā)信號(hào)，控制輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)械部件進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。比如機(jī)器人的關(guān)節(jié)，航模的機(jī)翼，車模的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如圖11 所示。

圖11 舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

控制信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20 ms，寬度為1.5 ms 的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0 V，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖12 所示。

圖12 舵機(jī)控制信號(hào)

根據(jù)舵機(jī)控制的信號(hào)要求，首先要對(duì)STM32F103 內(nèi)部PWM 模塊進(jìn)行配置，用于輸出周期為20 ms 的PWM 調(diào)制波形,然后再通過對(duì)占空比寄存器賦值，改變輸出波形的占空比，達(dá)到控制舵機(jī)角度的目的。

圖13 控制角度與脈沖寬度

3.7 機(jī)械設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試

將電路板和電池安放在自行車模的后座上。這樣可以減輕轉(zhuǎn)向的阻力。使得方向的調(diào)整很敏捷，同時(shí)需要將陀螺儀的位置盡量安裝在中心，盡量降低重心。上電開機(jī)的時(shí)候首先觀察車模靜態(tài)平衡狀態(tài)下的角度信息，記錄并重新設(shè)置在系統(tǒng)里面。默認(rèn)的舵機(jī)中心值可能沒有使得輪子方向回正?？梢酝ㄟ^軟件修改中心值，也可以通過重新安裝擺臂的方式進(jìn)行修正，自行車實(shí)物如圖14 所示。

圖14 車模實(shí)物

4 軟件方案設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制流程圖

整個(gè)系統(tǒng)上電啟動(dòng)以后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括IO 初始化，中斷初始化，以及PWM 模塊初始化等，然后從Flash 讀出相應(yīng)的設(shè)置參數(shù)，再通過按鍵進(jìn)行設(shè)置更改后并寫入Flash。進(jìn)入主循環(huán)以后，開始讀取MPU6050 的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)有效，進(jìn)行濾波，PID 控制，同時(shí)檢查停車。軟件流程圖如圖15 所示。

圖15 軟件流程

4.2 互補(bǔ)濾波算法

MPU6050 獲取角度信息的原理是當(dāng)傳感器發(fā)生傾斜時(shí)，重力加速度g 在Z 軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出電壓變化。變化規(guī)律如式（1）。

當(dāng)傾角比較小的時(shí)候，那么電壓的變化就可以近似與傾角成正比。陀螺儀是利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會(huì)受到科里奧利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動(dòng)單元。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時(shí)會(huì)改變振動(dòng)頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。

加速度計(jì)在運(yùn)動(dòng)中存在較大的毛刺信號(hào)，取瞬時(shí)值計(jì)算傾角誤差比較大。陀螺儀在靜態(tài)的時(shí)候是無法測(cè)量角度的，必須在運(yùn)動(dòng)的過程中，做積分運(yùn)算才能準(zhǔn)確測(cè)量角度。那么二者的特性正好可以互補(bǔ)。采用一階互補(bǔ)濾波，也可以理解是加權(quán)平均。即在短時(shí)間內(nèi)相信采用陀螺儀的角度，長(zhǎng)時(shí)間相信相信加速計(jì)的角度。使用兩者的數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)濾波運(yùn)算。也可以理解為加速度計(jì)要濾掉高頻信號(hào)，陀螺儀要濾掉低頻信號(hào)，然后再相加得到整個(gè)頻帶的信號(hào)。

需要注意的是由于陀螺儀是取積分運(yùn)算如果信號(hào)存在飄逸和偏差，那么積分所到的角度信息隨時(shí)間的累計(jì)誤差將變大，將無法得到準(zhǔn)確的角度信息。所以需要在啟動(dòng)濾波器之前對(duì)陀螺儀的零偏值進(jìn)行采集，運(yùn)算的時(shí)候減去零偏值。如果陀螺儀靜止情況下本身就為零，就無須在處理，這樣就可以得到準(zhǔn)確的積分角度?；パa(bǔ)濾波算法如公式（2）：

Wm 為陀螺儀輸入?yún)?shù)，acc_angm 為加速度輸入?yún)?shù)，K 為加權(quán)系數(shù)，Ts 為積分時(shí)間常數(shù)，att 為融合角度。經(jīng)過調(diào)試取Ts=0.02、K=0.02 看出濾波后的曲線（紅色）與原始角度曲線（黃線）的跟隨是比較緊密的。同時(shí)也濾掉了其噪聲，保持曲線平滑。

4.3 平衡控制與轉(zhuǎn)向閉環(huán)

自行車在有一定速度的情況下，車身在行駛的過程中發(fā)生傾斜，為了保持平衡，我們需要往傾斜的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，利用加速度將重心調(diào)整回到平衡位置，再將方向回正。在平衡控制程序中，我們使用PD 控制，即比例項(xiàng)和微分項(xiàng)。入口參數(shù)是完成濾波以后的傾角和角速度。如圖16 所示。有了平衡控制只能完成小車的直線行走，并不能再轉(zhuǎn)向控制。這時(shí)我們引入轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制。這里使用轉(zhuǎn)向PI 控制，I 量夠幫助在轉(zhuǎn)向過程中對(duì)轉(zhuǎn)向偏差的積分進(jìn)而達(dá)到理想的轉(zhuǎn)向角度公式如（3）。以當(dāng)前的傾角作為平衡傾角，重新計(jì)算形成理想的轉(zhuǎn)向角度。最終體現(xiàn)出來的效果就是轉(zhuǎn)向的過程中依然保持平衡，無限循環(huán)轉(zhuǎn)圈而不會(huì)摔倒。

圖16 互補(bǔ)濾波曲線

圖17 PID 控制示意

4.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試

平衡自行車完成搭建和代碼編寫后，需進(jìn)行平衡參數(shù)的調(diào)試。調(diào)試步驟分為平衡參數(shù)調(diào)試和轉(zhuǎn)向參數(shù)調(diào)試。表1 和表2 是調(diào)試參數(shù)的記錄數(shù)據(jù)及現(xiàn)象描述。平衡參數(shù)的調(diào)節(jié)主要是起到響應(yīng)傾斜的控制，幫助快速改變重心。但是無法持續(xù)的維持重心位置。轉(zhuǎn)向參數(shù)的加入可以進(jìn)行累積誤差，起到維持轉(zhuǎn)向過程中的重心位置保持，巡線調(diào)試如圖18 所示。

圖18 自行車彎道巡線視頻連拍

表1 平衡系數(shù)

表2 轉(zhuǎn)向閉環(huán)參數(shù)

最終確定參數(shù)：Ban_KP=7.1、Ban_KD=5.6、Velocity_Kp=0.6、Velocity_Ki=0.7

5 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)自平衡小車的設(shè)計(jì)和制作，最終完成功能實(shí)現(xiàn)，完善了系統(tǒng)參數(shù)，使小車的整體平衡和巡線效果良好。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為后續(xù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自平衡自行車的廣泛應(yīng)用和拓展提供了一定的技術(shù)參考。但在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，依然存在一些不足，比如針對(duì)不同的機(jī)械構(gòu)造，要調(diào)試出相應(yīng)的一套系統(tǒng)參數(shù)。為該應(yīng)用的量產(chǎn)增加了工作難度。所以后面的研究將針對(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式教會(huì)自行車如何自適應(yīng)駕駛并自動(dòng)校正參數(shù)，完成參數(shù)與系統(tǒng)的匹配。