智能直立循跡小車(chē)的控制方案

趙繼強(qiáng) 陳建國(guó) 林榮群

福州大學(xué)，福建 福州 350108

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用飛思卡爾9S12G系列單片機(jī)MC9S12G128MLL作為主控芯片，MC9S12G128MLL單片機(jī)自帶8位PWM通道和10位ADC通道，可使程序編寫(xiě)更簡(jiǎn)潔，運(yùn)行速度更快，而且AD采樣精度高，為直立部分傳感器的數(shù)據(jù)采集提供了極大的方便。其系統(tǒng)可分為控制器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、加速度傳感器和陀螺儀模塊等。

2 理論分析

2.1 車(chē)模平衡控制

通過(guò)負(fù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)模的平衡控制。因?yàn)檐?chē)模兩輪著地，車(chē)體只會(huì)在輪子滾動(dòng)的方向上發(fā)生傾斜。因此通過(guò)控制電機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消在一個(gè)方向上傾斜的趨勢(shì)便可以保持車(chē)體的平衡。

倒立擺之所以不能像單擺一樣可以穩(wěn)定在垂直位置，就是因?yàn)樵谒x平衡位置時(shí)，所受到的回復(fù)力與位移方向相同。因此，倒立擺便會(huì)加速偏離垂直位置，直至倒下。為了使倒立擺能夠像單擺一樣穩(wěn)定在垂直位置，我們通過(guò)控制倒立擺底部車(chē)輪，使得它作加速運(yùn)動(dòng)，該力與車(chē)輪的加速度方向相反，大小成正比。

2.2 車(chē)模速度控制

小車(chē)運(yùn)行速度是通過(guò)控制車(chē)輪速度實(shí)現(xiàn)的，兩輪電壓之和決定了小車(chē)前進(jìn)速度。車(chē)輪通過(guò)小車(chē)兩個(gè)后輪電機(jī)經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)，因此通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)控制。

2.3 車(chē)模轉(zhuǎn)向控制

控制左右輪電機(jī)兩端的給定電壓，就能實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)向。小車(chē)的轉(zhuǎn)向速度與兩輪速度之差成正比。因此，兩輪電壓之差決定了小車(chē)的轉(zhuǎn)向速度。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 軟件主要框架和功能

采取模塊化編程思想，將系統(tǒng)程序分為各個(gè)不同模塊，每個(gè)模塊有相應(yīng)的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊的良好對(duì)接，且增加程序的可讀性、可移植性，方便后期的調(diào)試查錯(cuò)。

程序的主要流程圖如圖所示。程序上電運(yùn)行后，進(jìn)行單片機(jī)的初始化。初始化的工作包括兩部分，一部分是單片機(jī)各個(gè)應(yīng)用模塊的初始化。第二部分是應(yīng)用程序初始化。

圖1 程序流程圖

初始化完成，進(jìn)入車(chē)模直立檢測(cè)子程序，判斷車(chē)模當(dāng)前狀態(tài)。該子程序通過(guò)讀取加速度傳感器的數(shù)值判斷 車(chē)模是否已經(jīng)處于直立狀態(tài)，當(dāng)傾角近似為零時(shí)，可認(rèn)為車(chē)模處于直立狀態(tài)。直立狀態(tài)判斷成立，則啟動(dòng)車(chē)模直立控制、車(chē)模方向控制以及車(chē)模速度控制。接下來(lái)程序進(jìn)入主循環(huán)，主循環(huán)中主要是進(jìn)行上述三種車(chē)模運(yùn)動(dòng)控制，并一直發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)，包括：當(dāng)前車(chē)模傾角、當(dāng)前車(chē)模速度、當(dāng)前車(chē)模方向。同時(shí)檢查車(chē)模是否跌倒，跌倒判斷可以通過(guò)車(chē)模傾角是否超過(guò)一定范圍進(jìn)行確定。一旦車(chē)模跌倒，則停止車(chē)模運(yùn)行，然后重新進(jìn)入車(chē)模直立判斷過(guò)程。車(chē)模的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中斷程序中完成，其中涉及分時(shí)控制思想，并且通過(guò)全局標(biāo)志變量確定是否進(jìn)行這些閉環(huán)控制。

3.2 具體模塊實(shí)現(xiàn)

1）角度、速度、方向檢測(cè)模塊

角度檢測(cè)模塊：在車(chē)模上安裝陀螺儀，可以測(cè)量車(chē)模傾斜角速度，將角速度信號(hào)進(jìn)行積分便可以得到車(chē)模的傾角。

速度檢測(cè)模塊：讀取安裝在車(chē)輪上的編碼器所返回的脈沖數(shù)，通過(guò)計(jì)算獲取當(dāng)前速度值。

方向檢測(cè)模塊：通過(guò)讀取紅外反射式光電傳感器返回的高低電平信號(hào)，分析得出當(dāng)前車(chē)體所朝的方向。

2）PWM輸出模塊

該模塊子函數(shù)中需要解決兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是電機(jī)的正反轉(zhuǎn)問(wèn)題，一個(gè)是電機(jī)的轉(zhuǎn)速問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題，通過(guò)初始化中設(shè)定的電機(jī)極性變量來(lái)確定，該變量的值決定了PWM波的輸出極性。第二個(gè)問(wèn)題，通過(guò)初始化中設(shè)定的電機(jī)PWM輸出值變量決定，并且有左電機(jī)和右電機(jī)之分。

3）車(chē)模運(yùn)動(dòng)控制模塊

該模塊由三部分組成：直立平衡控制、速度控制、方向控制。車(chē)輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此可通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)控制。車(chē)模運(yùn)行速度調(diào)整時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，此時(shí)，電機(jī)速度與施加在其上的電壓成正比。通過(guò)傳統(tǒng)的PID反饋控制，便可以精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制車(chē)模的運(yùn)行速度。具體控制如圖2所示。

圖2 PID控制

具體的調(diào)用是在中斷函數(shù)中執(zhí)行，中斷函數(shù)中采用了分時(shí)執(zhí)行的思想。使用DSC的一個(gè)定時(shí)器，產(chǎn)生1ms的周期中斷。中斷服務(wù)程序的任務(wù)被均勻分配在0-4的中斷片段中，因此每個(gè)中斷片段中的任務(wù)執(zhí)行的周期為5ms，頻率為200Hz。

這些任務(wù)包括：1）編碼器脈沖的讀取與清除。累積電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和電機(jī)速度，為后面車(chē)模速度控制提供平均數(shù)。2）啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。進(jìn)行20次模擬量采集，然后計(jì)算各通道模擬量的平均值。3）車(chē)模直立控制過(guò)程。包括車(chē)模角度計(jì)算、電機(jī)PWM輸出等。4）車(chē)模速度控制。在這個(gè)時(shí)間片段中，進(jìn)行0-19計(jì)數(shù)，在其中第0片段中，進(jìn)行速度PID調(diào)節(jié)，速度調(diào)節(jié)的周期為100ms。5）車(chē)模方向控制。根據(jù)讀取光電傳感器返回的高低電平信號(hào)，計(jì)算偏差數(shù)值，然后計(jì)算電機(jī)控制電壓數(shù)值。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 加速度傳感器和陀螺儀放置位置的選擇

加速度傳感器和陀螺儀在車(chē)體中的位置對(duì)于直立部分的穩(wěn)定調(diào)試有重要影響。將帶有陀螺儀和加速度計(jì)的電路板固定在整個(gè)車(chē)模質(zhì)心的位置或車(chē)模底部，可以最大程度減少車(chē)模運(yùn)行時(shí)前后振動(dòng)對(duì)于測(cè)量?jī)A角的干擾。此外，由于車(chē)子在調(diào)試過(guò)程中難免出現(xiàn)碰撞和傾倒，從而引起的車(chē)體振動(dòng)易導(dǎo)致傳感器相對(duì)位置的改變，可以用熱熔膠將其固定在車(chē)體上，有效防止由于傳感器位置的改變而引起的參數(shù)不匹配。

4.2 檢測(cè)變送環(huán)節(jié)精確度的校驗(yàn)

利用串口示波器來(lái)捕捉車(chē)模實(shí)時(shí)信息，并且對(duì)加速度傳感器所返回的角度值與陀螺儀所返回的角度值進(jìn)行比較，分析二者的匹配和跟隨狀況。調(diào)整陀螺儀的中心給定值，來(lái)補(bǔ)償角度測(cè)量的誤差。調(diào)試情況如圖。

4.3 PID參數(shù)的整定

將車(chē)子投入閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。遵循先調(diào)直立控制部分，再調(diào)速度控制部分，最后調(diào)方向控制部分的原則。每一個(gè)模塊整定又遵循先調(diào)比例系數(shù)P，再調(diào)積分時(shí)間I，最后調(diào)微分時(shí)間D的順序。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，最后找到一組比較合適的參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了直立循跡小車(chē)系統(tǒng)的控制方案?；诩铀俣葌鞲衅?、陀螺儀以及紅外光電傳感器的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)對(duì)于小車(chē)平衡、速度和轉(zhuǎn)向的控制，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的直立循跡。經(jīng)過(guò)調(diào)試，小車(chē)能夠平穩(wěn)地行駛，達(dá)到預(yù)期的效果。核心MC9S12G128MLL單片機(jī)功能強(qiáng)大、性?xún)r(jià)比高，適合用于該控制系統(tǒng)。

[1]郭一楠, ?？×? 趙峻 等. 過(guò)程控制系統(tǒng)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.2.

[2]李詩(shī)然. 基于直立小車(chē)的軟件設(shè)計(jì)[J]. 北京電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2012, 29(10).

[3]競(jìng)賽秘書(shū)處. 第七屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽電磁組直立行車(chē)參考設(shè)計(jì)方案[M]. 2.0. , 2012:66-67.