雙輪智能自平衡車的設(shè)計(jì)

王兆宇+趙明明+張宏川+黃怡寧

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款人可以搭乘的自平衡車，本文利用飛思卡爾公司的一款基于ARM內(nèi)核的芯片MK60FN1M0VLQ15，平衡車的傳感器采用的是加速度計(jì)MMA7361與陀螺儀ENC03MB組合而成的傳感器模塊，其能直接輸出穩(wěn)定的合成角度信號(hào)，并且利用光碼盤做速度檢測(cè)。同時(shí)增加了一款黑白攝像頭，用于環(huán)境的拍攝。

本文完成了硬件的搭建，完成了軟件設(shè)計(jì)。對(duì)傳感器信號(hào)做了平滑處理，同時(shí)使用卡爾曼濾波處理后使其所得信號(hào)更加接近真實(shí)，保證了平衡車的站立。

關(guān)鍵詞：自平衡車；加速度計(jì)；陀螺儀

自平衡車屬于倒立擺的一種形式，它是結(jié)合動(dòng)力學(xué)和自動(dòng)控制理論而成的項(xiàng)目，對(duì)它的研究，也推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。在本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)中，如最優(yōu)控制、比例積分微分控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制都將得到實(shí)踐驗(yàn)證?？偟膩碚f，由于自平衡車車的平衡性是一個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，引起了極大的研究興趣，并讓全世界的科學(xué)家聚焦于此。

1 兩輪自平衡車的電路硬件設(shè)計(jì)

1.1兩輪自平衡車硬件電路總體設(shè)計(jì)

硬件電路主要由電源穩(wěn)壓模塊、控制芯片、陀螺儀和加速度傳感器模塊、攝像頭模塊，液晶屏模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，串口通信模塊，測(cè)速模塊等組成，如圖1.1所示。采用飛思卡爾的32位微控制器MK60FN1M0VLQ15作主控芯片，工作標(biāo)準(zhǔn)頻率150MHZ。微控制器通過ENC03和MMA7361采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的算法運(yùn)算，從而得到對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的較為精確的控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用用MOSFET管搭成的內(nèi)阻很小的H橋電路。

1.2主要硬件選擇

陀螺儀與加速度計(jì)部分：加速度傳感器選用飛思卡爾公司的MMA7361芯片，加速度傳感器可以測(cè)量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度。MMA7361選用了半導(dǎo)體表面微機(jī)械加工和集成電路技術(shù)，傳感器體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)尤為突出。

測(cè)速模塊：測(cè)速模塊采用帶有相位差的光點(diǎn)碼盤，其可以利用FTM模塊測(cè)出正反轉(zhuǎn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分：在本平衡車系統(tǒng)中，由簡單驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)加4個(gè)大功率MOSFET搭建而成，采用了10M高速光耦對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了隔離，有效地防止驅(qū)動(dòng)板干擾信號(hào)對(duì)控制板的干擾，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，且本驅(qū)動(dòng)采用高品質(zhì)全新原裝功率管，因此，最高額定電流可達(dá)100A。

2 兩輪自平衡車的控制程序算法介紹

本次開發(fā)使用IAR作為主要的開發(fā)工具，當(dāng)核心控制開始執(zhí)行程序時(shí)，先從主程序執(zhí)行，并執(zhí)行相關(guān)初始化程序，利用實(shí)時(shí)中斷來實(shí)現(xiàn)平衡程序的運(yùn)算并實(shí)現(xiàn)直立。

對(duì)于單獨(dú)的初步直立，我們選用陀螺儀和加速度計(jì)來實(shí)現(xiàn)，具體參考圖2.2，本設(shè)計(jì)采用MMA7361和ENC03通過角度互補(bǔ)融合方式獲取平衡車的傾角和角速度，通過兩個(gè)控制參數(shù)加權(quán)后，控制電機(jī)平均電壓，使得平衡車產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，從而保持車模的直立。在傾腳的作用下，平衡車會(huì)朝著一個(gè)方面加速前進(jìn)。在平衡車的角度控制模型的中產(chǎn)生角度偏差，使車子的這個(gè)方向傾斜加速。這個(gè)結(jié)果可以用來進(jìn)行平衡控制。

為了更加的穩(wěn)定平衡，我們采用雙閉環(huán)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。在初步直立的基礎(chǔ)上增加速度環(huán)控制機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的控制。

3 兩輪自平衡車的綜合調(diào)試與總結(jié)

3.1調(diào)試工具介紹

在本次的調(diào)試中，使用J-Link硬件仿真器實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)仿真調(diào)試。為了調(diào)試的效果明顯，而且省去使用示波器的些許不變，本次使用虛擬示波器是觀察數(shù)據(jù)變化的曲線狀態(tài)。在設(shè)計(jì)的過程中，軟件的調(diào)試是至關(guān)重要的。對(duì)于本次的設(shè)計(jì)主要是使用IAR編程環(huán)境，選用本編程環(huán)境主要的原因之一是它支持J-Link在線調(diào)試，并可以在線讀取硬件狀態(tài)，及程序中各變量的動(dòng)態(tài)值。

3.2具體調(diào)試思想

本設(shè)計(jì)選用PID調(diào)節(jié)方式，要進(jìn)行相對(duì)較多的調(diào)試和調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)詳細(xì)步驟如下：

首先要實(shí)現(xiàn)初步的直立，需要調(diào)節(jié)陀螺儀和加速度計(jì)并對(duì)其相應(yīng)的算法參數(shù)進(jìn)行整定。先整定P參數(shù)，然后整定I參數(shù)，最后整定D參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)平衡車較長時(shí)間的平衡并穩(wěn)定運(yùn)行，我們?cè)诖思铀偎俣日{(diào)節(jié)，采用PI調(diào)節(jié)，先整定P參數(shù)，然后整定I參數(shù)，使平衡車完全的平衡穩(wěn)定。反復(fù)整定各項(xiàng)參數(shù)，使其參數(shù)達(dá)到最佳的控制方案。

4 結(jié)論

本論文主要完成了硬件搭建，軟件編寫，信號(hào)濾波，控制程序的修改等。在調(diào)試方面使用J-Link可以正常觀察硬件狀態(tài)并進(jìn)行調(diào)試。軟件部分主要是對(duì)傳感器信號(hào)的躁動(dòng)做簡單的平滑處理，以及參考清華大學(xué)老師對(duì)于平衡原理講解，完成主要的控制程序。同時(shí)增加了一款黑白攝像頭進(jìn)行周圍環(huán)境的拍攝。

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