獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計

呂 強(qiáng)，王 平，張皓潔

(杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院， 杭州 310018)

·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計

呂 強(qiáng)，王 平，張皓潔

(杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院， 杭州 310018)

獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺是針對“微型機(jī)器人與C51應(yīng)用”實踐類課程開發(fā)的一種嵌入式系統(tǒng)實驗平臺。該平臺由獨(dú)輪車、嵌入式控制系統(tǒng)以及上位機(jī)軟件組成。獨(dú)輪車在靜止?fàn)顟B(tài)下是不能保持平衡狀態(tài)的，它需要通過編寫單片機(jī)程序控制慣性飛輪和行走輪的轉(zhuǎn)動力矩，協(xié)調(diào)獨(dú)輪車的橫滾方向和俯仰方向的姿態(tài)，使得獨(dú)輪車保持平衡狀態(tài)。上位機(jī)軟件通過藍(lán)牙來接收當(dāng)前獨(dú)輪車橫滾角度以及俯仰角度，并設(shè)置嵌入式系統(tǒng)中控制算法的參數(shù)。該平臺有助于學(xué)生深入了解嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計以及程序開發(fā)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

獨(dú)輪車； 自平衡； 控制系統(tǒng)； 嵌入式系統(tǒng)

0 引 言

“微型機(jī)器人與C51應(yīng)用”是面向本科生開辦的一門實踐類課程，用以培養(yǎng)學(xué)生對機(jī)器人相關(guān)知識的興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)后續(xù)的基礎(chǔ)理論課程，服務(wù)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對高素質(zhì)人才的需求[1-2]。為了讓學(xué)生能夠更好地掌握這門課程中的關(guān)鍵知識點(diǎn)，以及鍛煉學(xué)生的動手實踐能力，本文開發(fā)了獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺。作為一種比較特殊的輪式移動機(jī)器人，獨(dú)輪車最顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一個車輪支撐，具有靜態(tài)不穩(wěn)定性，是一種典型的自平衡機(jī)器人。在該平臺上可以開展嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、機(jī)器人學(xué)、控制理論等課程的實踐教學(xué)[3]。

獨(dú)輪自平衡車的發(fā)展可以追溯到1987年，Schoonwinkel[4]開發(fā)了第一款獨(dú)輪自平衡車。Vos等[5]在Schoonwinkel的獨(dú)輪自平衡車的基礎(chǔ)上，設(shè)計了線性二次調(diào)節(jié)器。Sheng等[6]開發(fā)了一種閉環(huán)鏈結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪車。郭磊等[7]設(shè)計了一種采用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡車。Lee等[8]基于反向作用力的原理在該車的左右兩端分別安裝了一臺鼓風(fēng)機(jī)，從而實現(xiàn)橫滾方向平衡。近年來，一種采用慣性飛輪配合行走輪的結(jié)構(gòu)吸引了國內(nèi)外科學(xué)家和工程師的目光，這類獨(dú)輪車主要參考了雜技演員走鋼絲時通過旋轉(zhuǎn)平衡桿保持平衡的原理，設(shè)計了慣性飛輪代表平衡桿，用來保持橫滾方向平衡，行走輪代表雜技演員的運(yùn)動，保持俯仰方向的平衡。這樣獨(dú)輪車體由三部分組成，最上面的慣性飛輪，調(diào)節(jié)橫滾方向平衡；中間車體框架和最下面的行走輪，調(diào)節(jié)俯仰方向平衡。平衡的主要原理是根據(jù)慣性飛輪和行走輪的來回加速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的反向作用力，來補(bǔ)償車體的傾斜，從而保持了車體的平衡[9-10]。

本文開發(fā)了獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺。該實驗平臺由獨(dú)輪車、嵌入式控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件三部分組成。獨(dú)輪車是整個實驗平臺的關(guān)鍵組成部分，它包括車體構(gòu)架、電池、慣性飛輪、行走輪等。嵌入式系統(tǒng)則由控制器、角度傳感器、電源模塊、藍(lán)牙模塊、電動機(jī)驅(qū)動模塊和控制及驅(qū)動程序組成。上位機(jī)軟件可通過藍(lán)牙和嵌入式系統(tǒng)通信，獲取車體在俯仰軸和橫滾軸的轉(zhuǎn)動方向，并可設(shè)置嵌入式系統(tǒng)中控制算法的參數(shù)[11-17]。

1 獨(dú)輪車的機(jī)械結(jié)構(gòu)

獨(dú)輪車俯仰方向是通過行走輪加減速運(yùn)動來保持平衡；獨(dú)輪車橫滾方向上是通過慣性飛輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)平衡控制。所以，獨(dú)輪車最主要的兩個組件就是行走輪與慣性飛輪。獨(dú)輪車的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 獨(dú)輪車的機(jī)械結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，獨(dú)輪車由三部分組成：① 慣性飛輪。慣性飛輪被放置于獨(dú)輪車頂端，并通過電動機(jī)直接驅(qū)動，主要保持獨(dú)輪車的橫滾方向平衡。② 行走輪。行走輪由電動機(jī)通過齒輪驅(qū)動，用于保持獨(dú)輪車俯仰方向的平衡。③ 車體。車體連接慣性飛輪和行走輪，并可安裝嵌入式控制模塊等。需要說明的是，車體主要由亞克力板制作，支架、平臺是由2、3 mm以及5 mm厚度的亞克力材料黏合起來的。

獨(dú)輪車的正視圖和側(cè)視圖分別如圖2和3所示，其輪廓尺寸(長×寬×高)為：103 mm×75 mm×250 mm；慣性飛輪外徑為108 mm，內(nèi)徑為84 mm；行走輪外徑為60 mm，內(nèi)徑為11 mm。

圖2 獨(dú)輪車正視圖圖3 獨(dú)輪車側(cè)視圖

為了使獨(dú)輪車在電動機(jī)力矩控制下，保持平衡狀態(tài)，需要控制獨(dú)輪車每一部分的質(zhì)量。部件的質(zhì)量：輪車254 g，慣性飛輪45 g，電路板54 g，步進(jìn)電動機(jī)24 g，電池12 g。

從圖2、3可以看出，獨(dú)輪車無法保持靜態(tài)平衡，但可以通過行走輪和慣性飛輪的旋轉(zhuǎn)保持獨(dú)輪車的平衡狀態(tài)。

2 實驗平臺設(shè)計

獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成。其中，下位機(jī)由獨(dú)輪車和嵌入式控制系統(tǒng)組成。通過角度傳感器檢測車體的俯仰和橫滾方向的傾斜角度，然后由姿態(tài)處理算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、濾波等處理，并由平衡控制算法計算為保持小車平衡，慣性飛輪和行走輪需要的轉(zhuǎn)動力矩，然后由運(yùn)動控制算法控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動。上位機(jī)則通過藍(lán)牙接收獨(dú)輪車的慣性飛輪和行走輪的角度狀態(tài)，并可以通過上位機(jī)對獨(dú)輪車控制算法參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4給出了獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4 獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1獨(dú)輪車嵌入式系統(tǒng)

獨(dú)輪車的控制電路主要包括控制器、角度傳感器、電源模塊、藍(lán)牙模塊及電動機(jī)驅(qū)動模塊。控制芯片采用了ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F10系列微控制器，角度傳感器是MPU6050，慣性飛輪和行走輪的驅(qū)動電動機(jī)使用了SPG20-1372和SPG20-1308，UCN5804是電動機(jī)驅(qū)動芯片，這些部件的連接關(guān)系如圖5所示。

圖5 硬件設(shè)計框圖

(1) 單片機(jī)最小系統(tǒng)。根據(jù)實驗平臺的設(shè)計要求：控制芯片體積小、功耗低、速度快和容量大。因此，STM32F103RCT6 芯片被確定為控制器，該芯片具有ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，運(yùn)算速度的要求得到保證；此外，該芯片有48KB SRAM、 256KB FLASH，可以滿足存儲容量的要求；并且有8個定時器，片內(nèi)資源豐富。因此，選用該芯片可以滿足獨(dú)輪車運(yùn)算量大、外圍器件多、功能復(fù)雜和實時性強(qiáng)等需求。

(2) 角度傳感器。要保持獨(dú)輪車的平橫狀態(tài)，需要獲得獨(dú)輪車的俯仰和橫滾方向的角度。在該實驗平臺上， InvenSense 公司的MPU6050被確定為角度傳感器。MPU6050由三軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器組成。它通過數(shù)字運(yùn)動處理器DMP，輸出四元數(shù)，再轉(zhuǎn)換為歐拉角，通過I2C將獨(dú)輪車的傾角發(fā)給控制器。

(3) 電源模塊。獨(dú)輪車的電源模塊由兩部組成：① 升壓模塊，用于給12 V的驅(qū)動電機(jī)供電；② 穩(wěn)壓模塊，用于給3.3 V控制器和其他功能部件供電?？紤]獨(dú)輪車的質(zhì)量分布以及供電要求，電源由4節(jié)1.2 V充電電池串聯(lián)而成。

(4) 藍(lán)牙模塊。實驗平臺采用了藍(lán)牙模塊，它的主要功能：① 將獨(dú)輪車橫滾方向和俯仰方向的傾斜角度發(fā)送給上位機(jī)；② 將上位機(jī)設(shè)定的控制器參數(shù)傳送給嵌入式系統(tǒng)。通過藍(lán)牙通信，學(xué)生可以方便地調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)，觀察不同參數(shù)的控制效果，有助于學(xué)生對控制器參數(shù)整定方法的學(xué)習(xí)。

(5) 電動機(jī)驅(qū)動模塊。在獨(dú)輪車中，使用了2個驅(qū)動電動機(jī)，分別驅(qū)動慣性飛輪和行走輪，用來保持獨(dú)輪車的橫滾方向和俯仰方向的平衡。需要說明的是，驅(qū)動電動機(jī)采用的是步進(jìn)電動機(jī)而不是直流電動機(jī)。主要原因是，采用步進(jìn)電動機(jī)可以通過脈沖信號的頻率控制轉(zhuǎn)速，并且可以開環(huán)控制，不用再做復(fù)雜的三閉環(huán)控制，符合實驗平臺的設(shè)計要求。并且步進(jìn)電動機(jī)質(zhì)量輕，體積小，易于安裝。因此，四相步進(jìn)電動機(jī)SPG20-1372、SPG20-1308被選用驅(qū)動慣性飛輪和行走輪。

由于控制器引腳電流太小，不能直接用來驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)，故需要安裝電動機(jī)驅(qū)動芯片。此外，采用電動機(jī)驅(qū)動芯片的另一個好處是，可以隔離電動機(jī)對控制器的沖擊電流，防止控制器損壞。因此，采用UCN5804 作為四相步進(jìn)電動機(jī)SPG20-1372以及SPG20-1308的驅(qū)動器。這類驅(qū)動芯片可以很好進(jìn)行功率放大，并有效保護(hù)控制器。

(6) 控制系統(tǒng)實物。嵌入式控制系統(tǒng)的尺寸為62.5 mm×75 mm，如圖6所示。圖中，具體標(biāo)明了電動機(jī)驅(qū)動芯片、藍(lán)牙模塊、角度傳感器和升壓模塊。

圖6 嵌入式控制系統(tǒng)實物圖

2.2獨(dú)輪車上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件的主要功能包括：① 實時顯示獨(dú)輪車的俯仰和橫滾方向的傾斜角度；② 在線設(shè)定嵌入式系統(tǒng)中控制算法的參數(shù)。獨(dú)輪車實驗系統(tǒng)上位機(jī)軟件，是在.NET Framework 3.0下，采用C#語言編程實現(xiàn)。WPF(Windows Presentation Foundation)是.NET Framework 3.0的一個功能組件，它具有數(shù)據(jù)綁定的特點(diǎn)，可以減少后臺代碼編寫。并且，該組件非常便于UI設(shè)計，能夠做到界面設(shè)計和后臺代碼編寫的分隔。

圖7顯示了本文設(shè)計的上位機(jī)軟件界面。從圖中可以看出，左半部采用了2個圖形界面，用來顯示嵌入式系統(tǒng)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送來的獨(dú)輪車俯仰和橫滾方向的傾斜角度。該圖形界面能夠?qū)崟r顯示獨(dú)輪車的平衡狀態(tài)，便于觀察實驗效果。軟件界面的中間部分顯示PID控制算法中，比例、積分和微分系數(shù)的設(shè)定情況，通過改變PID控制算法的參數(shù)，觀察獨(dú)輪車的平衡狀態(tài)，有利于學(xué)生了解參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，深刻理解PID控制算法的參數(shù)整定方法。軟件界面的右邊部分，包括了串口的設(shè)定，用于上位機(jī)和獨(dú)輪車嵌入式系統(tǒng)的通信。串口設(shè)定主要包括端口號、波特率、數(shù)據(jù)位和停止位，以及打開串口和和關(guān)閉串口功能。由于采用了串口通信，故在數(shù)據(jù)傳輸中，需要將數(shù)據(jù)位組合好后，再進(jìn)行解析，理解數(shù)據(jù)的含義。

圖7 上位機(jī)界面

3 基于PID控制的獨(dú)輪車自平衡實驗

采用2個PID控制算法分別控制慣性飛輪和行走輪的驅(qū)動電動機(jī)，如圖8所示。

圖8 PID控制方框圖

獨(dú)輪車在橫滾方向和俯仰方向的傾斜角度變化曲線如圖9和10所示。需要說明的是，在通電啟動初期，角度傳感器需要陀螺儀傳感器以及加速度計的數(shù)據(jù)來校正，所以在圖9和10開始階段，有一個角度突變的過程，一旦角度傳感器校正完成，開始正常工作， 獨(dú)輪車在橫滾和俯仰方向的角度在平衡狀態(tài)上下變化。此外，還可以看出，橫滾軸上角度的變化相對較小，俯仰軸上角度的變化相對較大。主要的原因是，橫滾方向，系統(tǒng)受到的外界擾動較?。欢┭龇较?，系統(tǒng)受到的外界擾動較大。

在獨(dú)輪車實驗平臺上，主要采用PID控制方法實現(xiàn)獨(dú)輪車的平衡狀態(tài)，學(xué)生可以通過上位機(jī)軟件對PID控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，了解PID控制算法的控制效果。在PID控制算法的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步采用其他控制方法，拓展學(xué)生的視野，調(diào)動學(xué)生對控制方法及機(jī)器人學(xué)的學(xué)習(xí)積極性。

圖9 橫滾軸角度

圖10 俯仰軸角度

4 結(jié) 語

本文針對“微型機(jī)器人與C51應(yīng)用”課程而開發(fā)的獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺具有以下特點(diǎn)：

(1) 實用性。獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺，小巧、輕便、成本低廉、便于攜帶、易于演示。保持獨(dú)輪車平衡性是學(xué)生設(shè)計與開發(fā)的關(guān)注點(diǎn)，因此，獨(dú)輪車的開發(fā)與設(shè)計要求學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法，程序編寫方法，以及簡單控制參數(shù)的設(shè)定。這樣就能夠有效地調(diào)動學(xué)生的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的動手實踐能力，更好地輔助課堂教學(xué)。

(2) 系統(tǒng)性。獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺涉及到了下位機(jī)和上位機(jī)的開發(fā)，使學(xué)生對整個系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計有了一個直觀的印象，了解上位機(jī)和下位機(jī)的基本概念，明確上位機(jī)和下位機(jī)之間通信的方式，為學(xué)生今后的工程實踐打下了堅實的基礎(chǔ)。

(3) 綜合性。獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實驗平臺作為高等院校的實踐平臺，不但可以用于“微型機(jī)器人與C51應(yīng)用”課程，而且可以用于機(jī)器人學(xué)、控制理論、系統(tǒng)辨識、運(yùn)動控制等課程的教學(xué)實踐工作。同時也可作為科研院所的實驗平臺，在該平臺的基礎(chǔ)上，可以展開系統(tǒng)動力學(xué)分析與建模、控制算法驗證、人工智能等方面的研究，為本科生和研究生提供科研創(chuàng)新平臺。

[1] 范 燕,俞 洋,李永義，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索,2016,35(1):80-84.

[2] 余建潮.依托實驗教學(xué)示范中心加強(qiáng)學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(3):117-119.

[3] 王 平.獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的設(shè)計與控制研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué),2016.

[4] Schoonwinkel A.Design and test of a computer stabilized unicycle [D].USA: Stanford University,1987.

[5] Vos D.Dynamics and nonlinear adaptive control of an autonomous unicycle: Theory and experiment [D].USA: Massachusetts Institute of Technology,1991.

[6] Sheng Z,Yamafuji K.Study on the stability and motion control of a unicycle [J].International Journal of Japan Society Mechatronics and Engineering,1995,38(2): 249-259.

[7] Guo L,Liao Q,Wei S.Dynamical modeling of unicycle robot and nonlinear control [J].Journal of System Simulation,2009,21(9): 2730-2729

[8] Lee J,Shin H,Lee S,etal.Novel air blowing control for balancing a unicycle robot [C]//Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.USA: IEEE Press,2010: 2529-2530.

[9] Zhang H,Lu Q,Zhao X,etal.An event-triggered finite-time control scheme for unicycle robots[C]// Proceedings of the 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.USA: IEEE Press,2015: 1037-1042.

[10] Wang P,Lu Q,Zhao X,etal.Finite-time posture control of a unicycle robot[C]//Proceedings of the 34th Chinese Control Conference and SICE Annual Conference.USA: IEEE Press,2015: 1151-1156.

[11] Zhang H,Lu Q,Wang J,etal.A T-S fuzzy control scheme for unicycle robots[C]//Proceedings of the 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.USA: IEEE Press,2016: 1-6.

[12] 王建林,徐青菁,姜子庠.多功能自平衡智能車控制平臺的設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2016,35(4): 71-73.

[13] 徐 冰,印 江,陳俊君.不完全齒輪與曲柄搖桿的無碳小車設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2016,35(2):59-61.

[14] 胡 星,胡 丹,翟穎妮，等.高校創(chuàng)新實驗室創(chuàng)客空間的建設(shè)模式探究[J].實驗室研究與探索,2016,35(7): 266-268.

[15] 梁明亮,趙 成.基于嵌入式技術(shù)的四輪驅(qū)動教育機(jī)器人設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(11): 82-86.

[16] 鄧曉剛.過程控制實驗裝置的機(jī)理建模與虛擬仿真軟件開發(fā)[J].實驗室研究與探索,2015,34(10):99-103.

[17] 徐曉濱,李世寶,孫新亞.ZPW-2000A軌道電路故障診斷實驗平臺[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(5): 63-68.

Design of Self-balance Control System Platform of Unicycles

LüQiang,WANGPing,ZHANGHaojie

(School of Automation,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

An experimental platform of self-balance control systems of unicycles,which is an embedded experimental platform,is developed for the class "Small Robot and Applications of C51".This platform consists of a unicycle,an embedded control system,and an upper software.At normal conditions,a unicycle cannot keep balance without control input; however,it can keep balance by controlling angular moments of flywheel and moving wheel at the roll axis and pitch axis.The upper software is used to receive angle information of flywheel and moving wheel and to set the parameters of control algorithm in embedded systems.The platform is helpful for students to learn the design of embedded systems and programming.Moreover,the platform is also helpful for students to train their engineering ability.

unicycles; self-balance; control systems; embedded systems

2016-10-08

國家自然科學(xué)基金項目(61375104)；杭州電子科技大學(xué)2016年高等教育研究資助項目(YB201661)

呂 強(qiáng)(1977-)，男，遼寧撫順人，副教授，研究方向為信息化教學(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用，多機(jī)器人合作控制。

Tel.：13819139153; E-mail：lvqiang@hdu.edu.cn

TP 242.3

：A

1006-7167(2017)07-0035-04