基于新型慣性傳感器的兩輪自平衡車(chē)的設(shè)計(jì)

王恒+桑元俊

摘 要： 兩輪自平衡車(chē)是檢驗(yàn)各種控制算法的理想平臺(tái)之一。設(shè)計(jì)了兩輪自平衡車(chē)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，車(chē)體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集采用新型加速度傳感器和陀螺儀傳感器組合，型號(hào)分別為ST 公司的LIS331DLH和L3G4200D。姿態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)融合算法采用卡爾曼濾波算法，系統(tǒng)控制算法采用傾角環(huán)，角速度環(huán)與電流環(huán)的PID控制方法。最后，制作了兩輪自平衡車(chē)的原型，并給予了初步運(yùn)動(dòng)控制驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠初步實(shí)現(xiàn)自平衡功能，后續(xù)的研究將著重對(duì)各種控制算法在該平臺(tái)的驗(yàn)證研究。

關(guān)鍵詞： 兩輪自平衡車(chē)； 慣性傳感器； 數(shù)據(jù)融合； 卡爾曼濾波； MSP430F149

中圖分類(lèi)號(hào)： TN876.3?34； TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0049?06

Design of a two?wheeled self?balancing vehicle based on novel inertial sensors

WANG Heng1， SANG Yuanjun2

（1. Jincheng College， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211156， China；

2. School of Mechanical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： The two?wheeled self?balancing vehicle is one of the ideal experimental platforms to test various control algorithms. An experimental platform of the two?wheeled self?balancing vehicle was designed. A novel combination of the acceleration sensor and the gyroscope sensor is used for the vehicle attitude data acquisition. Their models are LIS331DLH and L3G4200D made by ST Company. Kalman filter algorithm is adopted in vehicle attitude detection data fusion. The PID control method of the angle loop， the angular loop and the current loop is adopted as the system control algorithm. A prototype of two?wheeled self?balancing vehicle was manufactured， and its motion control was preliminarily verified. The experimental platform can preliminarily realize the self?balancing function， and future studies will focus on the validation of various control algorithms on the self?balancing vehicle experimental platform.

Keywords： two?wheeled self?balancing vehicle； inertial sensor； data fusion； Kalman filter； MSP430F149

0 引 言

兩輪自平衡車(chē)（two?wheeled self?balanced vehicle）或兩輪自平衡機(jī)器人（two?wheeled self?balanced robot），其系統(tǒng)是一個(gè)高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)[1]，核心問(wèn)題就是如何保證各種工況下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的平衡控制及導(dǎo)航[2]。兩輪自平衡車(chē)作為檢驗(yàn)各種控制理論的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一[3]，目前國(guó)內(nèi)有不少院校都對(duì)兩輪自平衡車(chē)進(jìn)行了研究[1?4]。國(guó)外也有很多對(duì)兩輪自平衡車(chē)的研究，如Slavov等基于線(xiàn)性二次型控制（Linear?Quadratic Regulator，LQR）對(duì)兩輪機(jī)器人進(jìn)行了研究[5]，Kim等建立了兩輪自平衡移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型[6]，Amano等采用魯棒極點(diǎn)配置方法對(duì)兩輪自平衡車(chē)進(jìn)行了穩(wěn)定性控制[7]，Silva等設(shè)計(jì)了一個(gè)PID控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)同軸兩輪移動(dòng)機(jī)器人的控制等[8]。這說(shuō)明作為進(jìn)行各種平衡控制理論研究的第一步，對(duì)兩輪自平衡車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制具有重要的意義。

兩輪自平衡車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)、硬件平臺(tái)及相應(yīng)的軟件平臺(tái)。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)相對(duì)來(lái)說(shuō)大同小異，側(cè)重點(diǎn)在于車(chē)體質(zhì)心是否為定質(zhì)心，本文主要對(duì)定質(zhì)心兩輪自平衡車(chē)進(jìn)行研究。硬件平臺(tái)的研究主要為微控制器和姿態(tài)測(cè)量傳感器的方案選型。軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)則主要為各種控制算法的檢驗(yàn)。國(guó)內(nèi)對(duì)兩輪自平衡車(chē)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要采用的微控制器為以下幾家，如飛思卡爾的MC9S12XS128，宏晶科技的STC12C5A60S2，ST公司的STM32系列，TI公司的MSP430系列，TI的DSP MC56F8013等，而套件式的方式主要為L(zhǎng)EGO Mindstorms NXT處理器套件[9?10]。自平衡車(chē)的車(chē)身姿態(tài)測(cè)量傳感器則主要為飛思卡爾的加速度計(jì)MMA7260配套陀螺儀ENC?03的方案[11?18]。單芯片的姿態(tài)傳感器的解決方案主要為把加速度計(jì)與陀螺儀集成在一起，比如美國(guó)Invensense公司的MPU6050[19?20]，MPU9250[21]。endprint

從上述文獻(xiàn)綜述來(lái)看，兩輪自平衡車(chē)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要為相同或相似的設(shè)計(jì)方案， 即飛思卡爾的MMA7260配套ENC?03的方案，或者集成加速度計(jì)和陀螺儀的單芯片的MPU6050或MPU9250方案。其中的軟件平臺(tái)，前人大部分均未提出，或者僅是簡(jiǎn)單地采集信號(hào)，并未建立完整的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的采集軟件。所以，對(duì)兩輪自平衡車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究，很有必要提出新型的硬件與軟件平臺(tái)方案。

針對(duì)兩輪自平衡車(chē)的姿態(tài)檢測(cè)分析來(lái)看，為了準(zhǔn)確測(cè)量車(chē)體的傾角，加速度計(jì)和陀螺儀是必不可少的，甚至需要外加傾角計(jì)等其他傳感器[22]。加速度計(jì)測(cè)量計(jì)算得到的角度在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)易受到物體運(yùn)動(dòng)影響而變的不準(zhǔn)確，所以，單獨(dú)使用加速度計(jì)是不合適的。單獨(dú)使用陀螺儀，則測(cè)到的角速度容易受到漂移誤差影響，通過(guò)時(shí)間積分的累積后得到的傾角角度的誤差更大，所以，單獨(dú)使用陀螺儀也是不合適的。因此，需要兩者組合使用，并需要控制算法的優(yōu)化來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制性能。在綜合分析前人文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文提出一種新型慣性傳感器組合的方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡車(chē)姿態(tài)測(cè)量與控制，并同時(shí)設(shè)計(jì)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件采集平臺(tái)。該新型慣性傳感器組合的設(shè)計(jì)方案，即車(chē)體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集采用加速度傳感器和陀螺儀傳感器，型號(hào)分別為ST 公司的LIS331DLH和L3G4200D，姿態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)融合算法采用卡爾曼濾波算法。采用的微處理器為T(mén)I 公司16位MSP430F149微處理器。系統(tǒng)控制算法采用傾角環(huán)，角速度環(huán)與電流環(huán)的PID控制方法。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊采用Nordic公司的nRF24L01，傳輸頻率為2.4 GHz。同時(shí)，發(fā)送接收模塊均設(shè)計(jì)了外接大容量存儲(chǔ)Micro SD卡（TF卡）接口，方便把采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。該新型軟件采集平臺(tái)方案為基于Microsoft Visual C# 2010設(shè)計(jì)。本文同時(shí)對(duì)該新型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)總體功能框圖如圖1所示，分為八個(gè)模塊，分別為：電源管理模塊、微處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊與陀螺儀數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、車(chē)載存儲(chǔ)模塊、程序下載模塊。電源管理模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的供電；微處理器模塊為系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)處理核心，姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊為采集車(chē)體的姿態(tài)（包括加速度計(jì)的加速度值和陀螺儀的角速度值），然后通過(guò)微處理器控制算法后，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊運(yùn)動(dòng)以保持車(chē)體平衡；而無(wú)線(xiàn)通信模塊則為通過(guò)上位機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)也可以上傳到電腦上；車(chē)體的加速度計(jì)和陀螺儀采集的數(shù)據(jù)，也可存儲(chǔ)在車(chē)載TF卡上；下載模塊則設(shè)計(jì)在微處理器板上，用作程序代碼下載。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源管理模塊

本系統(tǒng)主要使用的電平為12 V，5 V，3.3 V共三種電平，除了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用12 V和5 V供電外，微處理器模塊等其他模塊均為3.3 V供電。所以，本設(shè)計(jì)總電源使用12 V的鋰電池供電，采用LM2576將鋰電池降壓為5 V，再利用AMS1117_3.3把得到的5 V電平降為3.3 V。為了防止姿態(tài)傳感器受到干擾，采用2片AMS1117_3.3分別得到模擬3.3 V和數(shù)字3.3 V來(lái)供電，模擬地和數(shù)字地采用0 [Ω]電阻連接。本電路部分比較簡(jiǎn)單，所以未單獨(dú)列出。如有需求，電源模塊可增加微風(fēng)扇或者散熱銅管。

2.2 MSP430F149微處理器模塊

采用TI公司的16位MCU MSP430F149， 該微處理器為16 b RISC架構(gòu)， 具有60 KB+256 B FLASH Memory，2 KB RAM，125 ns指令周期時(shí)間。該芯片在工作狀態(tài)功耗為0.28 mA，Standby Mode功耗為1.6 μA。其最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為兩個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)（電機(jī)A為左側(cè)電機(jī)，電機(jī)B為右側(cè)電機(jī)）。采用L298N芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主芯片，車(chē)體的不同狀態(tài)運(yùn)動(dòng)通過(guò)電機(jī)的三種轉(zhuǎn)動(dòng)方式（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止）實(shí)現(xiàn)，具體如表1所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊單獨(dú)制作在一片PCB上，信號(hào)、電平等與微控制器模塊的PCB可通過(guò)插線(xiàn)連接，目的是盡可能減小電機(jī)對(duì)主板的干擾。

2.4 加速度傳感器模塊

加速度計(jì)模塊如圖4所示。

加速度傳感器采用ST公司的LIS331DLH，該線(xiàn)性加速度傳感器芯片可選模式為±2 g/±4 g/±8 g，輸出速率從0.5 Hz～1 kHz都可選。該芯片封裝為L(zhǎng)GA 16，尺寸為3 mm×3 mm×1 mm。該芯片以6D方位檢測(cè)，16位數(shù)字輸出，工作電流為0.25[mA]，功耗低至10 [μA]?？紤]到空間布局有限，設(shè)計(jì)采用I2C 工作模式，地址為0011000B，并具有3D中斷功能。

2.5 陀螺儀傳感器模塊

陀螺儀傳感器模塊如圖5所示。系統(tǒng)采用的陀螺儀傳感器為L(zhǎng)3G4200D，具有16位比特率值三軸數(shù)字輸出，三種可選全尺度模式（250/500/2 000 dps），本設(shè)計(jì)采用2 000 dps。該芯片為L(zhǎng)GA 16封裝，尺寸為4 mm×4 mm×1 mm。設(shè)計(jì)兼容了I2C模式和SPI模式，具體應(yīng)用采用I2C模式，當(dāng)SDO為低電平時(shí)，地址為1101000B，當(dāng)SDO為高電平時(shí)，地址為1101001B。

2.6 nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)模塊可以實(shí)現(xiàn)自平衡車(chē)和上位PC機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)和控制功能，接口兼容433 MHz和2.4 GHz的通信頻率。尤其是當(dāng)2.4 GHz通信時(shí)，天線(xiàn)可以做成PCB板載天線(xiàn)，不需要外接短柱狀天線(xiàn)，節(jié)省空間。通信模塊的芯片為Nordic公司的nRF24L01芯片，在2.4 GHz工作時(shí)，最高工作速率2 Mb/s，

具有高效GFSK調(diào)制。該模塊接口電路如

圖6所示。

2.7 TF卡存儲(chǔ)模塊

圖7所示為T(mén)F卡存儲(chǔ)模塊接口電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了外接大容量存儲(chǔ)Micro SD卡（TF卡）接口，方便地把采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，具有自彈出功能，帶插拔偵測(cè)功能，設(shè)計(jì)最大儲(chǔ)存擴(kuò)展為32 GB。

2.8 BSL下載模塊

圖8為控制系統(tǒng)的程序下載模塊。系統(tǒng)采用BSL下載模式，同時(shí)，接口電路可以兼容JTAG下載模式。采用BSL下載時(shí)，需要用MSP430F149的P2.2，P1.1端口實(shí)現(xiàn)Tx，Rx 信號(hào)連接。BSL所需信號(hào)線(xiàn)為RST，TCK，P1.1，P2.2。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制流程圖如圖9所示，主要包括：MSP430F149的初始化，采集加速度計(jì)的三軸方向加速度，同時(shí)采集陀螺儀的角速度，兩路數(shù)據(jù)信號(hào)送入MSP430F149后經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波融合設(shè)計(jì)，得到傾角值，通過(guò)PID控制后，PWM控制信號(hào)輸出控制左、右電機(jī)。系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Keil μVision4。

自平衡車(chē)的控制算法框圖如圖10所示，系統(tǒng)包括傾角反饋控制環(huán)、角速度反饋控制環(huán)與電流反饋控制環(huán)。加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)濾波融合算法為卡爾曼濾波算法，傾角控制器、角速度控制器、電流控制器均采用PID控制算法。

基于Microsoft Visual C# 2010設(shè)計(jì)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的上位PC機(jī)數(shù)據(jù)采集界面，如圖11所示。采集到濾波后的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)為Excel格式或者txt格式，然后可以繪出動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖。考慮到傳輸速率的原因，上位機(jī)沒(méi)有接收原始的加速度計(jì)或陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)，而是將這些未經(jīng)過(guò)濾波處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在車(chē)身TF卡上，后續(xù)提取出來(lái)進(jìn)行濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 自平衡車(chē)原型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)車(chē)體驅(qū)動(dòng)部分采用兩個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)控制，選擇飛思卡爾競(jìng)賽使用的C型車(chē)模進(jìn)行改裝得到車(chē)體機(jī)械結(jié)構(gòu)，底盤(pán)使用一塊面包板來(lái)代替，板子和支架部分固定在一起。車(chē)體的姿態(tài)測(cè)量模塊（加速度計(jì)和陀螺儀模塊）、電機(jī)控制模塊L298、鋰電池模塊、降壓模塊、MSP430F149微處理器模塊、nRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊等都安裝在面包板上面。完整車(chē)體如圖12所示。

兩輪自平衡車(chē)的啟動(dòng)、勻速前行與停止控制結(jié)果如圖13所示。

圖13（a）為自平衡車(chē)的速度變化圖，圖13（b）為車(chē)體的傾角變化圖。從圖中可以看到，自平衡車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)可分為三部分，第一部分為啟動(dòng)加速，第二部分為勻速前行，第三部分為停止減速過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)行地面平整，摩擦系數(shù)恒定，摩擦系數(shù)約為0.45。在啟動(dòng)狀態(tài)，車(chē)體為直立狀態(tài)，此時(shí)傾角為0°，先緩慢前行（5～10 s區(qū)間）。緩慢啟動(dòng)后，車(chē)體往前傾斜，傾角加大，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速運(yùn)行以恢復(fù)車(chē)體傾角為0°（10～15 s區(qū)間）。第二部分為勻速前行狀態(tài)（15～22 s區(qū)間），車(chē)體可以保持恒定車(chē)速，此時(shí)傾角已經(jīng)恢復(fù)且保持為0°。第三部分為停止減速過(guò)程（22～25 s區(qū)間），此時(shí)車(chē)體傾角變大，但是為負(fù)值，即車(chē)體往后傾斜（與前進(jìn)方向相反），此時(shí)速度快速減低為0，車(chē)體恢復(fù)為0°且停止運(yùn)行。該兩輪自平衡車(chē)系統(tǒng)從受到擾動(dòng)（車(chē)身傾角發(fā)生改變）到恢復(fù)平衡狀態(tài)（車(chē)身傾角為0°）的時(shí)間約為5 s，同時(shí)車(chē)體達(dá)到平衡時(shí)沒(méi)有較大的波動(dòng)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的自平衡功能。

5 討 論

本文研究目的就是希望提出一種新型的傳感器組合方案，并設(shè)計(jì)自有的數(shù)據(jù)采集處理軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡車(chē)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)。采用新型的慣性傳感器組合，即車(chē)體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集采用ST公司的LIS331DLH加速度傳感器和L3G4200D陀螺儀傳感器，該傳感器組合與前人傳感器平臺(tái)價(jià)格相當(dāng)，且采集精度、穩(wěn)定性等優(yōu)于前人傳感器平臺(tái)。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的姿態(tài)檢測(cè)平臺(tái)與上位機(jī)采集軟件平臺(tái)，從系統(tǒng)功能上來(lái)說(shuō)并不是性能最優(yōu)，同樣存在一定的不足。比如微處理器MSP430F149性能較低，在單位時(shí)間內(nèi)處理少量數(shù)據(jù)的時(shí)候，運(yùn)行速度還是能接受的。但是，該微處理器并不適合多個(gè)傳感器或復(fù)雜控制算法的應(yīng)用場(chǎng)合，后續(xù)的研究可以直接更換為更高性能的微處理器，比如高性能的DSP處理器或者Cortex?M系列內(nèi)核的處理器等，本設(shè)計(jì)預(yù)留了平臺(tái)更新所需的接口。本文提出的方案中陀螺儀和加速度計(jì)傳感器均為一個(gè)，后續(xù)的研究將采用多個(gè)陀螺儀、加速度計(jì)、傾角計(jì)等多傳感器融合設(shè)計(jì)，這樣，系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)采集才可能更加精確。總之，兩輪自平衡車(chē)的控制方案設(shè)計(jì)不是惟一不變的，且性能上可能存在差異性。雖然這些控制平臺(tái)的差異性未見(jiàn)前人作對(duì)比研究，但是，本文認(rèn)為，采用高性能的微處理器，以及抗干擾性能優(yōu)秀的姿態(tài)采集傳感器，可以使得系統(tǒng)的控制算法大大簡(jiǎn)化，若采用更精確的控制算法和濾波算法，則整個(gè)兩輪自平衡車(chē)的控制性能將達(dá)到更優(yōu)。本文所提出的兩輪自平衡車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，希望能作為兩輪自平衡車(chē)控制平臺(tái)的一個(gè)新的選擇。

6 結(jié) 論

兩輪自平衡車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可作為較為理想的驗(yàn)證各種控制理論的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一。本文對(duì)兩輪自平衡車(chē)提出了一種新型慣性傳感器的方案設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)。該系統(tǒng)能夠初步實(shí)現(xiàn)自平衡車(chē)的運(yùn)動(dòng)平衡控制。本文所提出的系統(tǒng)方案可作為兩輪自平衡車(chē)控制平臺(tái)的一個(gè)新的選擇。后期的研究將著重從理論控制算法的仿真，與參數(shù)融合優(yōu)化方面進(jìn)行研究。

注：本文通訊作者為桑元俊。

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