直立智能小車(chē)行駛控制系統(tǒng)研究

張翠翠

摘 要：本文采用ARMK60芯片作為系統(tǒng)的主控芯片，同時(shí)提出了一款直立智能小車(chē)的方案設(shè)計(jì)。該方案設(shè)計(jì)理念是采用ENC03MB型和MMA7260型傳感器構(gòu)成的檢測(cè)小車(chē)姿態(tài)的裝置，ENC03MB是一種角速度傳感器陀螺儀，MMA7260是加速度傳感器。該方案設(shè)計(jì)制作完成后，系統(tǒng)中的各個(gè)模塊都可以相互統(tǒng)一，相互協(xié)調(diào)，并實(shí)現(xiàn)小車(chē)正常行駛。在無(wú)人干預(yù)的情況下，直立智能小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)自立平衡。與此同時(shí)，當(dāng)遇到外界一些干擾時(shí)，直立小車(chē)也能夠自立調(diào)整并且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：直立智能小車(chē)；陀螺儀；姿態(tài)檢測(cè)；卡爾曼濾波；數(shù)據(jù)融合

當(dāng)前車(chē)輛已不再單單是代步工具，它已是融合了多種學(xué)科理論和技術(shù)的機(jī)電一體化技術(shù)。它涉及各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。智能車(chē)輛在工作過(guò)程中可以克服工作區(qū)域狹窄、路面不平、工作環(huán)境復(fù)雜惡劣等造成的影響，可以使車(chē)輛適應(yīng)特定的環(huán)境，靈活快捷的在惡劣復(fù)雜環(huán)境里工作。作為當(dāng)前最主要研究課題，直立智能小車(chē)將引領(lǐng)未來(lái)新時(shí)代新科技。

1 直立智能小車(chē)優(yōu)勢(shì)

因?yàn)橹绷⒅悄苄≤?chē)的車(chē)身重心位于車(chē)輪軸上方且兩輪共軸，可以相互獨(dú)立驅(qū)動(dòng)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以它對(duì)于地形變化有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持平衡，有良好的運(yùn)動(dòng)性能，從而實(shí)現(xiàn)直立運(yùn)動(dòng)，能夠在比較復(fù)雜的環(huán)境里工作。具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)多輪汽車(chē)布局有很多弊端，直立智能小車(chē)彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)任意半徑轉(zhuǎn)向和原地回轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)軌跡的靈活轉(zhuǎn)變；（2）具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，能夠在場(chǎng)地面積很小或者要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合上使用；（3）車(chē)的結(jié)構(gòu)上有很大的簡(jiǎn)化，可以把車(chē)做的更輕更?。唬?）有著較小的驅(qū)動(dòng)功率，能夠讓電池長(zhǎng)時(shí)間供電；（5） 智能小車(chē)可以保持平衡，源于它是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。它會(huì)不停的變化在平衡點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)；（6） 兩輪智能直立小車(chē)的重心高度對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)和程序設(shè)計(jì)的限制小。

2 擬解決的主要技術(shù)問(wèn)題

技術(shù)關(guān)鍵：（1） 測(cè)量小車(chē)的姿態(tài)、速度等；（2） 使用處理芯片對(duì)姿態(tài)信息進(jìn)行處理；（3） 使用控制芯片，用模糊控制方法控制小車(chē)。主要技術(shù)指標(biāo)：在一定角度內(nèi)實(shí)現(xiàn)平衡，受外界一定干擾能自主恢復(fù)平衡等。

3 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定如下方案：

使用MK60DN512VLL10單片機(jī)，ENC03MB和MMA7260為主要的控制通信器件，加裝一些電源模塊、電源驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)直立智能小車(chē)的平衡控制行駛。直立智能小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀況是由單片機(jī)控制的，單片機(jī)通過(guò)所檢測(cè)的各種信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)直立小車(chē)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，達(dá)到靈活，可靠，精度高。

具體模塊由單片機(jī)主控模塊、電源模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊共同組成，實(shí)現(xiàn)直立智能小車(chē)系統(tǒng)。

3.1 主控板模塊

根據(jù)此設(shè)計(jì)特點(diǎn)要求，不能采用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)，D/A，A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析，我選定了MK60DN512VLL10單片機(jī)作為控制器，單片機(jī)ARMK60系列的I/O口均可按位尋址，有強(qiáng)大的位操作指令，價(jià)格低廉，更可貴的是程序空間也大，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)非常合適。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

我選用了BTS7970大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

BTS7970具有以下特點(diǎn)：

（1）具有信號(hào)指示和電源指示；（2）轉(zhuǎn)速可調(diào)；（3）抗干擾能力強(qiáng)輸入全光電隔離；（4）內(nèi)部具有續(xù)流保護(hù)；（5）可單獨(dú)控制一臺(tái)直流電機(jī)；（6）PWM脈寬平滑調(diào)速（可使用PWM信號(hào)對(duì)直流電機(jī)調(diào)速）；（7）可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；（8）此驅(qū)動(dòng)器非常適合控制智能小車(chē)，驅(qū)動(dòng)器壓降小，電流大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。

3.3 傳感器模塊

小車(chē)姿態(tài)檢測(cè)裝置采用了ENC03MB式角速度傳感器陀螺儀和MMA7260的加速度傳感器。

3.3.1 角速度傳感器陀螺儀

ENC03MB將輸出一個(gè)模擬電壓信號(hào)，它與角速度成正比，是根據(jù)科氏力原理設(shè)計(jì)。

ENC03MB具有以下特點(diǎn)：

（1）體積和重量特別??；（2）響應(yīng)快；（3）驅(qū)動(dòng)電壓和功耗低。

3.3.2 加速度傳感器

加速度傳感器是對(duì)物體由于運(yùn)動(dòng)或地球引力而產(chǎn)生的加速度進(jìn)行測(cè)量的。對(duì)于MMA7260這款加速度傳感器來(lái)說(shuō)，它是一款三軸低g半導(dǎo)體加速度計(jì)，可以向三個(gè)方向輸出模擬信號(hào)，它的各軸信號(hào)輸出靈敏度高達(dá)800mV/g，可以通過(guò)設(shè)置完成。該信號(hào)可進(jìn)行AD直接轉(zhuǎn)換，被直接送到單片機(jī)中，并不需要再放大，只需測(cè)量其中一個(gè)方向上加速度值就可以計(jì)算傾角。例如：Z軸方向的信號(hào)。當(dāng)汽車(chē)傾斜時(shí)，Z軸方向會(huì)形成由于重力加速度g產(chǎn)生的加速度分量，從而產(chǎn)生輸出電壓的變化。因?yàn)樵谲?chē)直立時(shí)，Z軸水平方向沒(méi)有加速度，輸出是0偏電壓信號(hào)。

3.4 卡爾曼算法的初值計(jì)算方法及實(shí)際應(yīng)用

卡爾曼濾波是一種通過(guò)處理誤差數(shù)據(jù)而獲得所需要參數(shù)的一種估算算法。同理，預(yù)報(bào)值的最佳估計(jì)值也可以通過(guò)這一基本思想而獲得。只需要處理帶有誤差的預(yù)報(bào)值就可以。它的最大優(yōu)勢(shì)：可以通過(guò)一系列包含噪聲的不完全測(cè)量中，估計(jì)出動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，也被稱(chēng)為遞歸濾波器。

3.5 雙輪自平衡小車(chē)的PID控制

直立智能小車(chē)的核心問(wèn)題是平衡控制問(wèn)題和運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。直立智能小車(chē)需要始終保持車(chē)身直立。PID控制算法是應(yīng)用最為普遍的一種算法，其特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，應(yīng)用有效及具備了許多成熟的穩(wěn)定性分析的方法，有很高的可靠性。針對(duì)直立智能小車(chē)的非線性和不穩(wěn)定性，利用非線性PD控制算法和PID差動(dòng)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平衡控制和運(yùn)動(dòng)控制。

5 結(jié)語(yǔ)

直立智能小車(chē)是一種綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，它不但解決自平衡，還能夠適應(yīng)各種環(huán)境下的控制任務(wù)。集環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行，動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃為一體的系統(tǒng)。通過(guò)運(yùn)用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平衡自主前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程.電子工業(yè)出版社，2011.

[2]王元峰.戴旭輝.Altium Designer 10電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)教程.科學(xué)出版社，2012.