雙輪自平衡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計

張婷婷

摘?要：雙輪自平衡小車具有高適應(yīng)性、高靈活性、小面積、低功耗、長續(xù)航等優(yōu)點，完全符合未來智能技術(shù)的前景方向，可推廣于承載、運輸、代步等眾多民用、軍用場合，有很大的發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬?，具有十分重要的研究意義。為了實現(xiàn)平衡穩(wěn)定性能的表現(xiàn)和速度的提升，本文以雙輪小車為主要研究對象，通過對控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，實現(xiàn)硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計，采集各種道路、傾角及速度數(shù)據(jù)，并利用單片機對有效信息進行融合，從而針對不同的工作環(huán)境，對雙輪小車的驅(qū)動電機分別進行有效的控制，使其實現(xiàn)穩(wěn)定、適應(yīng)性強的雙輪小車自平衡行駛。

關(guān)鍵詞：平衡控制;多信息融合;車身穩(wěn)定

1 引言

隨著社會的發(fā)展和工作環(huán)境的復(fù)雜要求，人們對于可移動機器人的需求也越來越高，特別是在一些狹小或特定環(huán)境下的工作，需要可以實現(xiàn)靈活可變的移動軌跡，比如在原地零半徑回轉(zhuǎn)或者任意半徑的轉(zhuǎn)向。雙輪平衡小車是實現(xiàn)這類要求的一個重要載體，可以通過控制系統(tǒng)的運動控制，讓小車在完美融合環(huán)境約束條件下進行無人干預(yù)的自平穩(wěn)運行，同時可以抵抗干擾，迅速調(diào)整恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)[1]。然而控制系統(tǒng)也有各種各樣的設(shè)計方案，不同的設(shè)計方案搭配合適的控制算法會產(chǎn)生出不一樣的控制效果，最直觀的是平衡穩(wěn)定性能的表現(xiàn)和速度的提升，本文就控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行以下研究。

2 總體設(shè)計

雙輪自平衡小車是一個多反饋系統(tǒng)，通過對機械、硬件、軟件等三方面的不斷探索，本文確定了如圖1所示的系統(tǒng)總框圖。系統(tǒng)總方案以主控模塊、道路采集模塊、姿態(tài)采集模塊、速度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、電源管理模塊、調(diào)試模塊等七大模塊組成，從信號采集。

2.1 主控芯片

系統(tǒng)采用性價比高的32位MK66FN2M0VLQ18為主控芯片（以下簡稱K66），K66有GPIO、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、PIT定時器、外部中斷、PWM等外設(shè)，內(nèi)含六個UART模塊， 三個SPI模塊， 四個I2C模塊與一個I2S模塊，有足夠的處理能力，可完成對各傳感器采集信息的運算處理，以驅(qū)動電機模塊。

2.2 信號采集系統(tǒng)

道路信息采集模塊依靠的是車體前瞻上的MT9V034數(shù)字攝像頭模塊，通過二值化處理將采集的信號傳送給K66單片機的AD檢測引腳，單片機通過攝像頭來判斷道路信息和小車所在位置，并在遇到路障、彎道、顛簸、上坡、下坡、人行道標志等復(fù)雜路況時加以區(qū)別信號。

姿態(tài)采集模塊主要是對雙輪小車的車身姿態(tài)及傾角進行采集，包括兩個方面，通過陀螺儀和加速度計分別進行信號采集，將陀螺儀積分出來的角度與加速度計換算出來的角度數(shù)據(jù)經(jīng)過融合得到準確的角度。

速度檢測模塊主要是對小車行走和轉(zhuǎn)向差速檢測，采用的是512線mini編碼器，可以通過分別對左右兩輪輪速的檢測，反饋給單片機進行對比，通過運算處理后以輸出PWM控制電機驅(qū)動。

2.3 電機驅(qū)動模塊

本車使用的是RS380直流電機，分別帶動左右輪轉(zhuǎn)動。電機驅(qū)動模塊是通過搭建H橋電路，采用BJT基極驅(qū)動，實現(xiàn)對左、右輪的直流電機進行PWM控制，根據(jù)單片機運算處理輸出信號以及時控制車輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差。

2.4 電源管理模塊

平衡小車的供電電源為7.2V2000mAh的直流電池，但因本控制系統(tǒng)的各個模塊需要的電壓各不相等，故電源管理模塊通過若干相互獨立的穩(wěn)壓電源電路組成，為各個模塊提供對應(yīng)合適的電源，并有利于減少模塊間的互相干擾。具體來說，需要提供5V的穩(wěn)定電壓給編碼器、陀螺儀、隔離電路等，需要提供3.3V的直流穩(wěn)定電壓給K66、調(diào)試模塊等，另外還要利用升壓電路輸出12V直流電壓供給電機驅(qū)動模塊。

3 控制策略設(shè)計

本車控制系統(tǒng)從各個模塊初始化開始進入主函數(shù)的while循環(huán)，在循環(huán)中利用K66的DMA獲取攝像頭圖像信息，并利用MPU6050中斷，為主程序提供50ms的精確定時，通過獲取加速度計及陀螺儀角度，獲取電池電壓，獲取編碼器測速，讀距離值以判斷當前狀態(tài)，若當前狀態(tài)不平衡，通過串級PID控制計算PWM值，設(shè)置PWM及電機轉(zhuǎn)動方向控制。

3.1 平衡控制

雙輪平衡小車的控制核心思想是當姿態(tài)檢測系統(tǒng)檢測到車身產(chǎn)生傾斜時，控制系統(tǒng)能根據(jù)測得的傾角產(chǎn)生一個相應(yīng)的力矩，通過控制電機驅(qū)動車輪向車身要倒下的方向運動至合適距離，以保持車身的動態(tài)平衡[2]。如圖2所示。

3.2 串級控制

為保證車模的平衡控制，本車采用直立環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán)、速度環(huán)三環(huán)串級控制。如圖3所示。

本文將直立、方向、速度三方面控制算法進行串級控制，其中速度環(huán)PI控制作為最外環(huán)，且做為轉(zhuǎn)向環(huán)PD控制器中間環(huán)的輸入，直立環(huán)PD控制作為最內(nèi)環(huán)。在串級控制中，速度還的輸出不再是PWM變化值，而是輸出小車的直立傾角變化值[3]。

在進行調(diào)試時，可從最內(nèi)環(huán)直立環(huán)開始，將直立環(huán)和速度環(huán)PID均置為零，慢慢增加角速度P，直到用手作用小車時，小車有反作用力，這就是平衡力，然后稍加D參數(shù)，再調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向環(huán)P參數(shù)直到小車可以自主直立，再稍加D參數(shù)去除多余的車模抖動。

4 結(jié)論

本文針對雙輪自平衡小車設(shè)計的控制系統(tǒng)進行研究，從傳感器的選用和信息融合入手，研究改進了一些控制策略。提出三環(huán)串級控制的思想，并進行調(diào)試，該控制策略較傳統(tǒng)控制思想略優(yōu)，大大提高了車模高速穩(wěn)定性能。

參考文獻

[1]?嚴冬.基于PID控制算法的自主平衡小車的設(shè)計[J].科技視界，2018（33）：14-15.

[2]?陶言侃. 雙輪自平衡機器人設(shè)計及軌跡跟蹤控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.

[3]?黃強，唐杰，林立，王源明，朱群峰.雙閉環(huán)PID控制的兩輪平衡小車設(shè)計與實現(xiàn)[J].邵陽學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，17（03）：35-39.

基金項目：滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級重點科研課題《基于多信息融合的雙輪自平衡小車控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用》（項目編號：2017YJZ-2017-04）;

安徽省省級質(zhì)量工程汽車檢測與維修技術(shù)教學(xué)團隊（項目編號：2018jxtd089）。