基于線性CCD雙輪平衡車系統的設計

劉德強

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林 132001）

基于線性CCD雙輪平衡車系統的設計

劉德強

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林 132001）

該控制系統采用飛思卡爾MC9SXS128單片機作為控制核心，利用128*1線性CCD進行道路信息采集；采用卡爾曼濾波算法進行陀螺儀和加速度計信息融合，計算出車模的角度和角速度，調整車模保持平衡。整個系統由道路信息采集系統、直立控制系統和速度控制系統三個閉環組成，實現車模直立、加速、減速、過路障和過橋等各種復雜動作。上位機監測系統接受無線模塊上傳的數據信息，經過處理、分析，使車模能夠快速、準確、穩定地跟蹤引導線。

線性CCD；卡爾曼濾波；平衡車；自動控制

近年來，隨著自動控制技術的發展，代替步行的智能化的兩輪平衡車受到了廣泛的關注。兩輪自平衡小車是一個高度不穩定兩輪機器人,是一種多變量、非線性、絕對不穩定的系統,是檢驗各種控制能力的典型裝置，對于傳感器技術和智能控制技術提出了更高的要求。

基于控制系統對于響應速度和精度的要求，MMA7260加速度傳感器和NEC_03陀螺儀經由卡爾曼數字濾波后得到車模實時、準確的信息。控制核心CPU倍頻至64MHZ，強勁的運算速度處理數據，以滿足系統的需求。

1 控制系統

（1）系統設計原理。本系統以兩輪雙電機車模為研究對象，該系統包括四部分：平衡系統，CCD視覺導航系統、控制決策系統、動力系統。其中平衡是重點。兩輪車平衡原理，即依照倒立擺的原理使其達到動態平衡的狀態。車模有兩個輪子著地，當車體在垂直靜止的情況下，車模可以維持短暫的平衡狀態。當車體發生傾斜時，為了使車模保持平衡狀態，車體需要給車輪施加與車體傾斜方向相同且適當的外力。因為外力過大、過小都不能維持車體平衡。

（2）系統組成與概述。系統以MC9SXS128單片機為控制核心；道路信息采集模塊、角度及角速度測量模塊、速度測量模塊作為檢測單元；兩個直流電機作為執行機構 。

2 硬件設計

硬件電路的設計是整個智能車系統的基礎。本系統采用MC9SXS128單片機為控制核心，硬件結構主要包括：電源管理單元、線性CCD單元、三軸加速度傳感器和陀螺儀單元、無線數據傳輸單元、電機驅動和速度檢測單元等。智能車硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統整體結構框圖

3 軟件設計

整個系統由直立控制、速度控制和道路信息采集三個閉環系統，以及各個模塊配合完成的。

3.1 角度信號采集與處理

理論上本系統只需通過加速度計獲得一個方向的加速度值，即可計算出角度值。加速度計輸出值和傾角關系式：

A Design on A Two-W heeled Balance Vehicle System Based on Linear CCD

LIU De-qiang
（Jilin Railway Vocational and Technical College，Jilin，Jilin 132001，China）

The controlsystem adopts the single chipmicrocomputer freescale MC9SXS128 as its controlcore，itcollect road information with a 128*1 linear CCD；Kalman filtering algorithm is adopted to integrate the information about gyroscope and accelerometercalculate theangleand angularvelocityofthemodel，adjustand balance themodel.Thewholesystem composed three closed loops，including road information acquisition system，verticalcontrolsystem and speed controlsystem，whichhelpstomodels to erect，speed up，slow down，pass roadblock and crossbridgesand carry outother complexmotions.PCmonitoring system would receivethedataand informationuploaded bywirelessmodules，afterprocessingand analysis，itwouldmakemodelstrack guide lines rapidly，accuratelyand stablely.

linear CCD；Kalman filter；Balanced car；automatic control

TP273

A

2095-980X（2015）07-0035-01

2015-06-15

劉德強（1973-），男，碩士，講師，主要研究方向：鐵道車輛電氣及電氣傳動控制技術。