嵌入式兩輪循跡自平衡車

陳振偉， 張 立

（1.安徽礦業(yè)職業(yè)技術學院 自動化與信息工程系，安徽 淮北 235000；2.淮北煤電技師學院 自動化與信息工程系，安徽 淮北 235000）

0 引 言

考慮上述因素，越來越多的體積較小、環(huán)保、節(jié)能型自平衡車被社會大眾所認可。自平衡電動車是響應全球節(jié)能減排宗旨，能夠將無人自動駕駛技術與機器人技術完美結合，不僅具有微型電動車的優(yōu)點，而且還具有智能控制等特點。

自平衡電動車由于其具有智能控制和純電力動力、零排放、體積小、靈活性強、時速低等特點而越來越適應社會發(fā)展的需要，具有廣闊的應用前景。

1 自平衡車系統(tǒng)總體方案

兩輪循跡自平衡車控制單元系統(tǒng)采用飛思卡爾的16位微控制器MC9S12XS128單片機作為核心用于智能汽車系統(tǒng)的控制。線性CCD采集賽道明暗信息，返回到單片機作為轉向控制的依據。加速度計返回的模擬信號作為車身當前角度的信號，陀螺儀采集車身轉動的角速度［1］。主控輸出PWM波控制電機的轉速以保持車身的平衡和鎖定賽道。同四輪車不同，平衡車需要使用左右輪的差速來轉彎。為了控制的準確性和快速性，使用編碼器作為速度傳感器。編碼器返回的信號可以形成閉環(huán)，使用PID控制電機轉速。平衡車強烈的加減速會導致車身的傾角劇烈的變化，這并不利于車身保持平衡。因此，整個調試過程就是要在保證車身穩(wěn)定的前提下不斷提高自平衡車前進的平均速度。

根據以上系統(tǒng)方案設計，自平衡車共包括6大模塊：主控模塊采用飛思卡爾MC9S12XS128芯片、電源模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊、速度檢測模塊和輔助調試模塊。電源模塊為整個系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。

2 硬件電路的設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)模塊

以MC9S12XS128為核心的單片機最小系統(tǒng)是本平衡車的核心。

主控模塊（飛思卡爾MC9S12XS128芯片）作為整個自平衡車的“大腦”，將采集CCD傳感器、加速度計、陀螺儀和光電編碼器等傳感器的信號，根據控制算法做出控制決策，驅動兩個直流電機完成對平衡車的控制。

圖1 主控芯片最小系統(tǒng)電路

2.2 電機模塊

電機驅動模塊驅動直流電機和伺服電機完成智能汽車的加減速控制和轉向控制；電機采用芯片BTS7970，其應用非常簡單，只需要向芯片第2引腳輸入PWM波就能控制。當系統(tǒng)中只需要單向控制時，讓電機一端接地，另一端接BTS7960第4引腳。如果需要電機雙向旋轉控制，則需要另一片BTS7960共同組成全橋。由于小車使用雙電機，所以使用4片BTS7970構成兩個全橋分別控制兩個電機。

2.3 測速模塊

速度檢測模塊檢測反饋智能汽車輪的轉速，用于速度的閉環(huán)控制；本車使用歐姆龍300P／R的光電編碼器對車速進行測量，以保證測量精度，并且直接有方向輸出，使用方便。LM2940－5為其提供5V工作電壓。由于飛思卡爾單片機芯片MC9S12XS128只有一個脈沖計數器，我們采用分時復用的方式對左右兩輪計數。

緱衛(wèi)軍[10]以鉬酸銨和硫化鈉為原料，聚乙二醇為分散劑，在鹽酸水溶液中通過水合熱法合成了類似于富勒烯型的MoS2納米微球，其直徑在30～60 nm之間，該方法制備出的MoS2納米微球外表堅硬，物化性能穩(wěn)定，然而所得產物大小不均。

2.4 陀螺儀與加速度計模塊

傳感器模塊是智能汽車的“眼睛”，可以通過一定的前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能汽車的“大腦”做出決策提供必要的依據和充足的反應時間，同時，使用陀螺儀和加速度計計算車模行進過程中的實時角速度和加速度信息，用以保持車模穩(wěn)定行進［2］。

加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運動所產生的加速度，文中采用的是飛思卡爾公司的MMA7260加速度傳感器，該系列的傳感器采用了半導體微機械加工和集成電路技術，通過集成的開關電容放大電路量測電容參數的變化，形成了與加速度成正比的電壓輸出，具有體積小、重量輕、低g值、三軸測量等優(yōu)點。

由于加速度傳感器采用低g值的傳感器MMA7260，它的輸出信號很大，不需要再進行放大［3］。其中MMA7260可以測量3個方向的加速度，文中只需要測量其中一個方向的加速度值，即Z軸方向上的加速度信號。車模直立時，固定加速度計在Z軸水平方向。當車模發(fā)生傾斜時，重力加速度g會在Z軸方向形成加速的分量，從而引起該軸輸出電壓變化，如下式所示：

式中：g——重力加速度；

θ——車模傾角；

k——加速度傳感器的靈敏度系數。

當傾角非常小時，輸出電壓的變化可以近似與傾角成正比，只需要加速度就可以獲得車模的傾角，再對此角度進行微分，即得到傾角速度。但車模實際運行過程中，由于車模本身的擺動所產生的加速度會產生很大的干擾信號，它疊加在測量信號上使得輸出的信號無法準確反映車模的傾角，因此，對于小車直立控制所需要的傾角角度和角速度需要通過另外一種傳感器獲得，即陀螺儀。

3 控制程序的設計

直立平衡循跡小車的硬件電路設計已完成，其能否正常穩(wěn)定的運行，還需要通過編寫與硬件電路相適應的控制軟件。軟件的編寫任務是保證車模運行，主要包括配置主控單片機資源，初步編寫程序框架；建立軟件編譯、下載、調試的環(huán)境；編程實現各個子模塊的功能等。

3.1 程序的設計

軟件的主要功能有：3個傳感器信號的采集、處理；電機的PWM輸出；車模的直立控制、速度控制、方向控制。

軟件控制流程為：程序的初始化、啟動與結束、狀態(tài)監(jiān)控［4］。

程序上電后，先對運用到的單片機模塊進行初始化，完成初始化后，進行直立檢測子程序，程序將讀取加速度計數值判斷小車是否直立，若直立，則進入中斷服務程序進行速度控制、方向控制，同時，判斷小車傾斜角度是否超過一定范圍，確定小車是否跌倒，若跌倒，則停止運行，重新進行小車直立檢測子程序。程序在這個主循環(huán)中不斷將這些數據由串口發(fā)送到上位機進行監(jiān)測。直立控制、速度控制、方向控制是在中斷程序中完成的，其主要讀取和清除電機脈沖計數器數值，積累電機脈沖總數；進行20次模擬量的采集，計算各AD轉換通道模擬量的平均值；計算小車傾斜角度和直立控制量，電機PWM輸出；讀取電磁場檢波數值，計算偏差數值等。

3.2 陀螺儀加速度

陀螺儀加速度計采集處理程序：

4 傳感器的安裝與控制程序的調試

4.1 編碼器安裝

可以選用5V工作電壓的300線歐姆龍光電編碼器進行速度的測量，保證測量的精度［5］。速度傳感器用螺釘通過支架固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。然后調節(jié)編碼器齒輪，使其與差速齒輪緊密咬合，增大測速的精確性，但是咬合過緊也增大了摩擦，減小了對電機做功的利用率，影響小車的快速行駛［6］，因此，減小摩擦同時增強齒輪間的咬合是我們主要考慮的因素。用齒輪潤滑油涂抹齒輪有不錯效果。

4.2 陀螺儀與加速度傳感器安裝

本設計中陀螺儀采用的是村田公司的ENC－03系列的陀螺儀。平衡車在行進過程中，車體僅繞兩后輪的軸心線做轉動［7］。芯片外觀是長方形的，安裝時應注意將長的一邊與后輪軸心線平行。此外，還應注意的是陀螺儀的輸出受溫度的影響比較大，為避免環(huán)境溫度變化對輸出的影響，我們將陀螺儀和加速度計作為一個單獨的模塊，采用FFC線與主板連接，安裝在車身的背面［8］。

與陀螺儀一樣，加速度傳感器的性能與安放位置也有很大的關系。加速度傳感器是根據其XYZ軸上的模擬輸出電壓來確定車身的傾角［9］。由于測量的傾角只有一個，所以可以使用Z軸的輸出來計算，當小車傾角為0時，Z軸對應的面應該處于水平。

4.3 程序調試

通過CodeWarrior編譯軟件的在線調試功能，可以得到大量的信息，為平衡車的調試提供了較大的方便。

5 結 語

綜合來看，自平衡車包括硬件和軟件部分。文中研究的兩輪自平衡循跡小車受到各國科學界的重視，成為自動控制領域的熱點，具有廣泛的應用前景。

［1］ 王俊，許林，岳東，等.基于CCD的兩輪自平衡智能車系統(tǒng)設計［J］.信息技術，2013（8）：181－182.

［2］ 嚴起邦，譚峰，張洪來.基于xs128的光電平衡智能車系統(tǒng)設計［J］.科技創(chuàng)新與應用，2014，20：17－18.

［3］ 李大朋，曹國華，陳佶言.基于STM32單片機驅動面陣CCD實時圖像顯示的研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2014（1）：37－40.

［4］ 段其昌，袁洪躍，金旭東.兩輪自平衡車無速度傳感器平衡控制仿真研究［J］.控制工程，2013，20（4）：619－620.

［5］ 鄭曉偉.基于DSP的兩輪自平衡小車系統(tǒng)的研究［J］.工業(yè)控制計算機，2012，25（9）：34.

［6］ 李虹瑤，馮開凱，李慶源.自平衡小車原理研究［J］.硅谷，2012（18）：26.

［7］ 董錕，韓帥，孫繼龍，等.兩輪自平衡智能車系統(tǒng)設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2013，13（1）：72－73.

［8］ 周牡丹，康愷，蔡普郎，等.兩輪自平衡車控制系統(tǒng)的設計與實現［J］.自動化技術與應用，2014，10：4－8.

［9］ 劉二林，姜香菊.基于卡爾曼濾波的兩輪自平衡車姿態(tài)檢測［J］.自動化與儀器儀表，2015（2）：52－54.