基于藍牙通信的任意銳角平衡車調(diào)試與研究

彭新清，趙聰聰，魏茂盛，徐 凱

（火箭軍工程大學，西安 710025）

1 課題研究背景及意義

汽車的出現(xiàn)給我們帶來了極大的生活方便。但是，汽車數(shù)量的不斷增加，不可避免的會發(fā)生交通事故，造成人員傷亡。隨著計算機技術、嵌入式系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、現(xiàn)代傳感器技術等在汽車上的應用，使之越來越智能化、安全化。智能車技術的核心是采集、處理、執(zhí)行。是一門綜合性技術，在工業(yè)生產(chǎn)線、智能駕駛等領域得到廣泛應用。

2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)實現(xiàn)兩輪車模的自平衡和自動循跡，利用藍牙通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。分為硬件和軟件兩個方面：

2.1 硬件設計

分為三個部分：傳感器，決策器，執(zhí)行器。硬件的總體框圖如圖1所示：

圖1

單片機系統(tǒng)選用K60芯片進行開發(fā)。（1）電源模塊，整個平衡車系統(tǒng)需要三種不同的電壓，分別是3.3V、5V、12V電壓，3.3V主要為芯片供電。5V主要為電磁處理、測速等模塊供電。12V是為驅(qū)動電路供電。（2）藍牙模塊，傳輸數(shù)據(jù)和反饋消息。（3）電磁傳感器，當傳感器高度一定時，電感距離Y軸越近，感應電動勢E越大。（4）驅(qū)動模塊，電機驅(qū)動采用IR2104加MOS構成全橋，MOS管選用IRLR7843；（5）姿態(tài)傳感器電路，選用陀螺儀和加速度計數(shù)字集成模塊作為角度測量傳感器，兩個模塊輸出的信息經(jīng)卡爾曼濾波進行融合得到平衡車俯仰角；（6）測速模塊，采用編碼器測速方法進行測速。

2.2 軟件設計

實現(xiàn)的功能有：（1）功能模塊的初始化：AD模塊、角度模塊、電機、正交解碼、定時器、屏幕、電磁、中斷、參數(shù)等初始化；（2）信息采集：角度和角速度、車速、電磁信號；（3）平衡車三環(huán)嵌套控制：直立、速度、方向的控制；（4）運行狀態(tài)檢測：直立角度、電池電壓、車速、電磁信號的檢測；（5）在線調(diào)試：屏幕顯示、虛擬示波器顯示、PC調(diào)試、按鍵調(diào)試。首先進行初始化，進入主循環(huán)中，在主循環(huán)中始終對平衡車的運行狀態(tài)進行檢測，包括電池電壓，角度、角速度、行駛速度、行駛距離等，當通過屏幕顯示運行參數(shù)正常時，就執(zhí)行按鍵調(diào)試子程序，然后采集電磁信號，并通過屏幕進行實時觀察，當采集到的電磁信號正常時，將采集到的電磁信號值和平衡車中位值進行裝訂，通過PC端或者按鍵對PID參數(shù)進行修改。最后打開電機開關，平衡車就可以正常運行了。同時，采取了多項保護措施，平衡車角度超出安全范圍后，程序會自動將參數(shù)置零，平衡車越出導線或者速度達到不可控的地步時，參數(shù)置零程序會同樣被執(zhí)行。在初始化工作中，已經(jīng)對K60的一個定時器進行配置，產(chǎn)生一個1ms定時中斷，將信息采集、平衡車三環(huán)嵌套控制分成五部分置于定時中斷中：（1）讀取速度：左右兩個編碼器分別記錄單位時間內(nèi)的脈沖值，求平均，最后根據(jù)輪胎與輪齒的半徑比例關系，換算為真實的行駛速度；（2）電磁信號采集與處理：左右兩個電感分別采集10次值并各自取平均，然后將平均后的值進行歸一化，根據(jù)差比和算法算出平衡車的相對位置，用于方向控制；（3）直立控制：將讀取到的加速度計和陀螺儀值通過卡爾曼濾波進行融合，得到穩(wěn)定的角度輸出，對角度進行PD控制達到目的；（4）速度控制：算出目標速度與讀取到的速度之差，然后對差值進行PI控制；（5）方向控制：根據(jù)第二部分得到的相對位置，算出平衡車相對導線的位置偏差，對偏差進行PD控制，達到方向控制的目的。

軟件算法：（1）傳感器采集算法，電磁信號采集函數(shù)為Collect_Ad（）：采用均值濾波，每采集10次，進行一次濾波，抑制噪聲干擾。采集后對信號進行歸一化處理，歸一化函數(shù)Convert_Ad（），采集到的信號值落在1-100范圍之內(nèi)；（2）編碼器測速算法，測速的子函數(shù)為Read_Speed（） ；（3）直立控制?？刂频膶ο笫墙?jīng)卡爾曼濾波后的角度，控制的目標是使平衡車俯仰角度保持在設定的角度附近。在程序中，通過不斷修改PID_ANGLE.P和PID_ANGLE.D兩個參數(shù)，使得平衡車穩(wěn)穩(wěn)地立住。（4）速度控制算法：引入積分控制，利用PI算法實現(xiàn)速度控制。（5）方向控制，電感在空間采集到的電感值與傳感器偏離導線呈非線性關系，因此采用差比和算法使之線性化，通過對位置X_Position進行控制，產(chǎn)生的pwm一個相加至左輪，一個相減至右輪，造成左右輪的不同速度，以此來實現(xiàn)轉向；

3 系統(tǒng)測試

車模組裝完成后，加載程序至芯片，分別測試電源、電磁傳感器、pwm模塊、PID參數(shù)等功能參數(shù)模塊，結果顯示都符合正常并處于良好狀態(tài)。最后再經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，平衡車都能夠穩(wěn)穩(wěn)地立住并按照設計速度行進，達到了預期的效果。

[1] 楊慧.自平衡兩輪移動機器人的設計[D].蘇州大學，2012.